减阻剂在页岩气压裂中的研究及应用

褚方圆

摘要：近年来，我国的各行各业建设的发展也有了改善。页岩气作为目前我国重点开发的非常规油气资源，在开采过程中带来水资源消耗与压裂返排液可能带来的环境影响不容忽视。随着当前国内环境保护要求的逐渐提升，为了使水资源得到综合利用及防治环境污染，针对性地选择压裂返排液的处置方式及处理工艺是页岩气开发可持续发展的关键。

关键词：减阻剂;页岩气压裂;研究及应用

引言

极细粒矿物与黏土经过堆集、固化成为页岩，页岩往往沉积在无扰动环境下的湖泊、海洋等地区，含大量有机物，是生油气母岩。页岩气大多以吸附、游离相态存在这样孔隙度和渗透率极低的致密泥页岩中，页岩气流动阻力比常规油气大，裂缝网络不发育的页岩，很难成为有效储层，要求具备一定的改造体积，才能满足页岩气高效开发的要求。

1生物基多糖类减阻剂应用

生物基多糖减阻剂以瓜尔胶为主，具有环境友好和可生物降解的优点。瓜尔胶是一种天然的高分子植物胶，主产于印度、巴基斯坦等地瓜豆种子的胚乳中，市场价格多受自然环境与世界经济格局变化所共同决定。其主要成分是半乳甘露聚糖，以β-14苷键链接的D-甘露糖为主链，以α-16苷键链接的D-半乳糖为支链，是具有多分支的长链中性非离子型多邻位顺势羟基聚糖。相对分子质量与产地相关，多为100～200万左右。瓜尔胶聚合物在溶于水后会水化成线性结构，浓度一般为1.8～3.6kg/m3左右，最大携砂量可达240kg/m3。未经改性的瓜尔胶水化速率缓慢，黏度不稳定，不利于压裂在线施工作业，多借助官能团衍生、接枝聚合、金属交联等方法对瓜尔胶原粉进行修饰。使用交联剂对瓜尔胶进行交联处理，处理后黏度可提高至原有黏度的100倍左右，携砂量明显高于同量PAM滑溜水。利用有机分散剂将羟乙基纤维素、羧甲基淀粉与瓜尔胶的混合浆液分散成为稳定的乳液型减阻剂，该体系可在10s内快速起黏，满足现场连续混配技术需求。在瓜尔胶主链上接枝PAM，有利于提高其降阻能力，生物降解能力可延长10d。PEO可实现快速水合，且具有优异的减阻性能，但其易在水中快速粘接形成难溶性“鱼眼”，导致地层二次伤害。因此，将PEO直接用于压裂施工作业的案列很少。近年来，一些研究者将PEO与瓜尔胶的优势相结合，研发出一种可快速水合、耐高矿化度和性能稳定的减阻剂产品。聚合物粒径尺寸越小，与水溶液接触的比表面积越大，溶解速率也越快这一特点，推出了以线性非改性瓜尔胶作为主剂，PEG到8000（PEG，Polyethylene glycol，聚乙二醇）作为分散剂的水包水聚合物产品———xWater。其中PEG8000易溶于水，在水中呈蛇形构象，其氧醚基易与含氧的胶粒表面产生同性离子亲和作用。这种氢键的亲和作用使得PEG易于吸附在胶粒表面形成一层高分子保护膜，包围了胶体粒子，而其分子间呈蛇形构象伸向水溶液中使得整个包裹体具有一定厚度，故当带同性电荷的胶体质点互相接近时，静电斥力与高分子的空间位阻效应共同作用，发挥了分散作用。该产品结构稳定，无相分离现象，可通过设置注入浓度调变在线监控注入参数。高矿化度条件下，水化速度明显快于粉状瓜尔胶或者油包水相聚合物，使用破胶剂氧化破胶后无固体残留，进而产生更高的裂缝导流能力。xWater减阻剂在支撑剂填充层损害程度最低的情况下具有与线性胶或交联体系相同的携砂能力。2012年以来，xWater已在北美Bakken页岩气区成功压裂65段，高矿化度产出水用量2.8×107L，全程无需额外引入添加新鲜水源，降低了总压裂作业成本的25%。

2页岩气储层评价与压裂改造

页岩气开发以储层评价为基础，压裂改造为核心。只有对储层特征精准地评价以及对压裂改造有深刻地认识，才能提高产能、降低作业成本。储层评价主要目的是评价储层是否能够通过压裂改造形成足够大的有效裂缝体积。储层的脆性、天然裂缝以及水平应力差等对储层压裂的可行性及其效果起着重要作用。脆性大的储层，易实现脆性断裂形成裂缝网络，从而大幅度提高裂缝体积。泊松比小，杨氏模量大，则说明脆性指数大，拉伸实验可获得岩芯的泊松比及杨氏模量，另外，储层中碳酸盐岩矿物、硅质矿物含量高，也可说明页岩储层的脆性指数大，岩石矿物分析法可确定储层的脆性;天然裂缝可增加自由气的储集，天然裂缝发育程度越好，其和人工裂缝形成的裂缝网络越复杂。天然裂縫的发育程度可通过钻遇裂缝的岩芯和野外露头分析得到;水平应力差越小，对于缝网的复杂性越好。地应力的获取在实验室、现场施工可分别采用岩石声发射Kaiser效应法、水压致裂法。此外，预测储量、孔渗条件、有机碳含量及成熟度、水敏感性也是页岩气储层评价的指标。经过精准的储层评价，具备较好富集规律的气层，才能通过压裂改造实现人工裂缝体系。压裂改造主要目的是增加裂缝网络，提高裂缝导流能力。页岩气从地层流动至井底可分为3个阶段：①吸附气由于压降发生解吸附成为自由气;②自由气由于浓度差从基质系统向裂缝网络系统扩散;③页岩气由于流动势从裂缝网络系统流至井底。页岩储层孔隙度和渗透率极低，流动阻力过大，基本无法运移到井底。因此，需要大规模压裂改造，使人工裂缝和天然裂缝错综交杂，形成具有一定渗流能力的裂缝网络，便于页岩气更好地通过裂缝网络流向井底，以实现较高的商业开发价值。

3压裂返排液处理研究应用前景

根据不同地区水质特征及现场实施条件选择合适的压裂返排液处理方式和处理工艺组合，并综合考虑适用性、节能、使用寿命、环境因素等。目前页岩气开采重庆片区限制回注，仅四川允许回注。因此一方面应从技术上降低硬度等不利于回用的水质因素进一步提高返排液回用比例，另一方面可根据实际情况采用处理回用与依托现有回注井回注、集中处理外排、拉运至第三方污水厂处理等多种方式结合的处置模式。根据目前国内环保政策及西南地区油气生产开采形势，页岩气压裂返排液达标外排处理是一个重要的发展方向。西南地区环境较为敏感和脆弱，应根据压裂返排液水质特征及处置现状，探索适应页岩气开发的压裂返排液处理技术。目前国内外对页岩气压裂返排液的污染特征尚未完全明确，潜在的环境风险认识尚不充分，因此需进一步开展页岩气返排液水质特征研究，逐步完善返排液污染物数据库建设。在适应油气田动态处理要求基础上，改进现有技术、研究新兴技术，将现场处理技术模块化，以满足不同条件下的处理需求。根据目前压裂返排液等废水处理现状及存在的问题，结合生产单位需求和法律法规要求，一方面综合技术经济效益分析，通过运用成熟技术的商业化工程案例，解决页岩气上产废水治理现状的问题;另一方面，在现有处理技术的基础上，不断尝试和探索不同处理技术间的组合搭配方式，通过研究转化、集成、改进、论证，形成经济最优、技术可靠的新型应用型废水处理技术措施，因地制宜寻求更适合该区块钻井废水治理的新模式。随着当前我国环境保护要求的逐渐提升，为了使水资源得到综合利用及防治环境污染，在开发页岩气的同时需要根据实际情况针对性地选择压裂返排液的处置方式及处理工艺。研究开发低成本、高效采出液深度处理技术，能够有效降低页岩气压裂返排液对环境带来的影响，为页岩气可持续开发提供重要的技术支撑，这也将成为我国页岩气“十四五”发展规划的必然方向。

结语

压裂液作为页岩气压裂技术的“血液”，压裂液体系的优化备受关注。随着纤维材料、清洁压裂液及无水压裂液的出现，未来压裂液体系发展呈低成本、低伤害、清洁环保、适应苛刻环境的趋势。

参考文献

[1]陈九霖.国际油价暴跌-国内油价为何“9连涨”[J].中国经济周刊，2021（6）：106-108.

[2]鲍晋.页岩气成藏体积改造疏水缔合聚合物压裂液基础研究[D].成都：西南石油大学，2015.

[3]陈作，薛乘瑾，蒋廷学，等.页岩气井体积压裂技术在我国的应用建议[J].天然气工业，2010，30（10）：30-32.