頁巖氣開采中的液化石油氣無水壓裂技術

陳曉宇，張志全，燕明慧，袁時雨， 張稷瑜

（1. 長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430000； 2. 中國石油大學（北京），北京 102249）

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頁巖氣開采中的液化石油氣無水壓裂技術

陳曉宇1，張志全1，燕明慧1，袁時雨1， 張稷瑜2

（1. 長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430000； 2. 中國石油大學（北京），北京 102249）

摘 要：水資源的大量消耗和壓裂導致的相關污染一直以來都是頁巖氣開采中常用的水力壓裂技術始終面臨著兩大難題。為了實現頁巖氣能夠綠色高效地開發，探索適宜的新型無水壓裂技術已經顯得十分重要和緊迫了。而目前，外國的石油科研人員正在研發的LPG無水壓裂，即使用液化石油氣作為壓裂液，則可能是打開中國頁巖氣資源的鑰匙。這種技術可以解決我國尚無完善水力壓裂作業體系和缺乏水資源的情況，應用前景相當廣闊。

關 鍵 詞：頁巖氣；LPG；綠色環保

頁巖氣是一種以吸附和游離狀態為主要存在方式，賦存于富含有機質泥頁巖及其夾層中的非常規天然氣資源，成分以CH4為主。目前，頁巖氣的開發已經在美國和加拿大等國家取得了比較好的成果。我國頁巖氣資源潛力大，國家對頁巖氣的開發相當重視，不斷地加大對頁巖氣的研究和開發力度?，F在一口典型頁巖氣井鉆井與壓裂需要近25 000 m3水。而“萬方液 千方砂”式的水基壓裂與中國的實際情況不太符，并且中國頁巖氣儲備主要集中在四川盆地和塔里木盆地，這兩個區域的水資源比較匱乏，開采設備運輸也不方便，這都是影響頁巖氣大規模開發的制約因素［1-3］。

國外正在研究的LPG無水壓裂液技術，主要是將丙烷混合物作為壓裂液來替代水進行壓裂作業，把丙烷壓縮到凝膠狀態，與支撐劑混合一起壓入巖石裂縫，這樣最終采收率可以提高20%～30%左右并且對地層不會造成任何傷害［4，6］。加拿大的GasFrac Energy Services公司在2008年發明了LPG壓裂技術，至2012年9月GasFrac公司與Husky，EOG等公司合作，在加拿大和美國完成1 580井次壓裂［7］。

1 LPG組成

LPG在常溫和1.4 MPa的壓力下呈液態，是一種石油天然氣的混合物。LPG的主要成分是HD-5丙烷，與常規油基壓裂液比較，最主要的不同點在于LPG是經過分餾的，其純度達到了90%（圖1）［8，9］。

2 LPG壓裂液技術機理及特點

LPG壓裂液是以液化丙烷、丁烷或者二者的混合液為基液，油溶性表面活性劑烷基磷酸酯作為稠化劑，Fe3+或者Al3+等多價金屬鹽作為交聯劑而形成的一種油基無水壓裂液體系［10］。LPG壓裂液密度很低，大概只有水密度的二分之一。水基壓裂液靜壓力梯度是10.2 kPa/m，而LPG壓裂液靜壓力梯度則是5.1 kPa/m，在返排的時候壓降可多下降至水的靜壓頭的1/2，對在壓裂施工后能夠快速的徹底的洗井與返排提供幫助。

圖1 LPG原料氣體積組成Fig.1 LPG feed gas volume composition

從表1可知，水與LPG的黏度存在著10倍的差距。根據描述儲層巖石的滲透性的Darcy定律可知，粘度越小，驅替同等量流體所需要的壓力差越小，因此，返排時，從基質進入裂縫的液體出來所遇到的阻力也降變低。壓裂液表面張力越低，其在裂縫中也就越容易流動，同時，表面張力在很大程度上會影響儲層中的毛細管壓力。

表1 LPG和水的壓裂性能對比Table 1 Performance comparison of LPG and water fracturing

當壓裂液流經孔隙喉道或者天然裂縫時，由毛細管壓力計算公式可知，壓裂液的表面張力越低，流體開始進入巖心中最大喉道的壓力，即門限壓力也越低，液體就越容易流過狹窄的喉道和天然裂縫。所以，液體堵塞孔喉從而導致的水鎖效應因為其較低的表面張力能夠得到消除。

LPG壓裂液對地層不會產生任何傷害。由于儲層及儲層流體和其壓裂基液是完全配伍，遇到泥質成分比較高的儲層不會發生聚合物堵塞、水鎖反應、粘土膨脹等現象。壓裂關井后，在儲層中，如果LPG壓裂基液與天然氣以揮發或汽化的方式混融，就會形成CH4、LPG混合氣相返排；如果跟原油混相，原油的粘度就會變低，其殘余油飽和度也將減少，綜上，原油最終采收率會得到提高。同時由于LPG壓裂液的表面張力、相對密度本身就低，破膠以后它的粘度也會降低，所以返排阻力很小。依靠自有的能量在施工結束后1.0～2.0 d內就可以實現徹底返排［11］。

壓裂泵注階段結束后，在動態裂縫里只殘留支撐劑，其裂縫中鋪砂效果較好，從而在形成的裂縫幾何尺寸中，有效裂縫長度更長（見圖2）［12］，前期產能更大（見表2）。

圖2 兩種壓裂方式下產生的有效裂縫長度對比圖Fig.2 Effective fracture length comparison after two different ways of fracturing

表2 加拿大McCully氣田Table 2 Canada McCully Gas Filed

3 LPG壓裂液的流變性能

實驗中，LPG壓裂液需加入稠化劑、交聯劑、活化劑和破膠劑等（見圖3）。稠化劑為6 g pt，活化劑為6 g pt，破膠劑為1 g pt的壓裂液凍膠在加入破膠劑后，90 min內，粘度仍大于100 mPa·s，160 min后徹底破膠，粘度可在50 ～1 000 mPa·s之間進行調節（見圖4）［13］。破膠時間也可根據施工要求進行調節，破膠液的粘度為0.1～0.2 mPa·s，這遠低于水基壓裂液。

圖3 LPG壓裂液凍膠Fig.3 LPG fracturing fluid gel

4 LPG壓裂施工及其回收再利用

LPG壓裂實行的是全自動化施工模式，設備組成主要包括壓裂車、添加劑運載和泵送系統、LPG罐車、液氨罐車、砂罐、管匯車、儀表車等，不需要混砂車，支撐劑和液體在低壓管線中混合輸送。

圖4 LPG壓裂液粘溫曲線Fig.4 LPG fracturing fluid viscosity-temperature curve

全套的試井橇將在初試流動的時候所采用，其中包含有除砂器、兩個管線加熱爐、分離設備和放噴設備（圖5）［14］。

圖5 LPG壓裂返排設備及流程Fig.5 LPG fracturing flowback equipment and processes

液態丙烷通過管線加熱爐將得到完全得干燥，其含有的包括已經返排出來的壓裂砂等所有的雜質都將得到脫離。從而保證放噴塔或現場液體儲罐無液態丙烷進入，并且在以后的壓裂作業中也可以繼續重復利用。只需通過丙烷回收系統將丙烷重新轉換為液態，就能在以后再應用，無須重復利用的時候可以引出作業場，對其點火燒掉。

5 結論與建議

（1）綜合LPG壓裂和清水壓裂的施工成本以及施工后期處理的費用后，LPG壓裂性價比更高。

（2）LPG技術因為其成本比水要高的原因，從而對其推廣產生了阻礙。常規水力壓裂施工設備不適合LPG壓裂作業，且在加拿大，美國等發達國家石油領域內，完善的水力壓裂作業體系已然建立，生產商對進行技術替換并沒有表現出很強的積極性。

（3）安全性有待檢驗。LPG壓裂用壓裂車一定要確保密封性，現在安全監測格外重要。在任何位置， 液化石油氣泄露都將造成嚴重的后果。當LPG的濃度達到一定值，在一定溫度下將發生爆炸，同時壓裂車的發動機在施工時都在工作，更增加了爆炸的風險。目前在多個位置放置LPG濃度監測設備，在LPG壓裂車低壓吸入口安裝壓力傳感器。

（4）中國的頁巖氣資源量十分豐富，其開發重點在四川、重慶地區，這個地方地處風景秀美的山區，而且位于長江的源頭，所以環境的保護就顯得更外關鍵。為了在頁巖氣“井工廠”應用中能夠大力推廣，我們應該盡快的引進和熟練掌握LPG技術。

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LPG Waterless Fracturing Technology for Exploitation of Shale Gas

CHEN Xiao-yu1， ZHANG Zhi-quan1， YAN Ming-hui1， YUAN Shi-yu1， ZHANG Ji-yu2
（1. School of Petroleum Engineering，Yangtze University， Hubei Wuhan 430000， China；2. China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract:The large amount of water resource consumption and related pollution caused by fracturing are two major problems in the exploitation of shale gas by using the common hydraulic fracturing technology. In order to realize the green and efficient development of shale gas， it is very important and urgent to develop new type of fracturing technology. At present， foreign oil researchers are developing LPG waterless fracturing technology， namely using liquefied petroleum gas as fracturing fluid； it may be the key to open shale gas resources in China. This technology can solve the problems that there is no perfect system of hydraulic fracturing operations and the lack of water resources in China， so its application prospect is very broad.

Key words:Shale gas；LPG；Green

中圖分類號：TE 357.1+2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0409-03

收稿日期：2015-10-25

作者簡介：陳曉宇，男，湖北鐘祥人，碩士研究生，研究方向：采油采氣工藝。E-mail：2033916510@qq.com。