頁巖氣開采壓裂液組成研究

李雪凝　張付生　仉潮　張文雯

摘 要：壓裂液的組成對頁巖氣開采起到至關重要的作用，本文主要研究了壓裂液的組成及作用，以及其對人體的影響。

關鍵詞：頁巖氣;壓裂液組成;壓裂液作用

隨著世界經濟的快速發展，頁巖氣作為重要的非常規天然氣資源，正成為油氣資源勘探開發領域的新熱點。近年來，我國頁巖氣工業也發展迅猛。水力壓裂是頁巖氣開采中廣泛應用的一種液壓鉆井技術，對壓裂液的要求較高，安全、環保、高效的壓裂液能夠提高頁巖氣開采產量。

1 壓裂液的組成

用于頁巖氣生產的壓裂液中水和支撐劑的比重占98%到99.5%。支撐劑為固體材料，支撐劑材料包含砂和陶瓷材料，其作用是嵌入斷裂口，在井內減壓后的天然氣成產中保持斷裂口張開。壓裂液配方中使用了相當多種類的化學添加劑，目的是減少摩擦、腐蝕、細菌滋生，并提供其他便于生產的功能。每一個頁巖氣地層都需要根據該地層的地質特征和運行情況特別配置壓裂液。壓裂液中有經常使用的有四種物質：凝膠劑、減阻劑、泡沫流體和混合流體。

凝膠劑一般由瓜爾豆膠和其他多糖的凝膠混合劑與水制備。凝膠劑可顯著增稠液體，防止支撐劑成分過早從流體中分離出去。甚至少量多糖就可以將水的粘性增加100倍以上[1]。在高溫下，必須加入如硼酸、鋯、鈦、鐵、鉻等交聯劑來交聯凝膠劑，從而組成足夠穩定且稠密的凝膠，在壓裂過程中令支撐劑在其中保持靜止。在這種情況下，通常在之后的壓裂階段會使用如酸、氧化劑或酶等破膠劑分解凝膠劑，使凝膠劑可以較容易地從井筒中清除而不帶走支撐材料。在一些情況下，為使交聯劑能有最好的表現，會需要使用pH調節劑。

減阻劑即多糖減阻劑，多糖被證明能夠減小注水過程中70%的摩擦力和不穩定性。由此，壓裂液可以以最高120桶/min（通常大于60桶/min）的流速注入井筒。減阻壓裂在美國巴涅特頁巖第一次被投入使用，現在美國馬塞勒斯和美國海恩斯維爾頁巖也都在廣泛使用這種方法。它通常被用于高壓深層頁巖中。和常規凝膠劑相比，減阻劑更加便宜且它們的作用不易受水質影響。因此在回收使用回流水和生產水方面非常有優勢。

泡沫流體使用氮氣或二氧化碳氣體生成泡沫。它作為一種支持液體運載支撐劑到斷裂口。二氧化碳可以以液體形式注入，而氮氣需要以氣相注入以防止凍結。如果必要可以加入減阻劑和/或凝膠劑。使用氮氣泡沫流體會減少50%的用水量并且能夠在更少的注入速率下注入更多支撐劑。在較淺的頁巖層和那些油藏壓力及溫度較低的地方泡沫流體的使用更加頻繁。

混合壓裂液是同時使用減阻劑和交聯劑的凝膠流體。首先將減阻劑注入地層來產生理論上水平寬度最小的裂縫，然后將混合了支撐材料的凝膠流體注入斷裂口并使斷裂口在壓力降低后仍保持張開狀態。通過使用混合壓裂液，操作者可以減少壓裂處理的成本并長期保持天然氣生產率。

2 其他添加劑及作用

除了以上提到的主要化學添加劑，壓裂液也會加入殺菌劑、表面活性劑、粘土穩定劑、阻垢劑以提高流體性能。表1總結了常規使用的化學添加劑以其主要功能。酸用以溶解礦物質和初始的斷裂口。殺菌劑用于消滅流體和地層中可能出現的微生物，這些微生物可能會產生腐蝕性物質或者導致流體酸化。粘土穩定劑用以防止粘土層膨脹，膨脹后的粘土層會減少地層的滲透性。緩蝕劑能保護管道不被腐蝕。鐵控制劑避免壓裂液與礦物質反應產生金屬氧化的沉淀物。除氧劑清除流體中的氧以幫助抑制管道氧化。表面活性劑用以減少表面張力從而能夠更好地回收水。

3 壓裂液添加劑對人體的危害

壓裂液中的一些化學添加劑會對人體健康造成潛在影響。交聯后的凝膠可能含有硼酸、四硼酸鈉和乙二醇。他們在高濃度狀態下有危險性，長期暴露于其中可能導致腎臟、肝臟、心臟、血液和大腦損傷。破膠劑中可能含有過硫酸銨，它們會對呼吸道、眼部和皮膚產生刺激。殺菌劑可能含有包括多環有機物和多環芳烴在內的有害物質。所使用的酸包含具有腐蝕性的甲酸和鹽酸。

4 總結

壓裂作為頁巖氣開發的主要手段之一，壓裂液體系的開發將會得到更加全面的發展。隨著新型壓裂液的開發研究，未來的壓裂液體系將會向著低成本，低傷害，耐高溫，循環利用的清潔環保方向發展。

參考文獻：

[1]薛承瑾.頁巖氣壓裂技術現狀及發展建議[J].石油鉆探技術，2011，39（3）：24-29.