页岩气开采中的液化石油气无水压裂技术

陈晓宇，张志全，燕明慧，袁时雨， 张稷瑜

（1. 长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430000； 2. 中国石油大学（北京），北京 102249）



页岩气开采中的液化石油气无水压裂技术

陈晓宇1，张志全1，燕明慧1，袁时雨1， 张稷瑜2

（1. 长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430000； 2. 中国石油大学（北京），北京 102249）

摘 要：水资源的大量消耗和压裂导致的相关污染一直以来都是页岩气开采中常用的水力压裂技术始终面临着两大难题。为了实现页岩气能够绿色高效地开发，探索适宜的新型无水压裂技术已经显得十分重要和紧迫了。而目前，外国的石油科研人员正在研发的LPG无水压裂，即使用液化石油气作为压裂液，则可能是打开中国页岩气资源的钥匙。这种技术可以解决我国尚无完善水力压裂作业体系和缺乏水资源的情况，应用前景相当广阔。

关 键 词：页岩气；LPG；绿色环保

页岩气是一种以吸附和游离状态为主要存在方式，赋存于富含有机质泥页岩及其夹层中的非常规天然气资源，成分以CH4为主。目前，页岩气的开发已经在美国和加拿大等国家取得了比较好的成果。我国页岩气资源潜力大，国家对页岩气的开发相当重视，不断地加大对页岩气的研究和开发力度。现在一口典型页岩气井钻井与压裂需要近25 000 m3水。而“万方液 千方砂”式的水基压裂与中国的实际情况不太符，并且中国页岩气储备主要集中在四川盆地和塔里木盆地，这两个区域的水资源比较匮乏，开采设备运输也不方便，这都是影响页岩气大规模开发的制约因素［1-3］。

国外正在研究的LPG无水压裂液技术，主要是将丙烷混合物作为压裂液来替代水进行压裂作业，把丙烷压缩到凝胶状态，与支撑剂混合一起压入岩石裂缝，这样最终采收率可以提高20%～30%左右并且对地层不会造成任何伤害［4，6］。加拿大的GasFrac Energy Services公司在2008年发明了LPG压裂技术，至2012年9月GasFrac公司与Husky，EOG等公司合作，在加拿大和美国完成1 580井次压裂［7］。

1 LPG组成

LPG在常温和1.4 MPa的压力下呈液态，是一种石油天然气的混合物。LPG的主要成分是HD-5丙烷，与常规油基压裂液比较，最主要的不同点在于LPG是经过分馏的，其纯度达到了90%（图1）［8，9］。

2 LPG压裂液技术机理及特点

LPG压裂液是以液化丙烷、丁烷或者二者的混合液为基液，油溶性表面活性剂烷基磷酸酯作为稠化剂，Fe3+或者Al3+等多价金属盐作为交联剂而形成的一种油基无水压裂液体系［10］。LPG压裂液密度很低，大概只有水密度的二分之一。水基压裂液静压力梯度是10.2 kPa/m，而LPG压裂液静压力梯度则是5.1 kPa/m，在返排的时候压降可多下降至水的静压头的1/2，对在压裂施工后能够快速的彻底的洗井与返排提供帮助。

图1 LPG原料气体积组成Fig.1 LPG feed gas volume composition

从表1可知，水与LPG的黏度存在着10倍的差距。根据描述储层岩石的渗透性的Darcy定律可知，粘度越小，驱替同等量流体所需要的压力差越小，因此，返排时，从基质进入裂缝的液体出来所遇到的阻力也降变低。压裂液表面张力越低，其在裂缝中也就越容易流动，同时，表面张力在很大程度上会影响储层中的毛细管压力。

表1 LPG和水的压裂性能对比Table 1 Performance comparison of LPG and water fracturing

当压裂液流经孔隙喉道或者天然裂缝时，由毛细管压力计算公式可知，压裂液的表面张力越低，流体开始进入岩心中最大喉道的压力，即门限压力也越低，液体就越容易流过狭窄的喉道和天然裂缝。所以，液体堵塞孔喉从而导致的水锁效应因为其较低的表面张力能够得到消除。

LPG压裂液对地层不会产生任何伤害。由于储层及储层流体和其压裂基液是完全配伍，遇到泥质成分比较高的储层不会发生聚合物堵塞、水锁反应、粘土膨胀等现象。压裂关井后，在储层中，如果LPG压裂基液与天然气以挥发或汽化的方式混融，就会形成CH4、LPG混合气相返排；如果跟原油混相，原油的粘度就会变低，其残余油饱和度也将减少，综上，原油最终采收率会得到提高。同时由于LPG压裂液的表面张力、相对密度本身就低，破胶以后它的粘度也会降低，所以返排阻力很小。依靠自有的能量在施工结束后1.0～2.0 d内就可以实现彻底返排［11］。

压裂泵注阶段结束后，在动态裂缝里只残留支撑剂，其裂缝中铺砂效果较好，从而在形成的裂缝几何尺寸中，有效裂缝长度更长（见图2）［12］，前期产能更大（见表2）。

图2 两种压裂方式下产生的有效裂缝长度对比图Fig.2 Effective fracture length comparison after two different ways of fracturing

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

3 LPG压裂液的流变性能

实验中，LPG压裂液需加入稠化剂、交联剂、活化剂和破胶剂等（见图3）。稠化剂为6 g pt，活化剂为6 g pt，破胶剂为1 g pt的压裂液冻胶在加入破胶剂后，90 min内，粘度仍大于100 mPa·s，160 min后彻底破胶，粘度可在50 ～1 000 mPa·s之间进行调节（见图4）［13］。破胶时间也可根据施工要求进行调节，破胶液的粘度为0.1～0.2 mPa·s，这远低于水基压裂液。

图3 LPG压裂液冻胶Fig.3 LPG fracturing fluid gel

4 LPG压裂施工及其回收再利用

LPG压裂实行的是全自动化施工模式，设备组成主要包括压裂车、添加剂运载和泵送系统、LPG罐车、液氨罐车、砂罐、管汇车、仪表车等，不需要混砂车，支撑剂和液体在低压管线中混合输送。

图4 LPG压裂液粘温曲线Fig.4 LPG fracturing fluid viscosity-temperature curve

全套的试井橇将在初试流动的时候所采用，其中包含有除砂器、两个管线加热炉、分离设备和放喷设备（图5）［14］。

图5 LPG压裂返排设备及流程Fig.5 LPG fracturing flowback equipment and processes

液态丙烷通过管线加热炉将得到完全得干燥，其含有的包括已经返排出来的压裂砂等所有的杂质都将得到脱离。从而保证放喷塔或现场液体储罐无液态丙烷进入，并且在以后的压裂作业中也可以继续重复利用。只需通过丙烷回收系统将丙烷重新转换为液态，就能在以后再应用，无须重复利用的时候可以引出作业场，对其点火烧掉。

5 结论与建议

（1）综合LPG压裂和清水压裂的施工成本以及施工后期处理的费用后，LPG压裂性价比更高。

（2）LPG技术因为其成本比水要高的原因，从而对其推广产生了阻碍。常规水力压裂施工设备不适合LPG压裂作业，且在加拿大，美国等发达国家石油领域内，完善的水力压裂作业体系已然建立，生产商对进行技术替换并没有表现出很强的积极性。

（3）安全性有待检验。LPG压裂用压裂车一定要确保密封性，现在安全监测格外重要。在任何位置， 液化石油气泄露都将造成严重的后果。当LPG的浓度达到一定值，在一定温度下将发生爆炸，同时压裂车的发动机在施工时都在工作，更增加了爆炸的风险。目前在多个位置放置LPG浓度监测设备，在LPG压裂车低压吸入口安装压力传感器。

（4）中国的页岩气资源量十分丰富，其开发重点在四川、重庆地区，这个地方地处风景秀美的山区，而且位于长江的源头，所以环境的保护就显得更外关键。为了在页岩气“井工厂”应用中能够大力推广，我们应该尽快的引进和熟练掌握LPG技术。

参考文献：

［1］张艺耀，王世彬，郭建春页岩地层压裂工艺新进展［J］.断块油气田，2013，20（3）：278-281.

［2］王南，钟太贤，刘兴元，等.复杂条件下页岩气藏生产特征及规律［J］.断块油气田，2012，19（6）：767-770.

［3］邵晓州，余川，付勋勋，等.页岩气研究新进展及开发瓶颈分析［J］.断块油气田，2012，19（6）：764-766.

［4］侯向前，卢拥军，方波，等.非常规储集层低碳烃无水压裂液［J］.石油勘探与开发，2013，40（5）：601-605.

［5］黄昌武. 2012年国际石油十大科技进展［J］. 石油勘探与开发，2013（02）：225.

［6］肖圣，李总南. 2012年国际石油十大科技进展［J］. 测井技术，2013（02）：176+204.

［7］Leblanc D P，Martel T，Graves D G，et al. Application of propane（LPG）based hydraulic fracturing in the McCully Gas Field New Brunswick Canada［R］.SPE 144093，2011.

［8］Gupta D V S. Unconventional fracturing fluids for tight gas reservo irs［R］.SPE 119424，2009.

［9］许春宝，何春明. 非常规压裂液发展现状及展望［J］. 精细石油化工进展，2012（06）：1-5.

［10］刘鹏，赵金洲，李勇明，陈鹏飞. 碳烃无水压裂液研究进展［J］. 断块油气田，2015（02）：254-257.

［11］范志坤，任韶然，张亮，等.LPG压裂工艺在超低渗储层中的应用［J］.特种油气藏，2013，20（2）：142-145.

［12］韩烈祥，朱丽华，孙海芳，谯抗逆. LPG无水压裂技术［J］.天然气工业，2014（06）：48-54.

［13］Tudor E H，Nevison G W，Allen S ，et al. 100% gelled LPG fracturing process：An alternative to conventional water-based fracturing techniques［R］.SPE 124495，2009.

［14］Tudor E H，Nevison G W，Allen S ，et al. Case study of a novel hydraulic fracturing method that maximizes effective hydraulic fracture length［C］.SPE124480，2009.

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

中图分类号：TE 357.1+2

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0409-03

收稿日期：2015-10-25

作者简介：陈晓宇，男，湖北钟祥人，硕士研究生，研究方向：采油采气工艺。E-mail：2033916510@qq.com。