页岩气开采压裂液组成研究

李雪凝　张付生　仉潮　张文雯

摘 要：压裂液的组成对页岩气开采起到至关重要的作用，本文主要研究了压裂液的组成及作用，以及其对人体的影响。

关键词：页岩气;压裂液组成;压裂液作用

随着世界经济的快速发展，页岩气作为重要的非常规天然气资源，正成为油气资源勘探开发领域的新热点。近年来，我国页岩气工业也发展迅猛。水力压裂是页岩气开采中广泛应用的一种液压钻井技术，对压裂液的要求较高，安全、环保、高效的压裂液能够提高页岩气开采产量。

1 压裂液的组成

用于页岩气生产的压裂液中水和支撑剂的比重占98%到99.5%。支撑剂为固体材料，支撑剂材料包含砂和陶瓷材料，其作用是嵌入断裂口，在井内减压后的天然气成产中保持断裂口张开。压裂液配方中使用了相当多种类的化学添加剂，目的是减少摩擦、腐蚀、细菌滋生，并提供其他便于生产的功能。每一个页岩气地层都需要根据该地层的地质特征和运行情况特别配置压裂液。压裂液中有经常使用的有四种物质：凝胶剂、减阻剂、泡沫流体和混合流体。

凝胶剂一般由瓜尔豆胶和其他多糖的凝胶混合剂与水制备。凝胶剂可显著增稠液体，防止支撑剂成分过早从流体中分离出去。甚至少量多糖就可以将水的粘性增加100倍以上[1]。在高溫下，必须加入如硼酸、锆、钛、铁、铬等交联剂来交联凝胶剂，从而组成足够稳定且稠密的凝胶，在压裂过程中令支撑剂在其中保持静止。在这种情况下，通常在之后的压裂阶段会使用如酸、氧化剂或酶等破胶剂分解凝胶剂，使凝胶剂可以较容易地从井筒中清除而不带走支撑材料。在一些情况下，为使交联剂能有最好的表现，会需要使用pH调节剂。

减阻剂即多糖减阻剂，多糖被证明能够减小注水过程中70%的摩擦力和不稳定性。由此，压裂液可以以最高120桶/min（通常大于60桶/min）的流速注入井筒。减阻压裂在美国巴涅特页岩第一次被投入使用，现在美国马塞勒斯和美国海恩斯维尔页岩也都在广泛使用这种方法。它通常被用于高压深层页岩中。和常规凝胶剂相比，减阻剂更加便宜且它们的作用不易受水质影响。因此在回收使用回流水和生产水方面非常有优势。

泡沫流体使用氮气或二氧化碳气体生成泡沫。它作为一种支持液体运载支撑剂到断裂口。二氧化碳可以以液体形式注入，而氮气需要以气相注入以防止冻结。如果必要可以加入减阻剂和/或凝胶剂。使用氮气泡沫流体会减少50%的用水量并且能够在更少的注入速率下注入更多支撑剂。在较浅的页岩层和那些油藏压力及温度较低的地方泡沫流体的使用更加频繁。

混合压裂液是同时使用减阻剂和交联剂的凝胶流体。首先将减阻剂注入地层来产生理论上水平宽度最小的裂缝，然后将混合了支撑材料的凝胶流体注入断裂口并使断裂口在压力降低后仍保持张开状态。通过使用混合压裂液，操作者可以减少压裂处理的成本并长期保持天然气生产率。

2 其他添加剂及作用

除了以上提到的主要化学添加剂，压裂液也会加入杀菌剂、表面活性剂、粘土稳定剂、阻垢剂以提高流体性能。表1总结了常规使用的化学添加剂以其主要功能。酸用以溶解矿物质和初始的断裂口。杀菌剂用于消灭流体和地层中可能出现的微生物，这些微生物可能会产生腐蚀性物质或者导致流体酸化。粘土稳定剂用以防止粘土层膨胀，膨胀后的粘土层会减少地层的渗透性。缓蚀剂能保护管道不被腐蚀。铁控制剂避免压裂液与矿物质反应产生金属氧化的沉淀物。除氧剂清除流体中的氧以帮助抑制管道氧化。表面活性剂用以减少表面张力从而能够更好地回收水。

3 压裂液添加剂对人体的危害

压裂液中的一些化学添加剂会对人体健康造成潜在影响。交联后的凝胶可能含有硼酸、四硼酸钠和乙二醇。他们在高浓度状态下有危险性，长期暴露于其中可能导致肾脏、肝脏、心脏、血液和大脑损伤。破胶剂中可能含有过硫酸铵，它们会对呼吸道、眼部和皮肤产生刺激。杀菌剂可能含有包括多环有机物和多环芳烃在内的有害物质。所使用的酸包含具有腐蚀性的甲酸和盐酸。

4 总结

压裂作为页岩气开发的主要手段之一，压裂液体系的开发将会得到更加全面的发展。随着新型压裂液的开发研究，未来的压裂液体系将会向着低成本，低伤害，耐高温，循环利用的清洁环保方向发展。

参考文献：

[1]薛承瑾.页岩气压裂技术现状及发展建议[J].石油钻探技术，2011，39（3）：24-29.