自主研發(fā)填補國內(nèi)石油重建井筒重復(fù)壓裂工藝國產(chǎn)化的“最后一塊拼圖”

近日，中國石化江漢石油工程公司成功打破國外技術(shù)壁壘，自主研發(fā)出純天然環(huán)保型“SKAM交聯(lián)可控低傷害胍膠壓裂液”產(chǎn)品，填補了國內(nèi)在石油重建井筒重復(fù)壓裂工藝國產(chǎn)化中的“最后一塊拼圖”。

重建井筒重復(fù)壓裂技術(shù)是一種提高石油儲量動用率和氣藏采收率的技術(shù)，起源于北美。石油工程技術(shù)人員在原有油氣井的基礎(chǔ)上，下入新套管，進行封固，實現(xiàn)儲層重新改造。

該公司技術(shù)發(fā)展部經(jīng)理向少華說：“在我國，我們對頁巖氣勘探開發(fā)的認識時間并不算長，初期很多技術(shù)都在摸索中進行，以至于我們對一個儲層的儲量動用率并不高，僅12%左右。在老油氣井中下入新套管，可以幫助我們對已動用的儲層進行重復(fù)開發(fā)，以此來提高儲層動用率。”

提高儲層動用率就需要石油工程技術(shù)人員在已有產(chǎn)氣通道基礎(chǔ)上進行加密，其原理類似于復(fù)合種植技術(shù)，比如在玉米地間種植大豆，從而實現(xiàn)“一地雙收”。

然而，要想在頁巖氣井中實現(xiàn)“一地雙收”遠比種植農(nóng)作物要困難的多。

“如果說農(nóng)業(yè)的復(fù)合種植是在玉米間種植大豆，那頁巖氣的‘復(fù)合種植’就是在‘大豆’間種植‘玉米’。”向少華說。

為了能夠開采出頁巖氣體，石油工程技術(shù)人員通常會在一個富含有儲量的地層段上建立許多類似樹根結(jié)構(gòu)的開采通道來，而這些開采通道向儲層延展的深度與廣度決定了石油工程技術(shù)對一個儲層的動用率有多高，也就是我們能夠開采出多少氣體出來。

頁巖氣開發(fā)初期之所以動用率不高，就是因為為防止開采通道過于密集造成的地層脆性增加，導(dǎo)致地層垮塌，我們會人為控制開采通道擴展的深度和廣度。

但經(jīng)過頁巖氣開發(fā)的黃金十年，國人已實現(xiàn)了集成技術(shù)、裝備、工具的系列國產(chǎn)化，石油工程技術(shù)人員向儲層深度和廣度進軍的步伐更加堅定，通過自研的重建井重復(fù)壓裂技術(shù)，還能夠在同一儲層段上建立20-30個產(chǎn)氣通道，把儲層的儲量動用率從12%提高到40%以上。

重建井筒重復(fù)壓裂技術(shù)之所以一直被北美地區(qū)所把持，因其存在兩個勘探開發(fā)難點。

第一個是重建井本身是已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化投產(chǎn)很久的老井，在二次固井下入新套管過程中，不能夠像鉆井一樣進行井下鉆頭導(dǎo)航，所以需要對新套管進行扶正，以保證它跟原有井筒軌道完美貼合。第二個就是新井筒的套管尺寸較之前縮減了超30%，重復(fù)壓裂期間，用于打開氣道的壓裂液體系通過新套管下入井底的阻力更大。

單一的技術(shù)工藝國產(chǎn)化不叫全面國產(chǎn)化，單純的裝備制造也不叫全面國產(chǎn)化，只有技術(shù)工藝、裝備制造、工具、工程產(chǎn)品全部國產(chǎn)化，才叫真正的全面國產(chǎn)化。

近年來，伴隨著頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)工藝、設(shè)備、工具、等方面的國產(chǎn)化，國人在頁巖氣等非常規(guī)資源開發(fā)的賽道上實現(xiàn)彎道超車，在很多技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)牢牢的把頁巖氣勘探開發(fā)話語權(quán)掌握在了自己手中，但唯獨石油工程產(chǎn)品成為了影響全面國產(chǎn)化的“最后一塊拼圖”。

重建井筒重復(fù)壓裂技術(shù)的第一大難點屬于技術(shù)工藝難點，作為施工主體單位，早在2020年初，中石化江漢石油工程就與涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司開展了聯(lián)合項目攻關(guān)，成立了“頁巖氣重復(fù)壓裂創(chuàng)新團隊”，通過工具設(shè)計、性能檢測、現(xiàn)場服務(wù)、質(zhì)量評價等階段，成功研發(fā)出直翼式套管樹脂扶正器、機液一體化脫節(jié)裝置、多功能一體化井筒清潔技術(shù)等特色工具和技術(shù)工藝，并率先在焦頁5-1HF井利用國產(chǎn)化壓裂裝備，成功實現(xiàn)了我國首口運用自主研發(fā)技術(shù)工藝開發(fā)的重建井筒重復(fù)壓裂施工。

經(jīng)過三年的技術(shù)迭代升級，目前中石化江漢石油工程在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的各項指標一次成功率均達到了100%，且施工周期從開發(fā)初期的32天縮短至20天，工程提速達60%。

可即便有如此成績，困擾重建井筒重復(fù)壓裂技術(shù)全面國產(chǎn)化的第二大難點也遲遲未得到有效解決，成為阻礙該項技術(shù)全面國產(chǎn)化的最后一道藩籬。

“在北美地區(qū)，重建井的井筒套管通常為4寸，而在我國，重建井的井筒套管為3.5寸。”該公司儲層改造研究所所長鐘濤說。

國內(nèi)重建井套管尺寸比北美開發(fā)的還要細，壓裂液下入井底的阻力也更大，再加上地質(zhì)條件的差異，意味著北美重建井筒重復(fù)壓裂所使用的壓裂液產(chǎn)品根本不適用于國內(nèi)。要實現(xiàn)全面國產(chǎn)化，研發(fā)出屬于自己的重建井筒重復(fù)壓裂液體系迫在眉睫。

給地層做動脈手術(shù)，綠色環(huán)保很重要

其實在開展《頁巖氣井重建井筒重復(fù)壓裂探索和試驗》橫向項目研究的早期，課題組成員曾嘗試過利用一些國產(chǎn)廠商的壓裂液產(chǎn)品進行全國產(chǎn)化替代，但效果均不理想。

壓裂液產(chǎn)品，又被成為壓裂液體系，由主液體和添加劑組成，是多種功能的液體組合而成，用于輔助壓裂施工所使用的產(chǎn)品。

壓裂液被形象的稱為打開地庫寶藏的“鑰匙”，是因為其主液體的功能是支撐產(chǎn)氣通道，防止其閉合，讓地層裂縫中的“氣寶寶”可以從井筒中竄出地層。

“這一過程就像是在給地層做‘心臟動脈搭橋手術(shù)’，壓裂液就像是一個‘動脈支架’，緊貼在地層裂縫上，依靠彈性和粘性支撐，好讓壓裂砂進入地層。此時，我們的頁巖氣就可以像‘血液’一樣，依靠地層這顆‘心臟’的泵壓，源源不斷流向井筒。”鐘濤形象地比喻道。

其實，準確來說，支撐產(chǎn)氣通道、打開地層只是其功能之一。減低井筒摩阻，讓液體更好地順著井筒壁流到射孔段，以及在完成使命后，還要自動破膠，從半流體變成流體返排出井口等等功能。但無論是什么功能，由于是直接在地層作業(yè)，綠色環(huán)保至關(guān)重要，工程產(chǎn)品不環(huán)保，直接污染的就是數(shù)千米以下的地層。

拒絕科技與狠活兒，從植物中找答案

壓裂液其實是一種膠狀半流體液體，其原始狀態(tài)是粉劑，在輸送至地層過程中，與水化合反應(yīng)變成半流體膠狀液體。

目前市面上的大多數(shù)的膠液體系都是‘科技與狠活兒’，普遍存在加量高、交聯(lián)時間過快及殘渣含量高等問題。采訪中了解到，為了讓壓裂液更具有粘性，很多廠商會選擇加大工業(yè)粉劑添加，這樣一來不僅對地層的污染性更大，同時凝膠時間不好掌控，也就是膠黏時間。有的產(chǎn)品還未達到目的地就已經(jīng)在井筒中間凝結(jié)成膠，堵塞井筒。有的凝膠非常順利，但破膠不充分，產(chǎn)生大量工業(yè)殘膠留在地下，影響頁巖氣純度的同時，污染地層。

因此“綠色環(huán)保”“不傷害地層”“返排率高”是為該技術(shù)工藝研發(fā)配套壓裂液體系的一個最為重要的先決條件。在充分的市場調(diào)研過后，鐘濤及其團隊嘗試了將近20種膠黏物質(zhì)，終于在一種花朵形狀類似長頸鹿腦袋的植物中找到了答案。

這株植物叫做瓜兒豆，豆科瓜兒豆屬植物，原產(chǎn)于非洲熱帶，印度、斯里蘭卡、阿富汗等干旱地區(qū)。從這種植物中提取的膠狀物質(zhì)，被稱為瓜爾豆膠，也稱胍膠，具有膠凝、增稠、乳化、穩(wěn)定分散等優(yōu)良特性。

胍膠除了是純天然提取物，不會傷害地層外，其含有的高分子量水膠體多糖具有降糖作用，可以減少餐后與禁食狀態(tài)下血中葡萄糖濃度，特別適合減肥人群和輔助糖尿病治療使用。將醫(yī)學(xué)產(chǎn)品運用到工業(yè)學(xué)科中的結(jié)果就是，產(chǎn)生了一連串的奇妙碰撞。

很快，鐘濤及其團隊成員運用胍膠研究出了一款名為“SKAM交聯(lián)可控低傷害胍膠壓裂液”體系。除了綠色環(huán)保，無需大量添加等優(yōu)勢外，這款產(chǎn)品的另一大優(yōu)勢就是交聯(lián)可控。研究人員只需改變交聯(lián)劑及pH調(diào)節(jié)劑用量，就可以精準控制交聯(lián)時間。也就是人為的拉長了胍膠分子鏈交結(jié)成團的化學(xué)反應(yīng)時間。

胍膠與傳統(tǒng)的工業(yè)合成膠液體系相比較，前者就像“雞胸肉”，而后者就好比工業(yè)蛋白粉。

“過去交聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)是在壓裂液剛進入井筒的過程中發(fā)生，時間短，速度快，極大地增加了泵送摩阻。現(xiàn)在好了，壓裂液到達了射孔簇后，再進行人為干預(yù)凝膠化學(xué)反應(yīng)，可極大降低泵送摩阻，同時還能將壓裂液的能量傳遞到裂縫遠端，有效造縫、攜砂。”參與焦頁21-3HF井重建井筒重復(fù)壓裂施工的技術(shù)員嚴詩婷說。

給“地層支架”裝上“小滑輪”

通常來說，在做心臟搭橋手術(shù)過程中，醫(yī)生會利用一個輸送裝置將支架輸送到指定位置。

半流體的液體其本身就比流體的流動性要差，要想在直徑不到12cm的套管內(nèi)流動自如，研究人員還得為其加上一副“小滑輪”，讓其靠自身流動流到地層指定位置。

為了在高阻力的3.5英寸重建井筒中順利將“SKAM交聯(lián)可控低傷害胍膠壓裂液”體系達到目標段，實現(xiàn)自主研發(fā)工程產(chǎn)品和技術(shù)工藝同步國產(chǎn)化，打破國外制約。該公司科研人員對聚合物減阻劑分子進行了改良，引用分子片段設(shè)計理念、采用靶向聚合手段實現(xiàn)超分子聚集看，研發(fā)出了“FLICK-2S超分子低摩阻連續(xù)攜砂一體化壓裂液體系”。該體系減阻率高達75%，是目前市面上減阻率最高的壓裂液產(chǎn)品。

不僅如此，為了適應(yīng)非重建井以外的頁巖、致密砂巖等非常規(guī)儲層大規(guī)模體積壓裂需求，研究人員還將該體系的耐溫范圍由市面上常規(guī)的45-105℃擴大到30-160℃，最高耐鹽可達100000ppm礦化度。

“新一代FLICK-2S超分子低摩阻連續(xù)攜砂一體化壓裂液體系延續(xù)了FLICK-2的高耐礦化度，可實現(xiàn)返排廢水的重復(fù)再利用，節(jié)約勘探開發(fā)過程中的水資源使用。”儲層改造研究所壓裂液研發(fā)團隊的閆秀說。

截止目前，該產(chǎn)品已在國內(nèi)三口重建井重復(fù)壓裂施工中成功應(yīng)用，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，助力該項工藝降本減費近30%，最高單井日產(chǎn)氣量可達14.2萬立方米/天，測試產(chǎn)量恢復(fù)到初次壓裂的70%以上，達到北美先進水平。（鄒明強 王冰 李澎）