韓烈祥 朱麗華 孫海芳 譙抗逆

1.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.中國石油川慶鉆探工程公司科技處

開發(fā)頁巖油氣的核心技術(shù)是工程技術(shù)的飛速進步，多段水力壓裂技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，但是從應(yīng)用看，基本上每口井消耗要達到“千方砂、萬方液”的規(guī)模，開發(fā)區(qū)域的井?dāng)?shù)又是成百上千的井工廠，水資源浪費巨大、環(huán)境成本巨大。

加拿大GasFrac公司最先提出LPG無水壓裂理念，采用液化石油氣（LPG）作為壓裂液，其主要成分就是丙烷（C3H8），還有少量乙烷、丙烯、丁烷和化學(xué)添加劑，對地層無任何傷害［1］。

LPG壓裂在地下的表現(xiàn)與水力壓裂有所不同，在壓裂過程中，攜砂特性具有液態(tài)介質(zhì)的特征，在返排期間，LPG因壓力和溫度變化而氣化，又體現(xiàn)出氣體特征；再與天然氣一起被重新返排至地面，分離后可重復(fù)利用，甚至無須分離直接進入生產(chǎn)管線［1］。這種壓裂手段相比傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)來說基本不需要水，也無須投入資金處理廢水，極大地緩解了環(huán)境和水資源壓力，杜絕了產(chǎn)層損害，是壓裂技術(shù)發(fā)展的新方向。

1 LPG優(yōu)勢與特點

GasFrac公司是北美地區(qū)LPG無水壓裂的主要提供商，截至2013年3月，已在657個作業(yè)現(xiàn)場實施了約1 863次增產(chǎn)作業(yè)，主要集中在加拿大西部、美國的得克薩斯州和科羅拉多州等地區(qū)［2］。2011年11月第一屆世界頁巖氣大會將創(chuàng)新獎頒給了加拿大GasF－rac公司，獎勵他們在無水壓裂技術(shù)上的突破性貢獻——LPG（液化石油氣）壓裂。

1.1 作業(yè)功耗低、效果好

LPG壓裂采用的LPG“壓裂液”表面張力低、黏度低、密度低且能自然溶于儲層流體（表1），壓裂后產(chǎn)生的有效裂縫面積更大（圖1），施工后幾天內(nèi)即可100%回收壓裂液，排盡壓裂液的時間短、廢物處理少、改造作業(yè)后運輸量少。因此，比常規(guī)壓裂方法投產(chǎn)速度更快，極大地提高了油氣井增產(chǎn)改造的初期產(chǎn)能與長期產(chǎn)能［1－5］。

表1 水與LPG的壓裂性能對比表

圖1 兩種壓裂方式的有效裂縫長度對比圖

LPG工藝的另一大優(yōu)勢是：在泵注過程中，可以使支撐劑均勻分布于稠化砂漿中，從而降低支撐劑沉淀于地層的概率。主要是因為LPG壓裂液加入化學(xué)處理劑后配成了類似“凝膠”的“液體”，可以提高裂縫高度，進一步提高油氣井生產(chǎn)周期［1］。

1.2 安全有保障

由于LPG成分主要是易燃易爆介質(zhì)，施工安全是必須放在首要位置考慮的。因此，GasFrac的LPG壓裂采用的是一種安全高效的全閉式注入系統(tǒng)［3］，自動遙控操作，監(jiān)控手段完備。這種專利技術(shù)不單為了安全作業(yè)考慮，而且可使LPG在一定壓力、溫度下（泵車配備了壓力傳感器）維持為超臨界凝膠狀的液體流變性。

監(jiān)測LPG泄漏的手段是可視攝像頭和熱成像相機，從開始作業(yè)到作業(yè)完成的整個增產(chǎn)作業(yè)過程中可實時監(jiān)控整個帶壓線路與帶壓設(shè)備，再結(jié)合流程中的壓力傳感器（圖2）監(jiān)控系統(tǒng)壓力的意外變化，提供強有力的安全保障。

整個壓裂系統(tǒng)完全由計算機控制，作業(yè)有保障，風(fēng)險較小，在實際的增產(chǎn)改造作業(yè)過程中，作業(yè)人員可以在劃定的安全區(qū)內(nèi)進行遙控泵注操作。監(jiān)控系統(tǒng)（圖2）可以監(jiān)控氣體聚集情況，必要時，利用備用的應(yīng)急關(guān)斷裝置完全切斷LPG的泄漏，還配備了遠程水幕發(fā)生器防止LPG蒸汽云著火，幫助人員從危險區(qū)域撤離。

圖2 熱感應(yīng)監(jiān)測區(qū)及LEL（爆炸極限）傳感器分布圖

擴大壓裂規(guī)模及區(qū)域、層位擴展都需要進行詳細的風(fēng)險評估，該評估大約需要花費7個月時間或大于5 000人·h來完成。每一次LPG壓裂作業(yè)前，必須對作業(yè)完整性、作業(yè)人員安全、環(huán)境影響等方面進行風(fēng)險評估，對所有作業(yè)人員和安全監(jiān)督進行培訓(xùn)并形成LPG壓裂作業(yè)及安全手冊；不斷與地方監(jiān)察人員研討，改進LPG壓裂安全操作推薦做法；在壓裂作業(yè)過程中，盡量減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，現(xiàn)場配備兩名作業(yè)監(jiān)督和兩名安全監(jiān)督；配備自動地面回收及泄壓系統(tǒng)，配備LEL（爆炸極限）報警裝置，自動關(guān)閉所有可能打火的設(shè)備；15m以外都設(shè)置安全警戒線，設(shè)備均實現(xiàn)集中遙控操作。

1.3 成本低、成效高

由于丙烷與地層流體100%配伍，當(dāng)采用稠化丙烷作為壓裂液時，在各級壓裂間不需要返排，清井就可以進行多級壓裂，可根據(jù)需要長期關(guān)井而不會傷害到地層，例如地面建造管線，采用丙烷壓裂后的層位在返排前仍需要封井幾個星期，也不會影響壓裂效果。

因為丙烷可與地層中的天然氣完全混合，且能100%地溶于地層原油中，降低原油黏度［4］。所以，與采用稠化水進行壓裂作業(yè)的井眼相比，因采用稠化丙烷無須專門返排、清井、水處理等，節(jié)約了大量成本。

采用丙烷壓裂作業(yè)后，井筒一旦清井完畢，即刻從地面就見到了油氣，而采用常規(guī)水力壓裂作業(yè)，直到5%～20%壓裂液回收后方才觀察到儲層氣，而且還明顯提高了初始油井性能。

2 LPG物理特性研究

圖3 丙烷相變p—T圖版

圖4 不同比例丙烷與甲烷混合物相態(tài)變化曲線圖

圖5 LPG壓裂施工相態(tài)控制圖

LPG成功用于壓裂的主要原因是因為其具備超臨界流體的特征（圖3～5），這是能有效運送支撐劑和壓開地層的關(guān)鍵。與清水相比，LPG液化后具有表面張力低、黏度低、密度低且能自然溶于儲層流體的特點。低表面張力可有效降低沿程水力摩阻、降低施工水馬力與能耗（圖6、7）；加上更低的黏度，還有用較低的毛細管阻力，有利于返排順暢（圖8）。另外，LPG密度差不多是水的一半、膨脹比為270∶1（氣液體積比），LPG的靜水柱壓力梯度降到0.234psi／ft（1ft＝0.304 8m，下同）時，自然實現(xiàn)欠平衡狀態(tài)，返排效果更快更好［5－7］。

圖6 LPG與其他流體的表面張力對比圖

圖7 不同流體黏度對比曲線圖

圖8 流體毛細管壓力圖版

3 LPG壓裂裝備與工藝技術(shù)

3.1 壓裂裝備及地面流程

LPG壓裂作業(yè)設(shè)備除常規(guī)壓裂設(shè)備外，需要添加LPG壓裂液儲運、泵注及控制等設(shè)備，典型的壓裂流程如圖9所示。

圖9 LPG壓裂作業(yè)現(xiàn)場圖

圖10 LPG壓裂返排裝置圖

初始流動期間，需要采用全套試井橇，包括除砂器、兩個管線加熱爐、分離設(shè)備及放噴設(shè)備（圖10）［8］。管線加熱爐可以使液態(tài)丙烷完全干燥，促使所有雜質(zhì)脫離，包括已經(jīng)返排出來的壓裂砂。這也是為了保證無液態(tài)丙烷進入放噴塔放噴或直接進入現(xiàn)場液體儲罐，便于在以后的壓裂作業(yè)中繼續(xù)重復(fù)利用，在以后的應(yīng)用中，采用丙烷回收系統(tǒng)將丙烷重新轉(zhuǎn)換為液態(tài)，無須重復(fù)利用時也可引出井場點火燒掉。

3.2 壓裂工藝步驟

LPG壓裂施工工藝流程也與常規(guī)壓裂有所不同。在試壓階段，首先需要將支撐劑添加到密閉容器中，然后利用氮氣循環(huán)整個管匯系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)密封性，隔斷LPG與空氣的接觸，防止燃爆。

根據(jù)圖4和具體井溫來優(yōu)化混合氣體的組分，以便充分利用現(xiàn)場天然氣降低成本，井溫過高的還可與柴油混合，這樣更容易轉(zhuǎn)變成超臨界流體。在壓裂階段，首先向支撐劑容器注入LPG，并利用氮氣加壓，通過壓力、溫度控制，使LPG保持為液態(tài)。然后向井筒注入經(jīng)過稠化的LPG混合壓裂液；利用壓力泵對井筒加壓，直至儲層啟裂；打開支撐劑閥門，將攪拌均勻的攜砂液注入井筒，進行裂縫延伸鋪砂，支撐劑含量一般為50%。待注入量達到設(shè)計規(guī)模，停泵，關(guān)井。注入過程中，隨著LPG溫度升高，黏度會降低，因此要做好設(shè)備、材料的充分準(zhǔn)備，控制好施工時間，確保壓裂成功率［9］。

在壓裂液返排階段，首先利用氮氣清理地面管線，然后放噴返排壓裂液。由于壓力的下降和儲層熱量的吸收，LPG壓裂液汽化后即破膠，無須抽汲裝置，利用自身的膨脹就能返回到地面管線。

采用丙烷壓裂，僅有的返排花費是在流動初期的24h內(nèi)，當(dāng)從井中產(chǎn)出的是100%丙烷時，必須采用有限的返排設(shè)備助其放噴，之后，氣體相對密度大概從1.5下降至1.0左右，此時就可以將井內(nèi)流體導(dǎo)引至采氣廠進行處理或銷售。大多數(shù)情況下，返排開始的前5d時間內(nèi)丙烷含量就會小于10%的濃度。

3.3 壓裂返排效能評價

為評價和對比常規(guī)水力壓裂與LPG壓裂的壓裂返排效能，開發(fā)出了無因次標(biāo)準(zhǔn)曲線，此標(biāo)準(zhǔn)曲線是根據(jù)生產(chǎn)指數(shù)（JD）、時間（tD）和裂縫傳導(dǎo)性（FCD）的無因次參數(shù)而來的［10］。

采用一種包括有壓裂井模型模板的商業(yè)模擬器，為不同儲層特性、裂縫傳導(dǎo)性（KfW）和裂縫半長（xf）生成大量預(yù)測，再利用模擬結(jié)果，生成JD與tD、FCD的函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線。由于非常規(guī)儲層的瞬變周期的長度，不管井眼是處于徑向流狀態(tài)、還是水力壓裂、還是直井或水平井，JD都是相對獨立的，所以采用了無因次生產(chǎn)指數(shù)。

用于McCully氣井壓裂返排分析的方程如下：

式中 PI為生產(chǎn)指數(shù)；q為氣體流量，MMcfd，1 MMcfd＝2.831 7×104m3；ΨR為儲層擬壓力，psi2／（mPa·s）；Ψwf為流動擬壓力；K 為儲層滲透率，mD；h為凈厚度，ft；T 為溫度，°R，℃＝（°R－501.67）；φ為孔隙度；μgi為初始儲層壓力下的氣體黏度，mPa·s；cti為初始儲層壓力下的總壓縮性，psi－1；rw為井筒半徑，ft。

將試井?dāng)?shù)據(jù)代入式（2）、（3），繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，發(fā)現(xiàn)裂縫傳導(dǎo)性（FCD）隨時間推移而不斷提高。對于常規(guī)水力壓裂的井眼，初始測試顯示，不管是砂巖層段還是頁巖層段，壓裂都沒有效果，繼續(xù)試驗，F(xiàn)CD可能會達到一個峰值。一般在測試3～4個周期后出現(xiàn)此峰值，但與回收的壓裂水量沒有關(guān)系，也就是說，在McCully氣田用常規(guī)水力壓裂，根據(jù)最大化FCD值，壓裂清井需要3～4個壓力周期的流動／關(guān)井試驗。流動／關(guān)井試驗周期的長短并不如實際真正的壓力周期那么重要。這種結(jié)果在多級常規(guī)水力壓裂的井眼中也能觀察到。

LPG壓裂井標(biāo)準(zhǔn)曲線與常規(guī)水力壓裂井有顯著差異（圖11）。觀察到最明顯的一點是，所有的流動測試都是在標(biāo)準(zhǔn)曲線最大FCD值之后，丙烷壓裂沒有出現(xiàn)任何清井問題。與標(biāo)準(zhǔn)曲線最大FCD值出現(xiàn)的唯一偏差是在Green Road G－41井頁巖返排的最初階段，在此階段，數(shù)據(jù)下落至位于最大FCD值下方，但很快又上升恢復(fù)到與最大FCD一致。在所有事例中，初始測試的最初階段測得氣體相對密度大于1.0，這表明在氣體流中的丙烷含量較高。隨著相對密度的下降，無因次數(shù)據(jù)逐漸移至最大FCD標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖11 3口常規(guī)水力壓裂井標(biāo)準(zhǔn)曲線分析圖

4 LPG壓裂技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

GasFrac公司是北美地區(qū)LPG壓裂的骨干服務(wù)公司，已在657個作業(yè)現(xiàn)場實施約1 863次增產(chǎn)作業(yè)，對超過75個不同地層進行過增產(chǎn)處理，包括油層、氣層和凝析油氣層，主要在加拿大西部、美國的得克薩斯州和科羅拉多州等地區(qū)。已耗用206 793m3丙烷、42 738t支撐劑。最大型作業(yè)規(guī)模為800t支撐劑壓裂，最高作業(yè)壓力90MPa，丙烷處理率達8m3／min，支撐劑濃度達1 000kg／m3，最大作業(yè)深度 4 000 mTVD，最多一口井壓裂22段，地層溫度12～150℃，已為Husky、Artek等50多個公司提供服務(wù)［2］。

4.1 加拿大致密氣藏油井增產(chǎn)

加拿大New Brunswick省的McCully致密氣田由Corridor資源公司開發(fā)，McCully氣田中儲氣量141.59×108m3的 Hiram Brook（HB）地層含有大量砂包，上覆于Frederick Brook（FB）頁巖上，而Frederick Brook（FB）頁巖含有1.90×1012m3自由氣。2003年開始僅2口氣井產(chǎn)氣，2007年建設(shè)McCully采氣廠，管道發(fā)達。由于儲藏為非常規(guī)氣藏，所有井眼都要進行壓裂增產(chǎn)，才能達到具有經(jīng)濟價值的產(chǎn)氣量。2009年前首選水力壓裂，2009年開始嘗試采用稠化丙烷做壓裂液，試圖提高裂縫效能及返排效果［10］。

致密（低滲透）HB砂巖處于極為嚴峻的高應(yīng)力環(huán)境下，孔隙度4%～8%，含水飽和度10%～30%，埋藏深度1 800m，估計層厚900m，凈產(chǎn)層厚度95m；計算出的滲透率最低0.001mD、最高1.8mD，儲層壓力2 900～5 100psi；儲層溫度異常低，只有40℃。

根據(jù)地質(zhì)分析與鉆完井經(jīng)驗，認為HB砂巖為欠飽和狀態(tài)，低于殘余水飽和度，且都低于10%，所以，壓裂流體可能會出現(xiàn)相圈閉。對McCully巖心進行了實驗室滲透率恢復(fù)試驗，因其較強的吸水性，測得滲透率降低了50%。

在大約400m長的直井段上會進行1～7級壓裂增產(chǎn)改造。由于HB砂巖層的總厚度大，因此油田中大都采用“S”形直井開發(fā)。采用高壓復(fù)合橋塞封隔井筒中的每一級壓裂。

在McCully氣田壓裂水返排率都很低，嚴重影響壓裂效果，因此，2009年在4口井中采用稠化丙烷（LPG）作為壓裂液進行了9次水力壓裂作業(yè)，最終提高了壓裂返排效率和氣井產(chǎn)能。

壓力瞬變分析、產(chǎn)量—時間分析表明，在McCully氣田的井壓裂對比結(jié)果是，盡管作業(yè)規(guī)模一樣（泵注的支撐劑用量一樣），但丙烷壓裂井的xf（裂縫半長）是常規(guī)水力壓裂井平均xf（裂縫半長）的兩倍。

利用McCully砂巖及裂縫平均參數(shù)，通過分析模型，生成氣田丙烷壓裂與水力壓裂的分區(qū)增產(chǎn)率曲線，表明10a后產(chǎn)量持平，丙烷壓裂增產(chǎn)量超過常規(guī)水力壓裂增產(chǎn)量，還包括丙烷回收量，投資回報更快。

作業(yè)結(jié)果表明，加拿大新布倫茲維克（New Brunswick）省陸上 McCully氣田，利用GasFrac的LPG壓裂技術(shù)，成功地提高了壓裂裂縫半長，與水基壓裂相比，產(chǎn)量大大提高。

4.2 其他應(yīng)用實例

LPG壓裂技術(shù)在美國、加拿大交界的Bakken頁巖油層分段改造中也得到了廣泛應(yīng)用。2013年12月，GasFrac宣布在Maverick鎮(zhèn)的Eagle Ford地層為Terrace能源公司成功實施混合LPG壓裂改造作業(yè)，為開發(fā)Eagle Ford頁巖的低氣油比的“黑油”取得顯著進步［11］。目前，GasFrac能源服務(wù)公司，已經(jīng)在俄亥俄州的2口尤蒂卡頁巖氣井上試驗使用LPG進行壓裂。雪佛龍公司也使用LPG在Piceance盆地的幾口天然氣井上實施了壓裂作業(yè)，還在科羅拉多的幾口利潤豐厚的煤層氣和油井進行了壓裂作業(yè)，都顯示LPG壓裂能大大提高油氣產(chǎn)量，同時減少用水量。GasFrac公司利用LPG壓裂技術(shù)，使Union Gas（聯(lián)合天然氣公司）在Wilcox中南部1口原本在6～8個月內(nèi)即將完全枯竭的老井恢復(fù)了生產(chǎn)，并創(chuàng)造出額外幾年的經(jīng)濟效益。在Husky的加拿大阿爾伯塔Ansell地區(qū)的直井增產(chǎn)中，LPG壓裂比水力壓裂提高產(chǎn)能40%以上，水平井也有類似的產(chǎn)量提高。

5 結(jié)論與建議

1）LPG壓裂是油氣行業(yè)中稀有的技術(shù)突破之一，具有經(jīng)濟環(huán)保雙重效益。常規(guī)水力壓裂和LPG壓裂之間最大的區(qū)別在于用于返排壓裂液所花的時間不同，在所有應(yīng)用中，100%丙烷壓裂液從返排開始后的20d內(nèi)就全部返出，而常規(guī)水力壓裂液的返排甚至在投產(chǎn)1 000d后仍在繼續(xù)。

2）加拿大的經(jīng)驗表明，清水壓裂的施工成本比LPG壓裂便宜，但是加上后期處理的費用后，LPG壓裂更具優(yōu)勢。

3）該項技術(shù)的推廣還存在難度，首先是LPG比水的成本要高，且美國工業(yè)界已經(jīng)建立了較為完善的水力壓裂作業(yè)體系，生產(chǎn)商缺乏技術(shù)替換的動力。

4）技術(shù)的安全性還有待檢驗。如果泄漏出的LPG未被檢測到，易引發(fā)火災(zāi)與閃爆。2011年1月，加拿大阿爾伯達省采用LPG壓裂技術(shù)的開采現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)，3名工人被燒傷，未被檢測到的LPG泄漏是此次事故的罪魁禍?zhǔn)住，F(xiàn)在，GasFrac公司正不斷改進技術(shù)并完善安全標(biāo)準(zhǔn)，使該技術(shù)更能勝任對環(huán)境和水資源要求較高的頁巖氣區(qū)作業(yè)。

5）中國的頁巖氣資源量十分豐富，在四川、重慶的頁巖氣開發(fā)正緊鑼密鼓地進行，這一區(qū)域位于我國風(fēng)景秀美的山區(qū)，又位于長江源頭，水資源關(guān)系到長江三角洲經(jīng)濟帶的生命安全與經(jīng)濟發(fā)展，環(huán)境保護十分重要。應(yīng)盡快引進、消化無水壓裂技術(shù)，并在頁巖氣“井工廠”推廣應(yīng)用。

［1］ Numerous patents／Numerous pending—Proven innovative technology［EB／OL］.http：∥www.gasfrac.com／index.html.

［2］ Advancing energy ecology［EB／OL］.http：∥www.gasfrac.com／index.html.

［3］ Safe and efficient—A completely closed system with automated remote operations［EB／OL］.http：∥www.gasfrac.com／index.html.

［4］ TUDOR E H，NEVISON G W，ALLEN S，et al.100%gelled LPG fracturing process：An alternative to conventional water－based fracturing techniques［C］∥ paper 124495－MS presented at the SPE Eastern Regional Meeting，23－25September 2009，Charleston，West Virginia，USA.New York：SPE，2009.

［5］ TUDOR E H.Waterless liquefied petroleum gas （LPG）gel－h(huán)ydraulic fracturing technology［EB／OL］.http：∥www.gasfrac.com／index.html.

［6］ Increased well performance—A better way to stimulate wells［EB／OL］.http：∥www.gasfrac.com／index.html.

［7］ More results.Less impact—The advantages of LPG gel vs.water［EB／OL］.http：∥www.gasfrac.com／index.html.

［8］ TUDOR E H，NEVISON G W，ALLEN Sean，et al.Case study of a novel hydraulic fracturing method that maximizes effective hydraulic fracture length［C］∥paper 124480－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，4－7October 2009，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，2009.

［9］ 范志坤，任韶然，張亮，等.LPG壓裂工藝在超低滲透儲層中的應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2013，20（2）：142－145.FAN Zhikun，REN Shaoran，ZHANG Liang，et al.Application of LPG fracturing technology in ultralow permeability reservoirs［J］.Special Oil ＆ Gas Reservoirs，2013，20（2）：142－145.

［10］ LEBLANC DON，HUSKINS LARRY ，LESTZ ROBERT.Propane－based fracturing improves well performance in Canadian tight reservoirs［J］.Wold Oil，2011（7）：39－46.

［11］ GasFrac announces success in Eagle Ford［EB／OL］.http：∥ www.gasfrac.com／assets／files／News%20Release%20Eagleford%20Results%20（2）.pdf.