自主研發填補國內石油重建井筒重復壓裂工藝國產化的“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壁壘，自主研發出純天然環保型“SKAM交聯可控低傷害胍膠壓裂液”產品，填補了國內在石油重建井筒重復壓裂工藝國產化中的“最后一塊拼圖”。

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

該公司技術發展部經理向少華說：“在我國，我們對頁巖氣勘探開發的認識時間并不算長，初期很多技術都在摸索中進行，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開發，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人員在已有產氣通道基礎上進行加密，其原理類似于復合種植技術，比如在玉米地間種植大豆，從而實現“一地雙收”。

然而，要想在頁巖氣井中實現“一地雙收”遠比種植農作物要困難的多。

“如果說農業的復合種植是在玉米間種植大豆，那頁巖氣的‘復合種植’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構的開采通道來，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。

但經過頁巖氣開發的黃金十年，國人已實現了集成技術、裝備、工具的系列國產化，石油工程技術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壓裂技術，還能夠在同一儲層段上建立20-30個產氣通道，把儲層的儲量動用率從12%提高到40%以上。

重建井筒重復壓裂技術之所以一直被北美地區所把持，因其存在兩個勘探開發難點。

第一個是重建井本身是已經實現商業化投產很久的老井，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。

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

近年來，伴隨著頁巖氣勘探開發技術工藝、設備、工具、等方面的國產化，國人在頁巖氣等非常規資源開發的賽道上實現彎道超車，在很多技術領域已經牢牢的把頁巖氣勘探開發話語權掌握在了自己手中，但唯獨石油工程產品成為了影響全面國產化的“最后一塊拼圖”。

重建井筒重復壓裂技術的第一大難點屬于技術工藝難點，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有限公司開展了聯合項目攻關，成立了“頁巖氣重復壓裂創新團隊”，通過工具設計、性能檢測、現場服務、質量評價等階段，成功研發出直翼式套管樹脂扶正器、機液一體化脫節裝置、多功能一體化井筒清潔技術等特色工具和技術工藝，并率先在焦頁5-1HF井利用國產化壓裂裝備，成功實現了我國首口運用自主研發技術工藝開發的重建井筒重復壓裂施工。

經過三年的技術迭代升級，目前中石化江漢石油工程在該技術領域內的各項指標一次成功率均達到了100%，且施工周期從開發初期的32天縮短至20天，工程提速達60%。

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

“在北美地區，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。

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

給地層做動脈手術，綠色環保很重要

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

壓裂液產品，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’，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，綠色環保至關重要，工程產品不環保，直接污染的就是數千米以下的地層。

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，其原始狀態是粉劑，在輸送至地層過程中，與水化合反應變成半流體膠狀液體。

目前市面上的大多數的膠液體系都是‘科技與狠活兒’，普遍存在加量高、交聯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。有的產品還未達到目的地就已經在井筒中間凝結成膠，堵塞井筒。有的凝膠非常順利，但破膠不充分，產生大量工業殘膠留在地下，影響頁巖氣純度的同時，污染地層。

因此“綠色環保”“不傷害地層”“返排率高”是為該技術工藝研發配套壓裂液體系的一個最為重要的先決條件。在充分的市場調研過后，鐘濤及其團隊嘗試了將近20種膠黏物質，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，原產于非洲熱帶，印度、斯里蘭卡、阿富汗等干旱地區。從這種植物中提取的膠狀物質，被稱為瓜爾豆膠，也稱胍膠，具有膠凝、增稠、乳化、穩定分散等優良特性。

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。將醫學產品運用到工業學科中的結果就是，產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交聯可控低傷害胍膠壓裂液”體系。除了綠色環保，無需大量添加等優勢外，這款產品的另一大優勢就是交聯可控。研究人員只需改變交聯劑及pH調節劑用量，就可以精準控制交聯時間。也就是人為的拉長了胍膠分子鏈交結成團的化學反應時間。

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

“過去交聯的化學反應是在壓裂液剛進入井筒的過程中發生，時間短，速度快，極大地增加了泵送摩阻。現在好了，壓裂液到達了射孔簇后，再進行人為干預凝膠化學反應，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井重建井筒重復壓裂施工的技術員嚴詩婷說。

給“地層支架”裝上“小滑輪”

通常來說，在做心臟搭橋手術過程中，醫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交聯可控低傷害胍膠壓裂液”體系達到目標段，實現自主研發工程產品和技術工藝同步國產化，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，引用分子片段設計理念、采用靶向聚合手段實現超分子聚集看，研發出了“FLICK-2S超分子低摩阻連續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品。

不僅如此，為了適應非重建井以外的頁巖、致密砂巖等非常規儲層大規模體積壓裂需求，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超分子低摩阻連續攜砂一體化壓裂液體系延續了FLICK-2的高耐礦化度，可實現返排廢水的重復再利用，節約勘探開發過程中的水資源使用。”儲層改造研究所壓裂液研發團隊的閆秀說。

截止目前，該產品已在國內三口重建井重復壓裂施工中成功應用，產品性能穩定，助力該項工藝降本減費近30%，最高單井日產氣量可達14.2萬立方米/天，測試產量恢復到初次壓裂的70%以上，達到北美先進水平。（鄒明強 王冰 李澎）