液氮超低温作用对于压裂技术影响

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1、液氮超低温作用对于压裂技术影响摘要：液氮是一种非常稳定的冷源，其性质稳定，不与其他物质发生反应，使用方便且环保，制备简单且原材料丰富，现如今已经越来越受到人们的重视及关注。不仅是在常规领域如畜牧业、医疗业、食品工业得到了应用，而且在电子、冶金、航天、机械等高科技行业中也得到了发展。对于压裂技术来说，传统的压裂技术不仅需要大量的水资源而且在压裂液中添加许多化学物质。这对于环境的污染非常严重，液氮的超低温可以使岩石致裂，而且液氮在汽化后不会污染环境这使得液氮可以成为一种优秀的无水压裂液。关键词：液氮超低温压裂DOI：10.16657/j.cnki.issnl673-9

2、132.2016.04.223一、液氮的基本性质氮气是空气的主要成分，占空气体积总数的78%,在通常状态下为无色无味气体，属于惰性气体。在标准大气压下的沸点和凝固点分别为-195.8°C和-209.86°C。化学性质不活泼，一般不与其他物质发生反应。液氮即液态氮气，无色，无腐蚀性，不可燃，不助燃，液氮的制备方便宜行，空气经高压液化分离后可得液氮。液氮也是制氧的副产品，纯度一般达到99.99%。二、液氮作为压裂液的经济分析我国目前在开采非常规天然气过程中对储层压裂改造时使用的压裂液一般为：活性水压裂液、线性胶/冻胶压裂液、泡沫压裂液、清洁压裂液等。液氮的来源目前来说

3、一般有三种：（1）直接购买。（2）购置现场制氮设备。（3）租赁现场制氮设备。表1-1（见附表）将说明现场液氮集屮来源及费用。此表对比了三种液氮的来源以及费用支出。大部分现场在幵采过程中结合压裂用量、储层在改造的实际要求等，一般会选择购置或租赁现场制氮设备，这样省去中途运输环节，可以有效地降低成本。因为购买或租赁设备的话除去初次的成本比较高之外，在之后的使用过程中，原材料来源于空气，只需耍正常的运行设备即可，成本几乎为零。相对于直接购买，每吨液氮成本降低约80%,价格在150〜200元/吨左右。相对于液氮压裂液的价格，其他的常规压裂液价格一般为：活性水压裂液在100

4、元/m3左右，氮气泡沫压裂液500元/m3左右，清洁压裂液550元/m3左右，线性胶压裂液200元/m3左右，交联冻胶压裂液250元/m3左右。液氮压裂液的成本相对于其他的四种常规压裂液来说要低得多，与活性水压裂液相差无几。而我国目前来说，活性水压裂液是应用最广泛的压裂液。这也使得液态氮作为压裂液在经济上是可行的。三、液氮致裂煤的技术优势水力压裂是我国国内目前来说应用最广的压裂技术，占据国内主导地位。相对于传统的压裂致裂技术来说，使用液氮致裂煤的技术具有以下一些优势。（一）不受水资源限制，不污染储层传统的水力压裂技术不仅需要大量的水资源，而且水利压力液中含有人量的

5、化学物质成分会污染地下水资源，还可能对储层造成污染，液氮作为压裂液可以缓解我国的水资源紧张问题，不受水资源限制。而且，液氮压裂作为一种无水压裂技术本身对于储层和环境不产生污染。液氮本身也极其稳定，安全可靠。（二）致裂效果好，保护储层液氮作为压裂液能够使注入区域温度迅速降低，并使孔隙及裂隙中的自由水结冰冻胀，产生的冻胀力使得煤岩储层发生破坏。Winkler在水结冰相变时发现，孔隙冰在_5°C、-10°C>-22°C时产生的膨胀压力分别为61MPa>113MPa、211.5MPa,这远远大于煤岩的强度，会使原生裂隙进一步扩展并产生大量新的裂隙。往往传统压裂液中需要添加

6、各种添加剂且有的性能较差，这就造成了储层的伤害，如吸附伤害、堵塞伤害、水化膨胀伤害和化学伤害。液氮属于无水压裂，其机理与常规压裂液不同，不含各种添加剂也不需要破胶，只是应用低温产生的温度应力来致裂煤储层，这很大程度上保护了储层。（三）有效降低水化膨胀及滤失问题在常规的水力压裂中都要考虑水化膨胀和滤失的问题。压裂液中的水被储层吸收引起煤层基质的水化膨胀，造成孔喉堵塞，降低渗透率并伤害储层，同时还要保证降低滤失速率，如果滤失过于严重将导致裂储层失败，不仅不会增产可能还会减产。液氮作为无水压裂液且沸点极低这使得储层并不会发生水化膨胀有效保护储层。裂隙及孔隙中的自由水在液

7、氮极低的温度下结冰，堵塞孔道阻止滤失。此外，液氮注入煤层后迅速气化产生大量的氮气，这些稳定的惰性气体会扩散到储层深部提高储层压力并有效阻止压裂液滤失。（四）有效防粉尘传统压裂方式在压裂过程中会产生大量的粉尘，压裂在排水降压过程屮这些煤粉尘不易流动，忌浮性较差，容易造成煤粉尘的聚团堵塞渗流通道。液氮为无水压裂液，相对于水力压裂，液氮对于煤层基质的机械扰动较小，冲击较轻，在压裂过程中排量较小。减少了煤粉尘的产生。当液氮注入煤储层后气化提高了储层的压力使得粉尘的流动性增强。传统的压裂液在压裂后会向裂隙中注入支撑剂以保证裂隙地张开，但是这会使煤粉尘与支撑剂混合造成裂隙的堵

8、塞。液氮作