在過(guò)去的一年中，DUC（drilled-but-uncompleted鉆完但未進(jìn)行完井的）井是滿(mǎn)足美國(guó)石油產(chǎn)量需求的關(guān)鍵所在。與鉆新井和對(duì)新井實(shí)施完井相比，DUC井對(duì)資本的需求較低，因此更具吸引力。此外，可通過(guò)EOR（enhanced oil recovery提高原油采收率）的方法來(lái)維持生產(chǎn)率，如注水、化學(xué)驅(qū)油、熱處理方法和注氣。從歷史上看，EOR一直是初期生產(chǎn)和二次注水開(kāi)采進(jìn)行后最大限度提高傳統(tǒng)油田原油產(chǎn)量的關(guān)鍵，但這些技術(shù)方法迄今只能延長(zhǎng)油井生產(chǎn)。
此外，由于大多數(shù)頁(yè)巖地層的滲透率都非常低，一些EOR的技術(shù)對(duì)許多頁(yè)巖井通常不那么有效、未經(jīng)驗(yàn)證或在經(jīng)濟(jì)上不可行。雖然頁(yè)巖油開(kāi)采將繼續(xù)成為美國(guó)石油生產(chǎn)的主要方向，但其較高的初期產(chǎn)量下降率（40% - 60%）需要持續(xù)鉆探新井，以維持足夠的原油產(chǎn)量來(lái)滿(mǎn)足需求。
隨著運(yùn)營(yíng)商為滿(mǎn)足預(yù)期需求而不斷努力時(shí)，他們還面臨著6000億美元的計(jì)劃投資缺口，以及實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)的壓力越來(lái)越大。降低運(yùn)營(yíng)過(guò)程中碳排放強(qiáng)度的努力已有所加強(qiáng)，這不僅可以保持競(jìng)爭(zhēng)力，而且還能從注重可持續(xù)發(fā)展的投資者那里獲得資金。隨著財(cái)政限制和ESG（Environmental, Social and Governance環(huán)境、社會(huì)與治理）壓力的增大，運(yùn)營(yíng)商們需要立即采取可實(shí)施的方法和技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)整個(gè)油井的生命周期。
圖1
新的生物基表面活性劑
一個(gè)展現(xiàn)出很大希望的答案是從一開(kāi)始建井就使用新的ESG友好型生物基表面活性劑來(lái)建設(shè)一口更好的油井，見(jiàn)圖1（美國(guó)盆地作業(yè)的運(yùn)營(yíng)商在建井初始階段成功使用生物表面活性劑提高原油采收率）。美國(guó)主要盆地的運(yùn)營(yíng)商們正通過(guò)在建井初始階段運(yùn)用這些生物表面活性劑來(lái)成功實(shí)現(xiàn)EOR，而不僅僅是作為后續(xù)EOR行動(dòng)的一部分。這些處理方法不僅能提高油井初期產(chǎn)量，保持較高的生產(chǎn)率，還能延長(zhǎng)油井總的生命周期，從而獲得低成本和低碳的石油。
生物表面活性劑如何為美國(guó)頁(yè)巖油創(chuàng)造如此光明的未來(lái)？為了回答這個(gè)問(wèn)題，將生物表面活性劑與石油原料制成的傳統(tǒng)表面活性劑進(jìn)行比較是很有幫助的。
石油基表面活性劑是一種石化類(lèi)的或人工合成的化合物，可用作發(fā)泡劑、乳化劑、潤(rùn)濕劑等等。這些物質(zhì)可顯著降低地表和油-水的界面張力，改變頁(yè)巖的表面特性，如潤(rùn)濕性。向地層注入化學(xué)表面活性劑可以改善吸水性，增加原油的相對(duì)滲透性，減少巖石基質(zhì)斷裂界面處的水堵塞。
過(guò)去，在二次采油階段進(jìn)行完后，作為化學(xué)驅(qū)油作業(yè)的一部分，石油基表面活性劑常被用于EOR。表面活性劑驅(qū)油是一種成熟和有效的方法，多年來(lái)在傳統(tǒng)地層最大化采油方面已證明取得了成功。不過(guò)，化學(xué)驅(qū)油需要很高的資金投入，而且，在低滲透儲(chǔ)層條件下還面臨著與表面活性劑穩(wěn)定性相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及應(yīng)用所需的大量且費(fèi)用高昂的表面活性劑的篩選。
由于其對(duì)最大化EOR的有利特性，頁(yè)巖井的水力壓裂液體系中經(jīng)常含有表面活性劑。在非傳統(tǒng)頁(yè)巖開(kāi)發(fā)的早期，資本的涌入使運(yùn)營(yíng)商們能夠負(fù)擔(dān)得起使用優(yōu)質(zhì)支撐劑和表面活性劑打造高質(zhì)量頁(yè)巖井的花銷(xiāo)，以最大限度地提高生產(chǎn)績(jī)效。許多優(yōu)質(zhì)的表面活性劑是為頁(yè)巖井水力壓裂而開(kāi)發(fā)的，而且，在某些應(yīng)用中獲得了許多收益。
成本和碳減排的轉(zhuǎn)型
自最初的頁(yè)巖潮以來(lái)，該行業(yè)意識(shí)到非常規(guī)油田被過(guò)度資本化，預(yù)算后來(lái)就減少了。為了應(yīng)對(duì)這些新的財(cái)政限制，化學(xué)品的使用是首個(gè)需要減少的費(fèi)用類(lèi)別之一，其中優(yōu)質(zhì)表面活性劑就是首先應(yīng)考慮的化學(xué)品。在水力壓裂項(xiàng)目中，該行業(yè)還轉(zhuǎn)向了使用地域可用的支撐劑，而不是使用優(yōu)質(zhì)或工程支撐劑。如果運(yùn)營(yíng)商們沒(méi)有看到油井生產(chǎn)率的直接好處，那么許多運(yùn)營(yíng)商就會(huì)從他們的項(xiàng)目中減少或去除優(yōu)質(zhì)表面活性劑和支撐劑。
表面活性劑除了使用成本非常高以外，還因其高碳排放而越來(lái)越多地受到批評(píng)。在尋找新的表面活性劑時(shí)，一些運(yùn)營(yíng)商發(fā)現(xiàn)微乳劑是一種更可持續(xù)的替代品。不過(guò)，運(yùn)營(yíng)商們很難量化這些乳液的成本以及性能和效益。
總而言之，美國(guó)頁(yè)巖行業(yè)已轉(zhuǎn)向頁(yè)巖井鉆完井的工廠(chǎng)化方法，以最大限度地減少資本支出。在當(dāng)前資本受限和ESG壓力環(huán)境下，石油行業(yè)將嚴(yán)重依賴(lài)可持續(xù)延長(zhǎng)油井總生命周期的新技術(shù)。這需要在水力壓裂過(guò)程中就開(kāi)始打造一口更好的頁(yè)巖油井。
圖2
一種新的綠色方法
在對(duì)眾多新技術(shù)進(jìn)行審查后，行業(yè)專(zhuān)家們將生物表面活性劑確定為提高頁(yè)巖作業(yè)財(cái)政擔(dān)保、同時(shí)滿(mǎn)足更嚴(yán)格環(huán)境法規(guī)的一種頂級(jí)的新興技術(shù)方案。生物表面活性劑是一種天然的生物基表面活性劑，由高度復(fù)雜的表面活性分子組成，具有無(wú)與倫比的多功能性和可持續(xù)性應(yīng)用前景，見(jiàn)圖2（由可再生原料制成的生物表面活性劑具有綠色環(huán)保特征，包括毒性低、較好的生物降解性，以及在低滲透儲(chǔ)層條件下極高的穩(wěn)定性）。這些分子擁有獨(dú)特的功能和特性，能提供超越傳統(tǒng)石油基和優(yōu)質(zhì)表面活性劑的作用機(jī)制。
生物表面活性劑將表面和界面張力降低到極低的水平，最大限度地降低流體粘度，并具有出色的潤(rùn)濕和分散性能 — 所有這些都有助于增加初期產(chǎn)量和持續(xù)產(chǎn)量。它們無(wú)與倫比的小膠束尺寸（< 2 nm，而許多傳統(tǒng)的表面活性劑為100 nm，一些優(yōu)質(zhì)的表面活性劑為15 nm）使它們能夠滲入小至2 nm的納米孔，以調(diào)動(dòng)或驅(qū)動(dòng)以前無(wú)法到達(dá)的最致密的頁(yè)巖地層中的石油。與人工合成的表面活性劑（這類(lèi)表面活性劑通常在回流過(guò)程中被沖出地層）不同，在使用生物表面活性劑促產(chǎn)處理時(shí)，有高達(dá)50%的活性劑會(huì)留在頁(yè)巖儲(chǔ)層中，隨著時(shí)間的推移生物表面活性劑會(huì)緩慢解吸，可確保長(zhǎng)期的生產(chǎn)績(jī)效，使其有效濃度比許多傳統(tǒng)表面活性劑低50倍。
不過(guò)，雖然經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的深入研究并稱(chēng)贊其具有廣泛的潛力，但生物表面活性劑仍不容易被油田所采用。自20世紀(jì)40年代以來(lái)，由微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑已被用于EOR的應(yīng)用。在被稱(chēng)為MEOR（microbial enhanced oil recovery微生物提高原油采收率）的過(guò)程中，石油公司通過(guò)將微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)注入油井中，在油藏原位生產(chǎn)出生物表面活性劑。采用這些處理方法觀(guān)察到的產(chǎn)量增加常常是不一致的，而且很難控制微生物在井下生成生物表面活性劑的活性。雖然MEOR是一個(gè)有前途的解決方案，但它還需要一種改進(jìn)的方法。
過(guò)去幾十年來(lái)，油田對(duì)生物表面活性劑的采用持續(xù)受到生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量限制、可擴(kuò)展性和功效挑戰(zhàn)的限制。需要一種以更加一致的質(zhì)量以及在一個(gè)更好的環(huán)境受控（非原位或天然狀態(tài)之外）條件下生產(chǎn)生物表面活性劑的方法，然后，根據(jù)需要將其應(yīng)用于與傳統(tǒng)的人工合成的表面活性劑類(lèi)似的方法中。
圖3
最近由于制造業(yè)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)能夠以更低的成本和更高的產(chǎn)量以及碳排放接近于零的技術(shù)手段生產(chǎn)生物表面活性劑了。由Locus BE（Locus Bio-Energy Solutions：Locus生物能源解決方案。自然衍生的生物基表面活性劑已被全球所公認(rèn)，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的油田化學(xué)品，解決了最緊迫的生產(chǎn)挑戰(zhàn)）開(kāi)發(fā)的新工藝，消除了在井筒中使用活細(xì)菌和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的做法。取而代之的是，生物表面活性劑可在地面上生產(chǎn)，并能配制各種油田應(yīng)用。見(jiàn)圖3（最近制造業(yè)的進(jìn)步使生物表面活性劑能以更低的成本和更高的產(chǎn)量進(jìn)行生產(chǎn)，而且碳排放幾乎為零）。配方產(chǎn)品為無(wú)菌產(chǎn)品，不含任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或活細(xì)胞。
案例研究
Locus BE已經(jīng)重新開(kāi)放了表面活性劑市場(chǎng)，其方案顯示出比任何以前的增產(chǎn)處理方法有著更好的效果。新的生物表面活性劑處理方法已經(jīng)證明了它的驗(yàn)證效果，提高了美國(guó)主要盆地的原油采收率，包括二疊紀(jì)和威利斯頓盆地。當(dāng)在現(xiàn)有油井第三紀(jì)地層實(shí)施EOR工藝過(guò)程中使用時(shí)，生物表面活性劑表現(xiàn)出一致和持續(xù)的增產(chǎn)效果，并成功地從儲(chǔ)層中清除了石蠟和瀝青質(zhì)沉積物。
二疊紀(jì)盆地。作為無(wú)鉆機(jī)干預(yù)的一部分，特拉華盆地的一家運(yùn)營(yíng)商使用Locus BE的AssurEOR STIM生物表面活性劑在一個(gè)4口井的鉆井平臺(tái)對(duì)1口非傳統(tǒng)油井進(jìn)行了增產(chǎn)處理，以解決原油產(chǎn)量下降的問(wèn)題，同時(shí)又要避免昂貴的油井大修作業(yè)。一項(xiàng)為期155天的分析顯示，僅僅經(jīng)過(guò)一次生物表面活性劑的處理，該井的平均原油日產(chǎn)量增加了115%以上，增產(chǎn)超過(guò)4500桶，高于預(yù)期，見(jiàn)圖4（特拉華盆地一口用生物表面活性劑處理的油井顯示，原油增產(chǎn)超過(guò)115%，天然氣增產(chǎn)近25%）。同期，該井的天然氣產(chǎn)量也增加了近25%。該運(yùn)營(yíng)商在不到四個(gè)月的時(shí)間里就收回了處理成本，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1.5倍的ROI（return on investment投資收益率）。
圖4
威利斯頓盆地。2021年初，北達(dá)科他州工業(yè)委員會(huì)一致性地批準(zhǔn)了撥款，用于評(píng)估生物表面活性劑可持續(xù)提高威利斯頓盆地原油流動(dòng)性和產(chǎn)量的能力。Locus BE的AssurEOR STIM生物表面活性劑提高原油采收率的處理方法最初被用在了Bakken頁(yè)巖2口產(chǎn)量下降的井。在最初的生物表面活性劑處理后的四個(gè)月里，這兩口井的原油產(chǎn)量增加了70%以上。不到40天就收回了投資。
阿巴拉契亞盆地。2018年初，AssurEOR生物表面活性劑處理項(xiàng)目在賓夕法尼亞州的一口上泥盆紀(jì)沙井上啟動(dòng)。該井在初始處理后的554天，原油產(chǎn)量增加了140%，50天內(nèi)就收回了處理成本，180天時(shí)的ROI就高于3倍。2019年第二次處理顯示，321天后原油產(chǎn)量增加了320%以上，34天就收回了處理成本，180天時(shí)的ROI超過(guò)了2倍。
州一級(jí)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已承認(rèn)了這些持續(xù)的產(chǎn)量增長(zhǎng)。通過(guò)稅收抵免為運(yùn)營(yíng)商們創(chuàng)造了新的成本節(jié)省機(jī)會(huì)。德克薩斯鐵路委員會(huì)批準(zhǔn)了Locus BE的生物表面活性劑作為三次采油提高原油采收率的技術(shù)，只要產(chǎn)量保持增長(zhǎng)，用戶(hù)就有資格在未來(lái)十年內(nèi)對(duì)租賃生產(chǎn)的所有原油獲得50%的年度遣散稅抵免。
除了提高原油采收率，生物表面活性劑還能降低1級(jí)排放，最大限度地減少健康和安全問(wèn)題，達(dá)到或超過(guò)了ESG目標(biāo)。與二疊紀(jì)地層傳統(tǒng)壓裂（單井，50級(jí)）相比，以生物表面活性劑對(duì)現(xiàn)有油井進(jìn)行壓裂促產(chǎn)使用柴油不到0.1%，用水不到2% — 每次施用僅0.01噸的碳排放。這種處理方法可通過(guò)增加低碳、低成本桶油來(lái)幫助石油天然氣公司實(shí)現(xiàn)ESG的合規(guī)性。
用生物表面活性劑建造更好的頁(yè)巖井
在EOR的應(yīng)用中，運(yùn)營(yíng)商們使用生物表面活性劑處理油井還觀(guān)察到未被處理的鄰井也出現(xiàn)了產(chǎn)量增長(zhǎng)，這也證明了采用生物表面活性劑處理所產(chǎn)生的作用以及將其置入儲(chǔ)層的重要性。針對(duì)特定問(wèn)題區(qū)域使用生物表面活性劑實(shí)現(xiàn)原油增產(chǎn)取得令人印象深刻的收益已引起了有關(guān)在油井生命周期的早期引入它們的深入討論。在壓裂液中使用生物表面活性劑提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，通過(guò)更快地達(dá)到原油峰值和維持更高的產(chǎn)量來(lái)提高完井效率。
在壓裂和再壓裂過(guò)程中施用生物表面活性劑可實(shí)現(xiàn)井筒壓裂液的運(yùn)場(chǎng)置換，從而獲得最大效益，甚至產(chǎn)生更大的產(chǎn)量影響。其結(jié)果是帶來(lái)了一個(gè)更好的頁(yè)巖井設(shè)計(jì)，從一開(kāi)始就提高了油井的產(chǎn)量效益。生物表面活性劑的高穩(wěn)定性和多功能特性使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)壓裂所采用的表面活性劑，而且成本也很小，同時(shí)又能提高初期產(chǎn)量，在持續(xù)的一段時(shí)間里保持較高的產(chǎn)量，并能減緩產(chǎn)量下降，以最大化EUR（estimated ultimate recovery估算最終采收率）。
運(yùn)營(yíng)商們現(xiàn)在開(kāi)始在新頁(yè)巖井完井作業(yè)期間使用生物表面活性劑。在二疊紀(jì)盆地Wolfcamp C地層的初始現(xiàn)場(chǎng)部署中，在Locus BE的SUSTAIN促產(chǎn)處理后的頭30天里原油產(chǎn)量就增加了32%，與以往的壓裂使用其它優(yōu)質(zhì)表面活性劑的處理相比，采用生物表面活性劑處理，原油峰值來(lái)的更快。與模擬井相比，油井產(chǎn)量增加了6200多桶。持續(xù)的產(chǎn)量增長(zhǎng)是在三分之一應(yīng)用率的情況下實(shí)現(xiàn)的，幫助最大化EUR，同時(shí)還在前30天內(nèi)獲得了超過(guò)3倍的ROI。
在威利斯頓盆地的Bakken地層，Locus BE的SUSTAIN促產(chǎn)處理被用于一次再壓裂完井，該運(yùn)營(yíng)商在75天內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了原油16%的產(chǎn)量增長(zhǎng)，額外生產(chǎn)了3500桶，并獲得了ROI超過(guò)4倍的驕人業(yè)績(jī)。
使用生物表面活性劑打造更好的頁(yè)巖井的機(jī)會(huì)引起了許多行業(yè)專(zhuān)家的關(guān)注，也獲得了認(rèn)可，其中包括世界石油將SUSTAIN生物表面活性劑命名為年度新興技術(shù)的絕佳產(chǎn)品。關(guān)于在其它應(yīng)用中擴(kuò)大生物表面活性劑使用的討論仍在繼續(xù)，包括液化天然氣驅(qū)油和其它以前依賴(lài)使用表面活性劑的領(lǐng)域。（英文作者：Martin Shumway，英文于2022年1月發(fā)布于世界石油網(wǎng)站）
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