在過去的一年中，DUC（drilled-but-uncompleted鉆完但未進(jìn)行完井的）井是滿足美國石油產(chǎn)量需求的關(guān)鍵所在。與鉆新井和對新井實施完井相比，DUC井對資本的需求較低，因此更具吸引力。此外，可通過EOR（enhanced oil recovery提高原油采收率）的方法來維持生產(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)方法迄今只能延長油井生產(chǎn)。
此外，由于大多數(shù)頁巖地層的滲透率都非常低，一些EOR的技術(shù)對許多頁巖井通常不那么有效、未經(jīng)驗證或在經(jīng)濟上不可行。雖然頁巖油開采將繼續(xù)成為美國石油生產(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)量來滿足需求。
隨著運營商為滿足預(yù)期需求而不斷努力時，他們還面臨著6000億美元的計劃投資缺口，以及實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)的壓力越來越大。降低運營過程中碳排放強度的努力已有所加強，這不僅可以保持競爭力，而且還能從注重可持續(xù)發(fā)展的投資者那里獲得資金。隨著財政限制和ESG（Environmental, Social and Governance環(huán)境、社會與治理）壓力的增大，運營商們需要立即采取可實施的方法和技術(shù)來延長整個油井的生命周期。
圖1
新的生物基表面活性劑
一個展現(xiàn)出很大希望的答案是從一開始建井就使用新的ESG友好型生物基表面活性劑來建設(shè)一口更好的油井，見圖1（美國盆地作業(yè)的運營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）。美國主要盆地的運營商們正通過在建井初始階段運用這些生物表面活性劑來成功實現(xiàn)EOR，而不僅僅是作為后續(xù)EOR行動的一部分。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頁巖油創(chuàng)造如此光明的未來？為了回答這個問題，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的或人工合成的化合物，可用作發(fā)泡劑、乳化劑、潤濕劑等等。這些物質(zhì)可顯著降低地表和油-水的界面張力，改變頁巖的表面特性，如潤濕性。向地層注入化學(xué)表面活性劑可以改善吸水性，增加原油的相對滲透性，減少巖石基質(zhì)斷裂界面處的水堵塞。
過去，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，多年來在傳統(tǒng)地層最大化采油方面已證明取得了成功。不過，化學(xué)驅(qū)油需要很高的資金投入，而且，在低滲透儲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)用所需的大量且費用高昂的表面活性劑的篩選。
由于其對最大化EOR的有利特性，頁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)頁巖開發(fā)的早期，資本的涌入使運營商們能夠負(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)量頁巖井的花銷，以最大限度地提高生產(chǎn)績效。許多優(yōu)質(zhì)的表面活性劑是為頁巖井水力壓裂而開發(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
自最初的頁巖潮以來，該行業(yè)意識到非常規(guī)油田被過度資本化，預(yù)算后來就減少了。為了應(yīng)對這些新的財政限制，化學(xué)品的使用是首個需要減少的費用類別之一，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。如果運營商們沒有看到油井生產(chǎn)率的直接好處，那么許多運營商就會從他們的項目中減少或去除優(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越多地受到批評。在尋找新的表面活性劑時，一些運營商發(fā)現(xiàn)微乳劑是一種更可持續(xù)的替代品。不過，運營商們很難量化這些乳液的成本以及性能和效益。
總而言之，美國頁巖行業(yè)已轉(zhuǎn)向頁巖井鉆完井的工廠化方法，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)重依賴可持續(xù)延長油井總生命周期的新技術(shù)。這需要在水力壓裂過程中就開始打造一口更好的頁巖油井。
圖2
一種新的綠色方法
在對眾多新技術(shù)進(jìn)行審查后，行業(yè)專家們將生物表面活性劑確定為提高頁巖作業(yè)財政擔(dān)保、同時滿足更嚴(yán)格環(huán)境法規(guī)的一種頂級的新興技術(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，具有無與倫比的多功能性和可持續(xù)性應(yīng)用前景，見圖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，以及在低滲透儲層條件下極高的穩(wěn)定性）。這些分子擁有獨特的功能和特性，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)動或驅(qū)動以前無法到達(dá)的最致密的頁巖地層中的石油。與人工合成的表面活性劑（這類表面活性劑通常在回流過程中被沖出地層）不同，在使用生物表面活性劑促產(chǎn)處理時，有高達(dá)50%的活性劑會留在頁巖儲層中，隨著時間的推移生物表面活性劑會緩慢解吸，可確保長期的生產(chǎn)績效，使其有效濃度比許多傳統(tǒng)表面活性劑低50倍。
不過，雖然經(jīng)過了數(shù)十年的深入研究并稱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，由微生物生產(chǎn)的生物表面活性劑已被用于EOR的應(yīng)用。在被稱為MEOR（microbial enhanced oil recovery微生物提高原油采收率）的過程中，石油公司通過將微生物和營養(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是一個有前途的解決方案，但它還需要一種改進(jìn)的方法。
過去幾十年來，油田對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)）開發(fā)的新工藝，消除了在井筒中使用活細(xì)菌和營養(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)品為無菌產(chǎn)品，不含任何營養(yǎng)物質(zhì)或活細(xì)胞。
案例研究
Locus BE已經(jīng)重新開放了表面活性劑市場，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)證明了它的驗證效果，提高了美國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)地層實施EOR工藝過程中使用時，生物表面活性劑表現(xiàn)出一致和持續(xù)的增產(chǎn)效果，并成功地從儲層中清除了石蠟和瀝青質(zhì)沉積物。
二疊紀(jì)盆地。作為無鉆機干預(yù)的一部分，特拉華盆地的一家運營商使用Locus BE的AssurEOR STIM生物表面活性劑在一個4口井的鉆井平臺對1口非傳統(tǒng)油井進(jìn)行了增產(chǎn)處理，以解決原油產(chǎn)量下降的問題，同時又要避免昂貴的油井大修作業(yè)。一項為期155天的分析顯示，僅僅經(jīng)過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4500桶，高于預(yù)期，見圖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%。該運營商在不到四個月的時間里就收回了處理成本，并實現(xiàn)了超過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)委員會一致性地批準(zhǔn)了撥款，用于評估生物表面活性劑可持續(xù)提高威利斯頓盆地原油流動性和產(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目在賓夕法尼亞州的一口上泥盆紀(jì)沙井上啟動。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天時的ROI超過了2倍。
州一級的監(jiān)管機構(gòu)已承認(rèn)了這些持續(xù)的產(chǎn)量增長。通過稅收抵免為運營商們創(chuàng)造了新的成本節(jié)省機會。德克薩斯鐵路委員會批準(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，用戶就有資格在未來十年內(nèi)對租賃生產(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級排放，最大限度地減少健康和安全問題，達(dá)到或超過了ESG目標(biāo)。與二疊紀(jì)地層傳統(tǒng)壓裂（單井，50級）相比，以生物表面活性劑對現(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增加低碳、低成本桶油來幫助石油天然氣公司實現(xiàn)ESG的合規(guī)性。
用生物表面活性劑建造更好的頁巖井
在EOR的應(yīng)用中，運營商們使用生物表面活性劑處理油井還觀察到未被處理的鄰井也出現(xiàn)了產(chǎn)量增長，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層的重要性。針對特定問題區(qū)域使用生物表面活性劑實現(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)濟有效的方法，通過更快地達(dá)到原油峰值和維持更高的產(chǎn)量來提高完井效率。
在壓裂和再壓裂過程中施用生物表面活性劑可實現(xiàn)井筒壓裂液的運場置換，從而獲得最大效益，甚至產(chǎn)生更大的產(chǎn)量影響。其結(jié)果是帶來了一個更好的頁巖井設(shè)計，從一開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，同時又能提高初期產(chǎn)量，在持續(xù)的一段時間里保持較高的產(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）。
運營商們現(xiàn)在開始在新頁巖井完井作業(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)量增長是在三分之一應(yīng)用率的情況下實現(xiàn)的，幫助最大化EUR，同時還在前30天內(nèi)獲得了超過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，該運營商在75天內(nèi)就實現(xiàn)了原油16%的產(chǎn)量增長，額外生產(chǎn)了3500桶，并獲得了ROI超過4倍的驕人業(yè)績。
使用生物表面活性劑打造更好的頁巖井的機會引起了許多行業(yè)專家的關(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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