在過去的一年中，DUC（drilled-but-uncompleted鉆完但未進行完井的）井是滿足美國石油產量需求的關鍵所在。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）的方法來維持生產率，如注水、化學驅油、熱處理方法和注氣。從歷史上看，EOR一直是初期生產和二次注水開采進行后最大限度提高傳統油田原油產量的關鍵，但這些技術方法迄今只能延長油井生產。

此外，由于大多數頁巖地層的滲透率都非常低，一些EOR的技術對許多頁巖井通常不那么有效、未經驗證或在經濟上不可行。雖然頁巖油開采將繼續成為美國石油生產的主要方向，但其較高的初期產量下降率（40% - 60%）需要持續鉆探新井，以維持足夠的原油產量來滿足需求。

隨著運營商為滿足預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，以及實現凈零排放目標的壓力越來越大。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發展的投資者那里獲得資金。隨著財政限制和ESG（Environmental, Social and Governance環境、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一口更好的油井，見圖1（美國盆地作業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EOR，而不僅僅是作為后續EOR行動的一部分。這些處理方法不僅能提高油井初期產量，保持較高的生產率，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表面活性劑進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，可用作發泡劑、乳化劑、潤濕劑等等。這些物質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，減少巖石基質斷裂界面處的水堵塞。

過去，在二次采油階段進行完后，作為化學驅油作業的一部分，石油基表面活性劑常被用于EOR。表面活性劑驅油是一種成熟和有效的方法，多年來在傳統地層最大化采油方面已證明取得了成功。不過，化學驅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定性相關的技術挑戰，以及應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常含有表面活性劑。在非傳統頁巖開發的早期，資本的涌入使運營商們能夠負擔得起使用優質支撐劑和表面活性劑打造高質量頁巖井的花銷，以最大限度地提高生產績效。許多優質的表面活性劑是為頁巖井水力壓裂而開發的，而且，在某些應用中獲得了許多收益。
成本和碳減排的轉型

自最初的頁巖潮以來，該行業意識到非常規油田被過度資本化，預算后來就減少了。為了應對這些新的財政限制，化學品的使用是首個需要減少的費用類別之一，其中優質表面活性劑就是首先應考慮的化學品。在水力壓裂項目中，該行業還轉向了使用地域可用的支撐劑，而不是使用優質或工程支撐劑。如果運營商們沒有看到油井生產率的直接好處，那么許多運營商就會從他們的項目中減少或去除優質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，一些運營商發現微乳劑是一種更可持續的替代品。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，美國頁巖行業已轉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。在當前資本受限和ESG壓力環境下，石油行業將嚴重依賴可持續延長油井總生命周期的新技術。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

在對眾多新技術進行審查后，行業專家們將生物表面活性劑確定為提高頁巖作業財政擔保、同時滿足更嚴格環境法規的一種頂級的新興技術方案。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性應用前景，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定性）。這些分子擁有獨特的功能和特性，能提供超越傳統石油基和優質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量和持續產量。它們無與倫比的小膠束尺寸（< 2 nm，而許多傳統的表面活性劑為100 nm，一些優質的表面活性劑為15 nm）使它們能夠滲入小至2 nm的納米孔，以調動或驅動以前無法到達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處理時，有高達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，可確保長期的生產績效，使其有效濃度比許多傳統表面活性劑低50倍。


不過，雖然經過了數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40年代以來，由微生物生產的生物表面活性劑已被用于EOR的應用。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物質注入油井中，在油藏原位生產出生物表面活性劑。采用這些處理方法觀察到的產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的方法。

 過去幾十年來，油田對生物表面活性劑的采用持續受到生產成本高、產量限制、可擴展性和功效挑戰的限制。需要一種以更加一致的質量以及在一個更好的環境受控（非原位或天然狀態之外）條件下生產生物表面活性劑的方法，然后，根據需要將其應用于與傳統的人工合成的表面活性劑類似的方法中。
 
圖3
最近由于制造業的進步，現在已經能夠以更低的成本和更高的產量以及碳排放接近于零的技術手段生產生物表面活性劑了。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，其性能優于傳統的油田化學品，解決了最緊迫的生產挑戰）開發的新工藝，消除了在井筒中使用活細菌和營養物質的做法。取而代之的是，生物表面活性劑可在地面上生產，并能配制各種油田應用。見圖3（最近制造業的進步使生物表面活性劑能以更低的成本和更高的產量進行生產，而且碳排放幾乎為零）。配方產品為無菌產品，不含任何營養物質或活細胞。

案例研究

Locus BE已經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，包括二疊紀和威利斯頓盆地。當在現有油井第三紀地層實施EOR工藝過程中使用時，生物表面活性劑表現出一致和持續的增產效果，并成功地從儲層中清除了石蠟和瀝青質沉積物。

二疊紀盆地。作為無鉆機干預的一部分，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口非傳統油井進行了增產處理，以解決原油產量下降的問題，同時又要避免昂貴的油井大修作業。一項為期155天的分析顯示，僅僅經過一次生物表面活性劑的處理，該井的平均原油日產量增加了115%以上，增產超過4500桶，高于預期，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，原油增產超過115%，天然氣增產近25%）。同期，該井的天然氣產量也增加了近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，北達科他州工業委員會一致性地批準了撥款，用于評估生物表面活性劑可持續提高威利斯頓盆地原油流動性和產量的能力。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沙井上啟動。該井在初始處理后的554天，原油產量增加了140%，50天內就收回了處理成本，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。

州一級的監管機構已承認了這些持續的產量增長。通過稅收抵免為運營商們創造了新的成本節省機會。德克薩斯鐵路委員會批準了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，只要產量保持增長，用戶就有資格在未來十年內對租賃生產的所有原油獲得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，達到或超過了ESG目標。與二疊紀地層傳統壓裂（單井，50級）相比，以生物表面活性劑對現有油井進行壓裂促產使用柴油不到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ESG的合規性。

用生物表面活性劑建造更好的頁巖井

在EOR的應用中，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了產量增長，這也證明了采用生物表面活性劑處理所產生的作用以及將其置入儲層的重要性。針對特定問題區域使用生物表面活性劑實現原油增產取得令人印象深刻的收益已引起了有關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濟有效的方法，通過更快地達到原油峰值和維持更高的產量來提高完井效率。

在壓裂和再壓裂過程中施用生物表面活性劑可實現井筒壓裂液的運場置換，從而獲得最大效益，甚至產生更大的產量影響。其結果是帶來了一個更好的頁巖井設計，從一開始就提高了油井的產量效益。生物表面活性劑的高穩定性和多功能特性使其遠遠優于傳統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量，在持續的一段時間里保持較高的產量，并能減緩產量下降，以最大化EUR（estimated ultimate recovery估算最終采收率）。

運營商們現在開始在新頁巖井完井作業期間使用生物表面活性劑。在二疊紀盆地Wolfcamp C地層的初始現場部署中，在Locus BE的SUSTAIN促產處理后的頭30天里原油產量就增加了32%，與以往的壓裂使用其它優質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，油井產量增加了6200多桶。持續的產量增長是在三分之一應用率的情況下實現的，幫助最大化EUR，同時還在前30天內獲得了超過3倍的ROI。

在威利斯頓盆地的Bakken地層，Locus BE的SUSTAIN促產處理被用于一次再壓裂完井，該運營商在75天內就實現了原油16%的產量增長，額外生產了3500桶，并獲得了ROI超過4倍的驕人業績。

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專家的關注，也獲得了認可，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的絕佳產品。關于在其它應用中擴大生物表面活性劑使用的討論仍在繼續，包括液化天然氣驅油和其它以前依賴使用表面活性劑的領域。（英文作者：Martin Shumway，英文于2022年1月發布于世界石油網站）