趙志恒 李曉 張搏 甘冰 李關(guān)訪

超臨界二氧化碳無水壓裂新技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究展望*

趙志恒1,2李曉1張搏1,2甘冰3李關(guān)訪1

（1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)3.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院）

超臨界二氧化碳是一種介于氣體和液體之間的流體，密度接近于液體，而黏度接近于氣體；它的表面張力很低，擴(kuò)散系數(shù)高，具有很強(qiáng)的滲透能力，能滲透到巖石中的天然微裂縫，壓裂中有利于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成，而且能置換被巖石吸附的烴類，使其變成游離態(tài)而有利于油氣的增產(chǎn)與產(chǎn)出；超低的表面張力有利于液體的返排，從而降低油氣層的傷害。因此，將超臨界二氧化碳流體作為壓裂液進(jìn)行壓裂改造，是二氧化碳干法壓裂的一種發(fā)展方向，不僅可以節(jié)約水資源，還具有返排率高，儲(chǔ)層傷害小，增產(chǎn)潛力大等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究表明，超臨界二氧化碳?jí)毫训钠屏褖毫Ρ惹逅鸵簯B(tài)二氧化碳?jí)毫训钠屏褖毫Φ?，并且其分形維數(shù)和聲發(fā)射源到平面（源到該平面距離平方和最?。┑钠骄嚯x大，更容易產(chǎn)生波狀的裂縫和裂縫分支，有利于形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，特別適合頁巖氣的增產(chǎn)改造和有效開發(fā)。圖8表6參12

超臨界CO2超臨界CO2壓裂實(shí)驗(yàn)研究聲發(fā)射壓裂裂縫

0 引言

隨著對(duì)油氣資源需求的增長(zhǎng)和勘探開發(fā)的深入，壓裂改造越來越受關(guān)注，是低滲、特低滲透儲(chǔ)層經(jīng)濟(jì)開發(fā)的關(guān)鍵[1]。對(duì)于頁巖氣的開發(fā)，壓裂改造是必要手段，但是目前頁巖氣的壓裂始終存在返排率性能差、消耗大量水資源和壓裂后導(dǎo)致的相關(guān)污染等缺點(diǎn)［2-4］。

20世紀(jì)80年代無水純液態(tài)CO2作為壓裂液體系開始在北美地區(qū)使用［5］；Settari等[6]人通過對(duì)液態(tài)CO2壓裂數(shù)值模擬的研究，探討了低溫低黏液體如何影響壓裂裂縫形態(tài)、濾失、攜砂性能；Campbell等[7]對(duì)液態(tài)CO2加砂壓裂的地面設(shè)備流程以及壓裂設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證；Bullen等[8]提出液態(tài)CO2壓裂液適用于低滲低壓以及強(qiáng)水敏性儲(chǔ)層的非常規(guī)體系,且在美國(guó)和加拿大致密氣藏開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)CO2壓裂技術(shù)的研究起步比較晚，陸友蓮等[9]對(duì)純液態(tài)CO2壓裂的非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，長(zhǎng)慶油田和延長(zhǎng)油田也對(duì)CO2壓裂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[10-11]，都取得了較好成果。出于對(duì)非常規(guī)油氣開發(fā)的需求和壓裂技術(shù)的發(fā)展，人們開始了用超臨界CO2進(jìn)行壓裂增產(chǎn)改造的研究。CO2在壓力大于7.38 MPa，溫度大于31.04℃時(shí)，會(huì)到達(dá)超臨界狀態(tài)，超臨界CO2流體既不同于液體，也不同于氣體，具有表面張力極低，流動(dòng)性極強(qiáng)，對(duì)非極性溶質(zhì)有較強(qiáng)的溶解能力等特殊的性質(zhì)[12]，在壓裂中有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。目前，超臨界CO2壓裂作為CO2干法壓裂的發(fā)展趨勢(shì)，是一種較前沿的技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究的很少，國(guó)外研究也不多，主要有日本東北大學(xué)和京都大學(xué)。本文從展望的角度，以超臨界CO2的特性為基礎(chǔ)，闡述其增產(chǎn)原理，同時(shí)對(duì)超臨界CO2壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)和分析，可為超臨界CO2壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 超臨界CO2的物理特性

CO2是空氣中常見的化合物，在常溫常壓下密度比空氣大，能溶于水。當(dāng)溫度和壓力超過CO2的臨界溫度31.04℃和臨界壓力7.38 MPa時(shí)，它將處于超臨界狀態(tài)。超臨界流體是不同于氣體和液體的流體，基本性質(zhì)也不同，如表1所示[13]。

超臨界CO2是介于氣體和液體之間的一種流體，它的密度接近于液體，而黏度約為水黏度的5%，接近于氣體；它的表面張力很低，擴(kuò)散系數(shù)較液體高，具有很強(qiáng)的滲透能力。

CO2的臨界壓力和臨界溫度較低，所以在井內(nèi)壓裂改造的條件下很容易達(dá)到臨界狀態(tài)，圖1為CO2的相態(tài)變化圖[13-14]。在低于臨界溫度時(shí),壓縮CO2氣體出現(xiàn)液相；但壓縮超臨界CO2不會(huì)出現(xiàn)液相。在臨界點(diǎn)附近,CO2流體的性質(zhì)隨壓力和溫度的微小變化有顯著的變化,如密度、黏度、擴(kuò)散系數(shù)等。

表1 CO2氣體、超臨界流體和液體的物理性能

圖1 CO2的相態(tài)變化圖

2 超臨界CO2壓裂的特點(diǎn)

超臨界CO2是目前應(yīng)用較為廣泛的超臨界流體。當(dāng)超臨界CO2作為壓裂液用于壓裂改造時(shí)，它體現(xiàn)出了與滑溜水壓裂和泡沫壓裂等不同的優(yōu)勢(shì)[15-18]：①CO2價(jià)格低、容易得到，超臨界CO2不易燃易爆，無腐蝕性；②超臨界二氧化碳的黏度低，接近于氣體，表面張力很低，接近于零，容易流動(dòng)、摩阻系數(shù)低；③超臨界二氧化碳流體不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層中黏土膨脹，從根本上避免了水鎖效應(yīng)、巖石潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)等危害的發(fā)生，有效保護(hù)儲(chǔ)層不受損害；④用超臨界二氧化碳進(jìn)行壓裂，返排迅速而徹底，是一種低傷害的清潔壓裂液，還能縮短生產(chǎn)周期；⑤相對(duì)于常規(guī)壓裂液，超臨界CO2壓裂流體擴(kuò)散能力強(qiáng)，滲透能力強(qiáng)，很容易滲入儲(chǔ)層中的孔隙和微裂縫，有利于產(chǎn)生大量的微裂縫網(wǎng)絡(luò)。

超臨界二氧化碳?jí)毫岩泊嬖谝恍┎焕蛩?，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[18-19]：①在壓裂施工時(shí)，CO2在井筒中隨溫度和壓力的改變存在相態(tài)變化，壓裂設(shè)計(jì)復(fù)雜；②對(duì)于淺井，地面需要安裝加熱設(shè)備，并且存在不均勻加熱的問題；③由于CO2的穿透性強(qiáng)，對(duì)壓裂設(shè)備的密封性與防穿刺性能要求高；④超臨界CO2的黏度低，導(dǎo)致其攜砂能力差，同時(shí)，超臨界CO2流動(dòng)性能好，在地層中的濾失速度快，因此需要較多的壓裂設(shè)備進(jìn)行大排量泵入。

3 超臨界CO2壓裂增產(chǎn)機(jī)理

超臨界CO2壓裂是重要的無水壓裂技術(shù)之一，在壓裂改造中，使用超臨界CO2作為壓裂介質(zhì)進(jìn)行施工，其增產(chǎn)機(jī)理主要為：

（1）由于超臨界CO2壓裂流體黏度低、擴(kuò)散性能強(qiáng)、表面張力接近零。因此，容易滲入較小的孔隙和微裂縫中，有利于微裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，較大程度地增加滲流面積，有效地驅(qū)替儲(chǔ)層中的油氣，進(jìn)而提高油氣藏采收率[17]。

（2）對(duì)于氣井，CO2和天然氣主要成份CH4一樣，能夠被頁巖層以及煤層等儲(chǔ)層吸附。但CO2分子與儲(chǔ)層的吸附能力比CH4分子與儲(chǔ)層的吸附能力強(qiáng)，再加上超臨界CO2在儲(chǔ)層孔隙裂縫中非常容易流動(dòng)，它能夠置換出被吸附CH4分子，使吸附態(tài)的CH4變?yōu)橛坞x態(tài)，從而使氣井投產(chǎn)后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的產(chǎn)量[20]。

對(duì)于油井，壓裂使CO2進(jìn)入儲(chǔ)層后，在地層溫度下快速汽化，溶于原油中而大幅度降低其黏度，并且增加了溶解氣驅(qū)的能量。同時(shí)，CO2與儲(chǔ)層中的水生成碳酸，飽和CO2水溶液的pH值為3.3~3.7，腐蝕性?。划?dāng)pH值為4.5以上時(shí)，能夠降低的黏土礦物水化膨脹，保持儲(chǔ)層的滲透性，有利于解除裂縫內(nèi)的堵塞[21]。

4 超臨界CO2壓裂實(shí)驗(yàn)研究

4.1 超臨界CO2和水壓裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置

Kizaki等分別用超臨界CO2和水對(duì)體積為15 cm3的花崗巖和凝灰?guī)r進(jìn)行了壓裂模擬實(shí)驗(yàn)研究。巖樣中心鉆有直徑為2 cm的孔，其原有微裂縫面與孔的垂直方向大體一致。

CO2氣體經(jīng)過壓縮液化，預(yù)加熱，再通過電纜加熱器變?yōu)槌R界CO2，最后注入巖樣的鉆孔中進(jìn)行壓裂；通過真三軸壓力機(jī)對(duì)巖樣施加應(yīng)力，在壓裂實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)巖樣加溫，超臨界CO2壓裂的巖樣加溫約至40℃，而用于水壓裂的巖樣保持為室溫；實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過數(shù)據(jù)記錄器在電腦上記錄。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)分別如圖2和表2所示[22]。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表2 實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)

在進(jìn)行壓裂過程中，溫度和壓力都是大于CO2的臨界溫度和臨界壓力，所以CO2處于超臨界狀態(tài)。通過模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別得到了使用不同壓裂液對(duì)不同巖樣壓裂的破裂壓力和破裂溫度，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示[22]。

表3 破裂壓力和破裂溫度

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，在不同巖性的巖樣和不同排量條件下，超臨界CO2壓裂的破裂壓力小于清水壓裂的破裂壓力。

圖3所示的是不同排量下用超臨界CO2和水進(jìn)行壓裂的造縫情況[22]，超臨界CO2壓裂易形成復(fù)雜裂縫，這些裂縫大多沿巖樣原有微裂縫方向發(fā)展；而清水壓裂則形成較為單一的裂縫。

根據(jù)文獻(xiàn)得知壓裂液的黏度會(huì)較大程度的影響壓裂裂縫的擴(kuò)展，并且?guī)r石的斷裂面和層理面對(duì)裂縫擴(kuò)展的趨勢(shì)有一定影響[23-24]；如果巖石含有較多的天然裂縫，這種影響趨勢(shì)也會(huì)增大[25]。由于超臨界CO2比水的黏度低，而且接近于氣體，更有利于裂縫的擴(kuò)展，并且沿著巖石的弱面發(fā)展。

但是，因?yàn)槟M對(duì)比實(shí)驗(yàn)中巖樣尺寸的限制，未能得到排量大小與裂縫形成之間的關(guān)系，并且不同圍壓對(duì)裂縫形成的影響也未考慮，因此需要做進(jìn)一步的研究探討工作。

圖3 壓裂巖樣的可視圖

4.2 超臨界CO2和液態(tài)CO2壓裂模擬實(shí)驗(yàn)

Ishida等[26]人在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了超臨界CO2和液態(tài)CO2壓裂聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了兩種壓裂裂縫的形成情況。聲發(fā)射是由于材料在應(yīng)力作用下發(fā)生變形和裂紋擴(kuò)展，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[27]。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)相當(dāng)于小型微地震監(jiān)測(cè)，利用它可以定位壓裂裂縫的空間位置[28-19]。

實(shí)驗(yàn)所用巖樣尺寸為17 cm×17 cm×17 cm的花崗巖，巖樣6個(gè)面共貼有16個(gè)聲發(fā)射探頭，每個(gè)面2~ 4個(gè)。超臨界CO2壓裂時(shí)，巖樣通過熱水加熱至約45℃；液態(tài)CO2壓裂時(shí)，則無需加熱裝置加熱。如圖4所示，在聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，被檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)通過傳感探頭轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，如果電壓大于0.3 V，信號(hào)會(huì)自動(dòng)被放大、處理，然后在電腦上記錄聲發(fā)射源，用以確定巖樣開裂的位置。該實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)如下表4所示[26]。

圖4 聲發(fā)射示意圖

表4 實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)

Ishida等[26]人通過此實(shí)驗(yàn)分別得到了超臨界CO2和液態(tài)CO2壓裂的破裂壓力，從表5中的數(shù)據(jù)可以得知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，超臨界CO2壓裂的破裂壓力小于液態(tài)CO2壓裂的破裂壓裂，這是由于超臨界CO2的黏度比液態(tài)CO2的黏度更小，流動(dòng)性更強(qiáng)。

表5 超臨界CO2和液態(tài)CO2壓裂破裂壓力

圖5所示為超臨界CO2和液態(tài)CO2壓裂的聲發(fā)射源的分布圖[26]，根據(jù)Hirata等[30]的相關(guān)函數(shù)公式得到了超臨界CO2和液態(tài)CO2壓裂裂縫的分形維數(shù)（FD）分別為2.20和1.64；聲發(fā)射源到某一平面（源到該平面距離平方和最?。┑钠骄嚯x（Lav）分別為8.82 mm和7.80 mm。由于超臨界CO2壓裂裂縫的分形維數(shù)更大，平均距離更長(zhǎng)，因此超臨界CO2壓裂能產(chǎn)生更多波狀的裂縫和更多裂縫分支（網(wǎng)絡(luò)裂縫），說明壓裂效果更好。

圖5 聲發(fā)射源的分布圖

該實(shí)驗(yàn)中，研究的巖樣數(shù)目有限且所受應(yīng)力有所限制，軸向應(yīng)力和水平應(yīng)力均為1 MPa。因此，可以相應(yīng)增加巖樣數(shù)目和應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，探討應(yīng)力大小對(duì)超臨界CO2壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。

4.3 超臨界CO2、水和稠油壓裂模擬實(shí)驗(yàn)

Inui等[32]人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了超臨界CO2、水和稠油壓裂聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了3種壓裂液黏度對(duì)裂縫形成情況的影響。實(shí)驗(yàn)所用巖樣尺寸為17 cm×17 cm×17 cm的花崗巖，巖樣四個(gè)側(cè)面共貼有16個(gè)聲發(fā)射探頭。為了方便給巖樣施加圍壓，表面都用帶有凹槽（凹槽用于放置探頭）的尼龍板包住。

在相同的條件下，通過真三軸壓力機(jī)對(duì)巖樣施加應(yīng)力。壓裂實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)巖樣加溫，用超臨界CO2壓裂的巖樣加溫至約45℃，而用于水和稠油壓裂的巖樣保持為室溫；再分別用超臨界CO2、水和稠油進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如表6所示[32]。

表6 實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)

圖6為聲發(fā)射源分布和表面可視裂縫圖[32]，從圖中可以清楚看到超臨界CO2和稠油壓裂產(chǎn)生的裂縫是沿著巖樣固有裂縫面方向發(fā)展的；3種壓裂液進(jìn)行壓裂的聲發(fā)射源到某一平面（源到該平面距離平方和最?。┑钠骄嚯xLav分別為11.44 mm、9.74 mm和8.51 mm。由于超臨界CO2壓裂的Lav更大，說明產(chǎn)生更多波狀的裂縫和更多裂縫分支，更有利于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫[33]。

Inui等人根據(jù)縱波初始運(yùn)動(dòng)的極性類型，即壓縮型和膨脹型，來研究壓裂液黏度對(duì)產(chǎn)生裂縫類型的影響，如果記錄為壓縮型縱波初始運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生拉伸裂縫；如果記錄為膨脹型的縱波初始運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生剪切裂縫[30]。通過極性校正實(shí)驗(yàn)，即用鐵球擊帶有探頭的鐵板，根據(jù)波形認(rèn)為向上運(yùn)動(dòng)軌跡為壓縮型，如圖7所示[32]，▲表示為壓縮型，▽表示為膨脹型[30]。

圖6 聲發(fā)射源分布和表面可視裂縫圖

圖7 聲發(fā)射波

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用每種壓裂液進(jìn)行兩次壓裂實(shí)驗(yàn)，每次記錄30次聲發(fā)射事件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到壓縮型縱波初始運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)和膨脹型縱波初始運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)，從而得到壓縮型運(yùn)動(dòng)占總運(yùn)動(dòng)個(gè)數(shù)的比率η，圖8所示為不同壓裂液黏度與η的關(guān)系圖［32］。從圖中可以看出，用3種壓裂液進(jìn)行壓裂都會(huì)產(chǎn)生拉伸裂縫和剪切裂縫；由于比率η隨壓裂液黏度的增加而增大，說明黏度較大的稠油容易產(chǎn)生拉伸裂縫，而黏度較小的超臨界CO2容易產(chǎn)生剪切裂縫[34]。

圖8 不同壓裂液粘度與η的關(guān)系圖

該實(shí)驗(yàn)通過聲發(fā)射波判斷了裂縫的類型，對(duì)裂縫的形成進(jìn)行了進(jìn)一步研究，對(duì)以后室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)有一定指導(dǎo)意義。但是壓裂的巖樣巖性單一，所以下一步可以通過該方法研究不同巖性巖樣的壓裂裂縫類型，看是否具有普遍性。

5 結(jié)論與建議

（1）超臨界CO2黏度低，擴(kuò)散系數(shù)高，流動(dòng)性能強(qiáng)，用其作為壓裂液進(jìn)行壓裂改造具有對(duì)儲(chǔ)層傷害小，返排快等特點(diǎn)；超臨界CO2在儲(chǔ)層中不僅能大幅度降低原油黏度，而且能置換出被吸附的CH4分子，有利于提高產(chǎn)量。但由于攜砂能力差，對(duì)壓裂設(shè)備要求高，所以在應(yīng)用上受到了一定限制。

（2）在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中，與液態(tài)CO2壓裂和清水壓裂相比，超臨界CO2壓裂破裂壓力較低，其分形維數(shù)FD和Lav距離較大，能夠產(chǎn)生更多波狀的裂縫和更多裂縫分支（網(wǎng)絡(luò)裂縫），而清水壓裂則形成較為單一的裂縫；黏度較大的稠油易產(chǎn)生拉伸裂縫，而黏度較小的超臨界CO2易產(chǎn)生剪切裂縫，有利于頁巖氣的壓裂增產(chǎn)改造或壓裂開發(fā)。

（3）根據(jù)超臨界CO2壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，可借鑒其實(shí)驗(yàn)方法對(duì)壓裂裂縫進(jìn)行下一步的研究：①根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件可適當(dāng)增大巖樣尺寸，分析超臨界CO2壓裂液排量對(duì)裂縫擴(kuò)形成之間的關(guān)系；②可探討巖樣所受不同應(yīng)力條件下對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響；③采用聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓裂過程，并在壓裂后對(duì)巖樣剖切和CT掃描，研究裂縫形態(tài)；④建議利用超臨界CO2壓裂易形成復(fù)雜裂縫這一特點(diǎn)，加大對(duì)頁巖壓裂的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

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（修改回稿日期2015-09-21編輯文敏）

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類（XDB10030000；XDB10030300）頁巖氣勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41502294)頁巖儲(chǔ)層裂縫形態(tài)特征及縫網(wǎng)壓裂的損傷力學(xué)機(jī)制研究。

趙志恒,男，1989年出生，四川成都人，博士研究生，主要從事非常規(guī)天然氣開發(fā)研究工作。地址：(100029)北京市朝陽區(qū)北土城西路19號(hào)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所。電話：18810266684。E-mail：zzh1989heng@163.com