王香增 吳金橋 張軍濤

1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 2.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院

頁巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣［1］。近年來，隨著世界各國對(duì)能源需求的不斷攀升和美國在頁巖氣開發(fā)上的巨大成功，頁巖氣成了全球關(guān)注的焦點(diǎn)。與美國頁巖氣主要形成于海相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系不同，我國沉積盆地在多旋回的構(gòu)造演化過程中，發(fā)育了海相、陸相及海陸過渡相3類富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖層系［2－3］。其中，華北地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地等廣泛發(fā)育陸相頁巖［2－3］，面積（20～25）×104km3，可采資源量約為7.9×1012m3，在鄂爾多斯盆地東南部三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段［4］和四川盆地建南地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段、元壩地區(qū)侏羅系珍珠沖段［5］等陸相頁巖中壓裂并產(chǎn)氣，獲得突破，表明陸相頁巖氣資源潛力較大。

美國開發(fā)頁巖氣的經(jīng)驗(yàn)表明，水平井技術(shù)、壓裂技術(shù)的突破是頁巖氣規(guī)模開發(fā)的關(guān)鍵［6］。與美國海相頁巖相比，我國的陸相頁巖具有分布局限、厚度薄、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高等特點(diǎn)［7］，海相頁巖氣的開發(fā)技術(shù)（特別是壓裂技術(shù)）并不完全適用，這是急需解決的技術(shù)問題。

1 陸相頁巖氣層特征及開發(fā)難點(diǎn)

1.1 陸相頁巖氣層特征

我國陸相頁巖氣層主要形成于湖泊沉積環(huán)境中，表現(xiàn)為與海相頁巖相似的水進(jìn)體系域沉積背景［8］。與海相地層相比，在平面分布上受限于分隔性較強(qiáng)的陸相環(huán)境，總體上分布范圍小，單層厚度??；在縱向上巖性多為黑色泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，相變快，非均質(zhì)性強(qiáng)［4］；礦物組成復(fù)雜，脆性礦物以石英、長(zhǎng)石為主，碳酸鹽含量少，黏土礦物含量較高［9］；孔隙度相對(duì)較低，基質(zhì)滲透率極低。

以鄂爾多斯盆地東南部中生界延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段泥頁巖（俗稱張家灘頁巖）為例，主要由黑色、灰黑色泥巖、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖組成；碎屑成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母、黏土礦物等，石英平均含量27.75%、長(zhǎng)石平均含量26.28%、黏土礦物平均含量42.11%，其中黏土礦物以伊／蒙混層礦物為主（平均含量為71.7%），其次是綠泥石、伊利石、高嶺石等；孔隙度平均值為1.82%，滲透率平均值為0.163mD；孔隙類型以微孔為主，其次為粒間孔、自生礦物晶間孔、溶蝕孔隙等；發(fā)育多組裂縫，分布范圍廣、穩(wěn)定。

1.2 陸相頁巖氣壓裂改造難點(diǎn)

目前，美國在海相頁巖氣層應(yīng)用的壓裂技術(shù)有：大型滑溜水壓裂、多級(jí)分段壓裂、同步壓裂等［10－11］，取得了很好的應(yīng)用效果。我國陸相頁巖氣層在壓裂改造方面存在以下技術(shù)難點(diǎn)。

1）儲(chǔ)層脆性礦物少、泥質(zhì)含量高，不易形成網(wǎng)狀裂縫，同時(shí)支撐劑易嵌入裂縫壁面［12］，對(duì)壓裂改造技術(shù)提出更高的要求。

2）儲(chǔ)層黏土礦物含量高，具有較強(qiáng)的水敏性，黏土穩(wěn)定劑必不可少，且用量較大，同時(shí)常規(guī)壓裂助排劑吸附性較強(qiáng)，作用距離短，普通滑溜水壓裂液體系難以滿足低成本、高效益的開發(fā)要求。

3）我國陸相頁巖氣多為常壓或異常低壓儲(chǔ)層（如延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁巖的壓力系數(shù)為0.6～0.8），且泥頁巖孔隙吼道小，排驅(qū)壓力高，壓裂液水鎖效應(yīng)明顯，返排慢，投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

4）當(dāng)前頁巖氣壓裂工藝用水量大，對(duì)水資源缺乏地區(qū)來說，施工備水困難，同時(shí)壓后大量的返排液處理難度大，處理不當(dāng)則會(huì)造成環(huán)境污染。

這些因素都不同程度地增加了壓裂施工難度，使得陸相頁巖氣層的壓裂改造面臨更大的挑戰(zhàn)。

2 CO2壓裂技術(shù)特點(diǎn)

基于CO2獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，從20世紀(jì)60年代便開始用到油田開發(fā)中［13］，如CO2驅(qū)油、CO2壓裂等，取得了較好的應(yīng)用效果。

CO2壓裂技術(shù)是指以CO2作為壓裂液添加劑或攜砂液的壓裂增產(chǎn)工藝，按照CO2在壓裂液體系中所占的比例，可分為CO2增能壓裂、CO2泡沫壓裂、液態(tài)CO2壓裂3種工藝技術(shù)［14］，主要應(yīng)用于低壓力、低滲透率、水敏性儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造。

CO2泡沫壓裂是以CO2氣液兩相泡沫流體為載體，通過合理優(yōu)化CO2的泡沫質(zhì)量和壓裂液配方，減少入井液量、降低儲(chǔ)層傷害，達(dá)到增產(chǎn)目的。設(shè)計(jì)CO2泡沫壓裂時(shí)，需要注意兩點(diǎn)：①CO2比例（泡沫質(zhì)量）須保持在52%以上，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用多在52%～75%之間；②由于CO2溶于水顯弱酸性（pH值在3～4之間），壓裂液為弱酸性或耐弱酸體系。

CO2增能壓裂有前置段塞、拌注兩種增產(chǎn)方式，主要目的是利用液態(tài)CO2在地層溫度下受熱氣化膨脹，增加地層能量，提高壓裂液的返排速度和返排率，降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。CO2前置段塞增能是在施工泵注開始階段注入一定量的液態(tài)CO2，然后再進(jìn)行正常加砂壓裂，該方式可以避免CO2對(duì)壓裂液性能的影響；CO2拌注增能壓裂，相對(duì)于CO2泡沫壓裂而言，區(qū)別在于泡沫質(zhì)量低于52%。

液態(tài)CO2壓裂是以100%液態(tài)CO2作為攜砂液進(jìn)行壓裂的一種增產(chǎn)方式，壓后CO2變成氣體完全從地層中排出，因此也被稱為干法壓裂［15］。純液態(tài)CO2壓開地層，形成裂縫，對(duì)儲(chǔ)層巖石無傷害，且與地層流體配伍，變成氣體后完全從地層排出，無殘留，是一種真正對(duì)儲(chǔ)層幾乎無傷害的壓裂技術(shù)［16］。

3 CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

通過以上分析可以看出，CO2壓裂技術(shù)較為適合陸相頁巖氣層的壓裂改造，尤其是液態(tài)CO2壓裂技術(shù)，不需要水和化學(xué)助劑，壓后無返排液需要處理，對(duì)黏土礦物含量較高的陸相頁巖氣層，幾乎無傷害，是陸相頁巖氣理想的壓裂技術(shù)。為此，對(duì)鄂爾多斯盆地東南部長(zhǎng)7段頁巖氣層開展了液態(tài)CO2壓裂、CO2增能壓裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)。

3.1 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

YY－1井井深1 600m，長(zhǎng)7段巖性為黑色頁巖，厚度65m，錄井氣測(cè)異常，具有較好的試氣價(jià)值。2012年4月，采用液態(tài)CO2壓裂工藝對(duì)該井長(zhǎng)7段頁巖氣層進(jìn)行壓裂，有明顯破壓顯示，施工壓力平穩(wěn)（圖1），施工順利。關(guān)井24h后開井放噴排液，24h后點(diǎn)火可燃。

圖1 YY－1井液態(tài)CO2壓裂施工曲線圖

目前國內(nèi)缺乏液態(tài)CO2壓裂的關(guān)鍵設(shè)備——密閉混砂車，且施工排量受限，此次試驗(yàn)未能實(shí)現(xiàn)加砂。通過YY－1井CO2壓裂試驗(yàn)可以看出，液態(tài)CO2在2.0m3／min以上的泵注排量下可以壓開頁巖層，并形成裂縫，同時(shí)壓后返排速度快，返排徹底，試氣、投產(chǎn)周期短，為今后陸相頁巖氣井液態(tài)CO2壓裂設(shè)計(jì)提供了參數(shù)依據(jù)。

3.2 CO2增能壓裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

頁巖氣層要獲得高產(chǎn)，需要通過壓裂溝通天然微裂縫，形成較大體積的縫網(wǎng)系統(tǒng)。前期陸相頁巖氣井均采用了“大液量、大排量”滑溜水壓裂工藝，取得了較好的試氣效果，但壓裂液返排慢，投產(chǎn)周期長(zhǎng)。因此，在陸相頁巖氣井開展了6井次CO2增能壓裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)。

6口試驗(yàn)井均位于陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司下寺灣頁巖氣示范基地，目的層段為長(zhǎng)7段頁巖氣層，埋深1 400～1 600m。為簡(jiǎn)化施工工藝，均采用CO2前置增能壓裂技術(shù)，即先壓開地層，注入40～120 m3液態(tài)CO2，然后進(jìn)行加砂壓裂，壓裂液為滑溜水或活性水體系，液量800～1 600m3、排量8～12m3／min、加砂量40～80m3。6口井壓裂施工順利，壓裂后即開始放噴排液，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 頁巖氣井壓裂工藝返排效果對(duì)比圖

從圖2可以看出，采用CO2增能壓裂后，頁巖氣井的壓裂液放噴返排率提高了17%、最終返排率提高35%，同時(shí)排液周期從之前的平均45d縮短到25d左右，效果非常明顯。

4 結(jié)論及建議

1）陸相頁巖氣層巖性致密，基質(zhì)滲透率極低，脆性礦物含量低、黏土礦物含量高，對(duì)壓裂增產(chǎn)工藝提出了更高的技術(shù)要求。

2）從技術(shù)原理和試驗(yàn)結(jié)果看，CO2壓裂技術(shù)低傷害、易返排的特點(diǎn)較為適合陸相頁巖氣勘探開發(fā)。

3）CO2增能壓裂技術(shù)可以顯著提高壓裂液的返排速度和返排率，減少壓裂液滯留和水鎖傷害，提高改造效果。國內(nèi)具備了開展此項(xiàng)技術(shù)設(shè)備和配套工藝，可以在陸相頁巖氣井開展相應(yīng)的試驗(yàn)推廣工作。另外，還應(yīng)結(jié)合陸相頁巖氣層特征參數(shù)，如壓力系數(shù)等，優(yōu)化CO2的最佳注入量，達(dá)到既能降低成本、又能提高壓裂液返排率的目的。

4）液態(tài)CO2壓裂技術(shù)是一種無水壓裂工藝，對(duì)儲(chǔ)層幾乎無傷害，壓裂施工后無返排液需要處理，是陸相頁巖氣最具前景的增產(chǎn)措施。目前國內(nèi)受CO2密閉混砂車、CO2增壓泵車等壓裂設(shè)備限制，尚不能開展大排量、大規(guī)模液態(tài)CO2加砂壓裂。今后，隨著國內(nèi)引進(jìn)或研制這些壓裂設(shè)備，液態(tài)CO2加砂壓裂將在陸相頁巖氣井上規(guī)模應(yīng)用。

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