滕 起，張 楊，劉軍嚴，李 偉，孫一流

1中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒

2油氣資源與工程國家重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京

3中國石油大學(北京)石油工程學院，北京

1.引言

隨著常規(guī)油氣資源的逐漸減少和枯竭，非常規(guī)油氣的高效開發(fā)對于保障能源戰(zhàn)略安全顯得尤為重要。美國能源信息署(EIA)最新預測結果顯示，中國技術可采頁巖氣儲量為36.1 × 1012m3，遠高于排名第二的美國，后者儲量為24.4 × 1012m3[1]。2013年，我國天然氣表觀消費量達1676 × 108m3，全年進口量530× 108m3，對外依存度突破30%。預計到2020年，我國天然氣缺口將突破1350 × 108m3。開發(fā)頁巖氣資源具有重大的現(xiàn)實意義。

頁巖儲層具有低孔、超低滲的物性特征，實現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)的關鍵在于儲層改造技術的突破與發(fā)展?？v觀美國頁巖氣藏開發(fā)歷程，正是壓裂改造技術的階段性突破，鑄就其頁巖氣穩(wěn)定、高效的開發(fā)。目前，開發(fā)頁巖氣主要采用滑溜水大型壓裂，要消耗大量水資源，并可能污染環(huán)境，而我國頁巖氣勘探的有利區(qū)域大部分處于重點缺水地區(qū)或鄰近區(qū)域[2]，面臨著嚴峻的水資源約束及環(huán)保問題，亟待研究無水壓裂理論，為頁巖氣未來大規(guī)模高效開發(fā)奠定基礎。

2.水力壓裂產(chǎn)生的問題

水力壓裂作為油氣藏增產(chǎn)的最有效的措施，在世界范圍內已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。其利用高壓泵組將含有高質量濃度支撐劑的高黏度非牛頓流體泵入地層，在目的層附近形成高壓，當壓力超過該處的地層破裂壓力時，會造縫并延壓，壓開儲層，形成裂縫攜帶支撐劑進入裂縫的壓裂液是整個過程中最重要的工作液體。壓裂液性能直接影響了施工的成功與否，同時它也間接決定了壓后裂縫導流能力及井的生產(chǎn)能力。一直以來，廣大學者都在對其性能改進以及減少對儲層傷害方面進行研究。自1950年開展大型的水力壓裂措施以來，壓裂液的發(fā)展有著長足的進步，無論是從性能的改進還是現(xiàn)場工藝方面。目前，世界上廣泛使用的壓裂方式主要是水力壓裂。水力壓裂成本低廉，改造規(guī)模大，但也有自身技術局限，在應用時需考慮以下問題[3][4]：

1) 水資源供給問題。水力壓裂需要耗費大量的水資源。根據(jù)目前的壓裂作業(yè)數(shù)據(jù)來看，為了壓開井筒周圍60 m以外的儲層，美國超過75%的頁巖氣高產(chǎn)井需進行10級以上的壓裂作業(yè)，并進行1～2次的重復壓裂。根據(jù)美國國家環(huán)境保護局的資料數(shù)據(jù)，2011年美國一口頁巖氣井壓裂作業(yè)的平均用水量在萬噸左右(具體用量取決于井深度、水平井段長度、壓裂方式等)，其中20%～85%的水在壓裂后無法回收。北美水資源相對充裕，能夠滿足開發(fā)的需要。但對于我國來說，頁巖氣富集地區(qū)主要處于西部水資源匱乏地區(qū)，大量清水的供給是個難題。

2) 大型水力壓裂作業(yè)設備和規(guī)模限制。每次進行水力壓裂作業(yè)時，需要的壓裂設備、作業(yè)規(guī)模都比較大，通常使用高達萬噸的清水，清水跟支撐劑相互混合時又需要專門的混砂設施。因此，要求數(shù)目龐大的原材料運輸車隊，產(chǎn)生的運輸費用較高。

3) 污染儲層。頁巖儲層滲透率極低，而清水壓裂濾失量大，尤其是對于頁巖等水敏性儲層，再加上水基壓裂液返排程度低、回收困難，極易造成不同程度的儲層傷害。因此降低壓裂液對儲層基質滲透率造成的傷害是增產(chǎn)的重要前提，也成為壓裂液研究的重點之一。

為此，近年來國際上產(chǎn)生了多種適用于非常規(guī)儲層開發(fā)的無水壓裂技術，包括高能氣體壓裂技術、液態(tài)二氧化碳壓裂技術、泡沫壓裂技術以及液化石油氣(LPG)壓裂技術等。新型的無水壓裂技術對儲層傷害小，儲層具有較好配伍性，壓裂液返排回收性能好，攜砂性能力強，對儲層的污染小，這對于我國的頁巖氣開發(fā)具有重要意義。

3.無水壓裂技術

3.1.高能氣體壓裂技術

高能氣體壓裂技術指的是通過引燃井底火藥[5]，火藥燃燒產(chǎn)生高溫、高壓氣體。其中，高壓氣體壓力遠超地層破裂壓力，從而壓裂地層巖石，得到多條不規(guī)則的徑向裂縫，增加井筒附近地層的導流性能，提高壓后產(chǎn)量(圖1)。

高能氣體壓裂產(chǎn)生的裂縫不受地應力的影響，可以壓出各個方位的隨機徑向裂縫，能夠有效地穿透之前由于鉆井、完井作業(yè)過程中產(chǎn)生的污染區(qū)，將天然裂縫和壓裂裂縫聯(lián)通，增大了井筒附近導流能力。高能氣體壓裂使用火藥燃燒時產(chǎn)生的高溫高壓氣體作為壓裂介質，在有效造縫同時，不會對儲層產(chǎn)生污染傷害(例如酸敏、水敏等)，因此也不會降低儲層的滲透率。

高能氣體壓裂技術雖然能夠產(chǎn)生不規(guī)則的裂縫，但是由于作業(yè)后期固井效果差，特別是部分井段的射孔、固井效果差[6]。同時，高能氣體壓裂技術的作用時間相比于水力壓裂來說時間短，裂縫延伸長度也遠短于水力壓裂產(chǎn)生的裂縫，通常只有3～8 m。上述技術缺點也限制著高能氣體壓裂技術的廣泛應用。

20世紀 60年代開始，美國和前蘇聯(lián)就開始了對高能氣體壓裂技術的研究，并各自有所側重[6]。前蘇聯(lián)完成了大量的現(xiàn)場試驗，目前已研制了至少三代壓裂彈，并完成商業(yè)化，每年的作業(yè)次數(shù)達2000井次。未來高能氣體壓裂的研究方向是高能氣體壓裂技術和其他增產(chǎn)技術一起形成的復合壓裂技術。在勘探開發(fā)的早期階段，如完井過程，高能氣體壓裂可以同射孔技術相結合，得到一項深穿透的復合壓裂、射孔技術。在射孔彈將地層射穿之后，高溫、高壓氣體隨即從槍身射孔眼中噴出，完成第二次沖刷、穿透，于是對地層也進行了高能氣體壓裂。美國在高能氣體壓裂的基礎上，利用火藥燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓氣體做射孔所使用的超正壓。把高能氣體壓裂和射孔技術推向一個新高度[7]。

Figure 1.The fracture morphology of high energy gas fracturing圖1.高能氣體壓裂裂縫形態(tài)

3.2.液態(tài)二氧化碳壓裂技術

在儲層壓裂作業(yè)過程中，利用 100%液態(tài)二氧化碳作為攜砂液[8]，進行增產(chǎn)作業(yè)，除了能夠產(chǎn)生裂縫外，二氧化碳還可以使原油黏度大大減小。在壓裂作業(yè)中，把液態(tài)的二氧化碳注入儲層中，壓裂作業(yè)結束之后，二氧化碳在地層溫度條件下發(fā)生快速的汽化，在地層原油中混溶，可以大幅度降低原油黏度。

二氧化碳溶解在油層中時，可以和儲層中的水反應生成碳酸，當碳酸量達到一定程度時，pH值升到4.5以上，可以溶解部分黏土礦物等，進而改善地層的滲透性能，甚至可以解除裂縫之間的堵塞顆粒。地層中的二氧化碳含量繼續(xù)上升，達到過飽和程度時，可以使流體和毛細管甚至巖壁的接觸角等參數(shù)發(fā)生變化，對壓裂后的返排大有幫助。

但液態(tài)二氧化碳在施工時黏度過低。室內試驗研究表明，在施工過程中的溫壓條件下，二氧化碳的黏度范圍在0.02～0.06 mPa?s，導致地面混砂機內的攜砂液的砂質量濃度下降，進而降低了裂縫的導流能力從而影響增產(chǎn)效果，因此提高液態(tài)二氧化碳壓裂液黏度是壓裂設計的難點之一[9]。

加拿大最早提出純液態(tài)二氧化碳壓裂技術[10][11]。純液態(tài)二氧化碳壓裂能夠降低壓裂殘液與濾餅對地層導流能力造成的傷害。最早在1987年，純液態(tài)二氧化碳壓裂技術在加拿大16-10-27-8W4M井的海綠石砂巖儲層中第一次應用。隨后幾年時間里，國外針對超過459井次、30多個不同的儲層進行了二氧化碳壓裂作業(yè)，其中95%是氣井，5%是油井。至2003年底，純液態(tài)二氧化碳壓裂增產(chǎn)作業(yè)在北美、歐洲已經(jīng)完成了1100井次以上。由于純液態(tài)二氧化碳黏度低、攜砂性能差、摩阻高，要求施工排量較高，所需設備馬力較大，施工成本高，為了提高降低摩阻及攜砂能力，自1994年以來，又發(fā)展了將氮氣加入液態(tài)二氧化碳中形成液態(tài)氮氣/二氧化碳的壓裂技術。該種新的壓裂液體系增加了黏度，并維持了無傷害特性。自2006年起，延長油田開展了油井純液態(tài)二氧化碳增能壓裂工藝技術研究，并進行了壓裂施工作業(yè)，獲得了工藝技術的成功和良好的增產(chǎn)效果。2013年8月12日，川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院設計的二氧化碳干法加砂壓裂試驗在長慶氣田蘇東 44-22井成功完成壓裂作業(yè)。這是中國第一次自主研發(fā)的二氧化碳干法加砂壓裂作業(yè)。該次壓裂施工作業(yè)泵注入排量為2.0～4.0 m3/min，累計注入液體二氧化碳254 m3，加砂量2.8 m3，平均砂比3.48%，最高瞬時砂比9%，施工壓力28～46 MPa。

3.3.泡沫壓裂技術

泡沫壓裂工藝技術是低壓、低滲、水敏性地層增產(chǎn)、增注以及完井投產(chǎn)的重要且有效措施。泡沫壓裂液實際上是用起泡劑穩(wěn)定的一種液包氣乳狀液，是一個大量氣體分散在少量液體中的均勻分散體。

泡沫壓裂液具有黏度大、攜砂能力強、破膠速度快、殘液返排率高、傷害性小等諸多優(yōu)點，但是其壓裂設備復雜而高昂，施工成本高，限制了其廣泛的推廣應用。同時，如何進一步提高泡沫壓裂液耐溫抗剪切性和內相氣泡的穩(wěn)定性，以進一步提高泡沫壓裂液的攜砂心梗是泡沫壓裂液研究發(fā)展的主要方向。

最早提出泡沫壓裂技術的國家是美國，最早正式應用于1970年，隨后的10年，泡沫壓裂液技術逐步發(fā)展完善。70年代初，氮氣泡沫壓裂最早被使用。根據(jù)當時的壓裂水平，只能夠把質量濃度為120～140 kg/m3的砂漿泵入到裂縫中。盡管攜砂能力不強且壓裂液的性質還不夠好，但是已經(jīng)得到了較好的增產(chǎn)效果。泡沫壓裂還有較好的返排效果，這是由于氣體的膨脹，大大提高了壓裂液的返排效果。1973～1976年，是泡沫壓裂液發(fā)展的初期，多數(shù)施工都是小規(guī)模的處理，泡沫壓裂液的使用仍然處于試用的階段。1977～1978年，開始考慮到泡沫壓裂液對地層造成的傷害，并開始使用水或者甲醇來減少地層傷害。1979～1983年間是泡沫壓裂液工藝發(fā)展的成熟階段。泡沫壓裂液主要的發(fā)展階段是20世紀80年代中期，尤其是在解決氣井壓裂的問題上效果良好，當時90%以上的氣井壓裂都是應用的泡沫壓裂液技術。經(jīng)過20年的發(fā)展和研究，泡沫壓裂液已經(jīng)趨于成熟，主要表現(xiàn)在對泡沫壓裂液性質的了解，施工設計方面以及最終產(chǎn)能評價方面。

我國對泡沫壓裂液研究始于20世紀80年代末期。1998年在遼河油田首次進行了泡沫壓裂液的施工，當時使用的是氮氣泡沫壓裂液。21世紀初期，與國外企業(yè)進行合作，共同研發(fā)了泡沫壓裂液回路裝置[12][13]，對非交聯(lián)的二氧化碳泡沫壓裂液的流變性進行了細致的研究，測得不同氣體質量下壓裂液的流變參數(shù)，研究了泡沫流體的流動性質；分析了泡沫質量與氣泡微觀結構，研究其衰變機理；測試壓裂液的表觀黏度，支撐劑在壓裂液中沉降速率；2003年王志剛等[14]對不同施工條件下的泡沫壓裂液進行了模擬，研究泡沫壓裂液在施工過程中的流變性能；2006年李兆敏等[15]對在裂縫壁面內泡沫流體流動的具體情況進行了研究，并推算出在儲層裂縫中，泡沫壓裂液的流動方式應該用冪律層流的方程進行描述，該描述更加準確。但非交聯(lián)泡沫壓裂液在中國僅限于流動機理的研究，并沒有在現(xiàn)場應用。酸性交聯(lián)二氧化碳泡沫壓裂液與有機硼交聯(lián)氮氣泡沫壓裂液在實際應用中都得到了較好的效果。

3.4.液化石油氣壓裂技術

液化石油氣壓裂技術最早由加拿大GasFrac公司提出并得到了進一步的發(fā)展。LPG壓裂液是以丙烷為主要成分的液化石油氣(LPG)，同時摻加了少量的乙烷、丙烯、丁烷和其他化學添加劑，該壓裂技術對地層沒有任何損害。

液化石油氣壓裂技術在地層的表現(xiàn)同水力壓裂不同。在憋壓起裂的過程中，LPG的相態(tài)呈現(xiàn)液態(tài)的特性，具有攜砂和支撐作用；而在返排回收期間，由于溫度、壓力的變化，LPG又呈現(xiàn)氣體的特性；LPG與地層中的天然氣一起被重新返排至地面，經(jīng)過地面的分離裝置后可以循環(huán)使用，甚至不須要分離便可以直接注入進生產(chǎn)管線。LPG壓裂技術同常規(guī)水力壓裂技術相比基本不需要水，也不需要耗費資金處理污水，因此減小了環(huán)境與水資源壓力，降低了對儲層的傷害，成為壓裂技術發(fā)展的新趨勢。

LPG之所以能夠成功用于壓裂，主要是由于其具有超臨界流體的性質，這是LPG可以有效攜帶支撐劑并且壓裂地層的關鍵。與清水相比，LPG在發(fā)生液化之后，流體表面張力降低、黏度變小、密度減少并且可以溶于地層流體。表面張力低能夠很好地降低沿程摩阻、減少作業(yè)功耗；再者更低的黏度，還有用較小的毛細管阻力，有利于返排順暢。此外，LPG密度低、膨脹比高(氣液體積比為270:1)，LPG的靜水柱壓力梯度只有0.234 psi/ft，自然實現(xiàn)欠平衡狀態(tài)，返排效果更快更好。

但LPG壓裂技術因其成本比水要高，阻礙了推廣。常規(guī)的水力壓裂施工設備不適合LPG壓裂，LPG壓裂車一定要確保密封性，在任何位置，液化石油氣泄漏都將造成嚴重的后果。當LPG的含量達到一定值時，在一定溫度下將發(fā)生爆炸。因此，對安全性的高要求是限制LPG壓裂液廣泛推廣的主要原因。

4.結論

無水壓裂技術在低滲透油氣藏改造中具有環(huán)保、節(jié)能、儲層損害低、增產(chǎn)效果好的技術優(yōu)勢，有很大的發(fā)展前景。在提高頁巖氣產(chǎn)量方面，無水壓裂技術具有極大的優(yōu)勢。各種無水壓裂技術共同優(yōu)點表現(xiàn)在對儲層污染小、顯著提高壓后產(chǎn)能，但是，又有著不同的缺陷，如高能氣體壓裂主要受壓裂規(guī)模的限制，液體二氧化碳壓裂主要是攜砂能力不足，泡沫壓裂主要受限于高成本，液化石油氣壓裂主要由于安全性原因限制了其廣泛推廣。在進行頁巖氣開采技術選用時，要結合已有的設備技術現(xiàn)狀，綜合考慮各種壓裂方法的優(yōu)缺點，走適合中國頁巖氣地質、工程特點開發(fā)的自主道路。