摘　要：中國(guó)陸相頁(yè)巖氣資源潛力較大。與海相頁(yè)巖相比，陸相頁(yè)巖氣層具有厚度薄、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高、壓力低等特點(diǎn)，海相頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)技術(shù)(特別是壓裂技術(shù))并不完全適用。為此，針對(duì)陸相頁(yè)巖氣層的儲(chǔ)層特征和壓裂改造難點(diǎn)，分析了CO2泡沫壓裂技術(shù)、CO2增能壓裂技術(shù)和液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的特點(diǎn)，并在鄂爾多斯盆地中生界延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖氣層開(kāi)展了液態(tài)CO2壓裂、CO2增能壓裂應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：純液態(tài)CO2在2.0m³／min排量下可壓開(kāi)長(zhǎng)7段頁(yè)巖氣層，壓后排液迅速，24h后即點(diǎn)火可燃；同時(shí)，CO2增能壓裂能顯著提高壓裂液返排速度和返排率，縮短排液周期，有利于陸相頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)。此外，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備和技術(shù)現(xiàn)狀以及環(huán)保問(wèn)題，提出了陸相頁(yè)巖氣層CO2壓裂技術(shù)今后的應(yīng)用和發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣  陸相頁(yè)巖CO2增能壓裂  液態(tài)CO2壓裂  應(yīng)用  試驗(yàn)  鄂爾多斯盆地

Application of CO2 fracturing technology for terrestrial shale gas reservoirs

Abstract：China boasts of abundant terrestrial shale gas resources．Compared with marine shale，terrestrial shale has smaller thickness，lower content of brittle minerals，higher content of clay minerals，and lower pressure．Hence，the development technology for marine shale gas，especially the fracturing technology，is not entirely applicable to terrestrial shale．To this end。aimed at the reservoir characteristics and fracturing difficulties，the features of liquid CO2 foam and CO2 energized fracturing technology were analyzed，and their application tests were carried out in the gas shale in the Chang-7 Member of Mesozoic Yangchang Fm in the Ordos Basin．The application results showed that pure liquid CO2 at a discharge rate of 2.0m³／min was capable of fracturing shale gas reservoirs in Chang-7 Member with a rapid liquid unloading，and ignition could be conducted after 24h．Meanwhile，CO2 energized fracturing greatly improved the fracturing fluid flowback speed and rate to shorten the liquid unloading period，which all benefited the terrestrial shale gas exploration and development．Moreover，based on the analysis of the state-of-the-art of fracturing technologies and facilities in China，the application prospect and development idea were presented of the CO2 fracturing technology applied in terrestrial shale gas development．

Keywords：shale gas，terrestrial shale，marine shale，CO2 energized fracturing，liquid CO2 fracturing，application，test，Ordos Basin

頁(yè)巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)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(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)能源需求的不斷攀升和美國(guó)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)上的巨大成功，頁(yè)巖氣成了全球關(guān)注的焦點(diǎn)。與美國(guó)頁(yè)巖氣主要形成于海相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系不同，我國(guó)沉積盆地在多旋回的構(gòu)造演化過(guò)程中，發(fā)育了海相、陸相及海陸過(guò)渡相3類富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)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(yè)巖^[2-3]，面積(20～28)×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(yè)巖中壓裂并產(chǎn)氣，獲得突破，表明陸相頁(yè)巖氣資源潛力較大。

美國(guó)開(kāi)發(fā)頁(yè)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(yè)巖氣規(guī)模開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵^[6]。與美國(guó)海相頁(yè)巖相比，我國(guó)的陸相頁(yè)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(yè)巖氣的開(kāi)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(wèn)題。

1　陸相頁(yè)巖氣層特征及開(kāi)發(fā)難點(diǎn)

1．1　陸相頁(yè)巖氣層特征

我國(guó)陸相頁(yè)巖氣層主要形成于湖泊沉積環(huán)境中，表現(xiàn)為與海相頁(yè)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(yè)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(yè)巖(俗稱張家灘頁(yè)巖)為例，主要由黑色、灰黑色泥巖、頁(yè)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(yè)巖氣壓裂改造難點(diǎn)

目前，美國(guó)在海相頁(yè)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(guó)陸相頁(yè)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(kāi)發(fā)要求。

3)我國(guó)陸相頁(yè)巖氣多為常壓或異常低壓儲(chǔ)層(如延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖的壓力系數(shù)為0.6～0.8)，且泥頁(yè)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(yè)巖氣壓裂工藝用水量大，對(duì)水資源缺乏地區(qū)來(lái)說(shuō)，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(yè)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(kāi)始用到油田開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)地層，形成裂縫，對(duì)儲(chǔ)層巖石無(wú)傷害，且與地層流體配伍，變成氣體后完全從地層排出，無(wú)殘留，是一種真正對(duì)儲(chǔ)層幾乎無(wú)傷害的壓裂技術(shù)^[16]。

3　CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

通過(guò)以上分析可以看出，CO2壓裂技術(shù)較為適合陸相頁(yè)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(wú)返排液需要處理，對(duì)黏土礦物含量較高的陸相頁(yè)巖氣層，幾乎無(wú)傷害，是陸相頁(yè)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(yè)巖氣層開(kāi)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l600m，長(zhǎng)7段巖性為黑色頁(yè)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(yè)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(kāi)井放噴排液，24h后點(diǎn)火可燃。

目前國(guó)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(guò)YY-l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(kāi)頁(yè)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(yè)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(yè)巖氣層要獲得高產(chǎn)，需要通過(guò)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(yè)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(yè)巖氣井開(kāi)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(yè)巖氣示范基地，目的層段為長(zhǎng)7段頁(yè)巖氣層，埋深l400～1600m。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(kāi)地層，注入40～120m³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800～1600m³、排量8～12m³／min、加砂量40～80m³。6口井壓裂施工順利，壓裂后即開(kāi)始放噴排液，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2可以看出，采用CO2增能壓裂后，頁(yè)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(yè)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(yè)巖氣勘探開(kāi)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(guó)內(nèi)具備了開(kāi)展此項(xiàng)技術(shù)設(shè)備和配套工藝，可以在陸相頁(yè)巖氣井開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)推廣工作。另外，還應(yīng)結(jié)合陸相頁(yè)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(wú)水壓裂工藝，對(duì)儲(chǔ)層幾乎無(wú)傷害，壓裂施工后無(wú)返排液需要處理，是陸相頁(yè)巖氣最具前景的增產(chǎn)措施。目前國(guó)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(kāi)展大排量、大規(guī)模液態(tài)CO2加砂壓裂。今后，隨著國(guó)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(yè)巖氣井上規(guī)模應(yīng)用。

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本文作者：王香增  吳金橋  張軍濤

作者單位：陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司

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