隨著頁巖氣開發(fā)熱潮的興起，“水力壓裂”這個原本專業(yè)性很強的術(shù)語也變得耳熟能詳。雖然水力壓裂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于常規(guī)油氣開采，但如何將該技術(shù)應(yīng)用于吸附氣比重極大的頁巖氣、提高單井產(chǎn)量，仍是擋在頁巖氣“美好前景”面前的一道門檻。
不僅如此，在環(huán)保主義者眼中，水力壓裂不但浪費水資源，還會污染地下水，改變地應(yīng)力誘發(fā)地震……在水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱的中國，若要實現(xiàn)頁巖氣的大范圍開采，必須考慮并規(guī)避水力壓裂可能帶來的風(fēng)險。
2004年，中國工程院院士、中國石油大學(xué)教授沈忠厚提出用超臨界二氧化碳代替水做壓裂液。當(dāng)溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳?xì)怏w就變成超臨界態(tài)。超臨界二氧化碳擁有的神奇特性——密度接近于水;粘度非常低，接近于氣體;表面張力接近于零——幾乎可以解決水力壓裂帶來的所有難題。近日，沈忠厚院士的秘書、中國石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)博士后王海柱向記者介紹了超臨界二氧化碳開采頁巖氣的大膽設(shè)想和研究進展，為頁巖氣開發(fā)提供了一種新的可能。
中國能源報：和常規(guī)油氣相比，頁巖氣的儲層和開發(fā)有什么特點?
王海柱：常規(guī)油氣多是在裂縫、孔隙中，處于游離狀態(tài)，吸附含量非常少，很容易就能開采出來。而頁巖氣80%或更高則吸附于巖石顆粒和有機質(zhì)表面，不解析采不出來。剩下的少量處于游離狀態(tài)(貯存于孔隙裂縫中)和溶解狀態(tài)(溶解在地層水和液態(tài)烴中)。
頁巖氣開發(fā)過程中，只有很少一部分游離氣先被開發(fā)出來。游離氣出完之后，剩下的吸附氣或溶解氣采出速度很慢。所以打井之后頭一年產(chǎn)量很高，但遞減的非常快，之后就是一段穩(wěn)定期，一般頁巖氣井能采二三十年或更長時間。四川有的井頭一年產(chǎn)量高達幾萬方或十幾萬方，穩(wěn)定之后一天就幾千方，這個特點決定了頁巖氣的投資回收期很長。
頁巖氣吸附量受有機碳含量、粘土礦物含量、地層壓力和溫度等多個因素的影響。其中粘土對吸附氣的影響很大。頁巖的百分之四十到五十是粒徑為5-63微米的粘土顆粒。顆粒越小，比表面積(表面積相對于體積的比值——編者注)越大，甲烷的吸附含量越高。所以粘土含量越高，每噸巖石的含氣量越大，開發(fā)價值就越高。
但這就出現(xiàn)了一個問題。頁巖的孔隙很小，粘土遇水一膨脹就完全堵死了流通通道，氣也出不來了。美國人在水力壓裂的水中加入防膨劑等很多藥劑，不但造成污染，而且無法從根本上避免膨脹。現(xiàn)在加拿大美國有研究用LNG或液態(tài)的烴類物質(zhì)壓裂，但成本很高。此外，單口井壓裂需要1-2萬方水，水資源對我們國家來說也是非常大的負(fù)擔(dān)。
中國能源報：所以你們開始探索新的壓裂手段?
王海柱：對，早在2000年，美國tempress公司做了先導(dǎo)性的超臨界二氧化碳射流破巖實驗，效果非常好，破巖門限壓力(使巖石破碎的最小噴射壓力——編者注)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的破巖門限壓力。這樣可以大幅提高鉆井速度，對于鉆井的意義非常大。
當(dāng)溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳?xì)怏w就變成超臨界態(tài)。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特物理化學(xué)性——密度接近于水，能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強;黏度非常低，接近于氣體，易流動、摩阻系數(shù)低;擴散系數(shù)大于液體，傳熱、傳質(zhì)性能良好;表面張力接近于零，可進入到任何大于超臨界流體分子的空間。
后來我們?yōu)榱蓑炞C結(jié)論，開始做實驗，發(fā)現(xiàn)效果非常好。超臨界二氧化碳進行破巖實驗的時候測得了兩個巖樣的壓力，我們在花崗巖中，用水的破巖壓力是75兆帕，超臨界二氧化碳是50兆帕，僅為水的67%，在頁巖中，水的破巖是124兆帕，超臨界二氧化碳壓力是55兆帕，只是水的44%。
其實常規(guī)二氧化碳驅(qū)油已經(jīng)被應(yīng)用在油田開采中，在吉林油田取得了良好的效果。2004年，沈忠厚院士提出用超臨界二氧化碳鉆井、完井、采油、壓裂、增產(chǎn)最后埋存的一體化的成套技術(shù)。目前沈院士帶領(lǐng)我們十幾人的團隊主要在做基礎(chǔ)理論工作，并逐漸把理論轉(zhuǎn)化為技術(shù)。我們做了一些實驗，也申請了幾項專利，鉆井效果肯定沒有問題，開發(fā)方面正在做機理研究。目前這個項目已被列為國家自然基金重點項目，也和中石油有合作，但要想實現(xiàn)完全商業(yè)化的應(yīng)用，可能還需要幾年時間。
中國能源報：除了提高鉆井速度，超臨界二氧化碳還有什么優(yōu)勢?
王海柱：超臨界二氧化碳鉆井速度快是毋庸置疑的，而且對儲層沒有傷害。常規(guī)水力壓裂水進入頁巖層中，粘土膨脹，除了堵塞孔隙，膨脹的粘土還會造成井壁垮塌，把鉆桿和鉆頭等井下工具埋在井下。之前西南石油大學(xué)的陳平教授也講到，鉆井過程中井壁垮塌嚴(yán)重是制約頁巖氣井長水平段鉆井的主要技術(shù)難點。所以既要選擇環(huán)保的開采方式，還要對鉆井安全有利、保護儲層。超臨界二氧化碳不含固相顆粒也不含水，對儲層沒有任何污染。
儲層有一些小的裂縫，常規(guī)壓裂液是進不去的。但超臨界二氧化碳黏度低，更容易溝通細(xì)小的裂隙，同時更容易在頁巖層中壓出多而復(fù)雜的微裂縫，提高單井產(chǎn)量和采收率。
超臨界二氧化碳流體的密度非常大，溶劑化能力非常強，可以溶解我們近井地帶重油組分，為輸送通道減少油氣阻力。其次還可以使粘土礦物脫水，脫水之后粘土礦物顆粒會變小，可以增大孔隙和滲透率。其表面張力幾乎為零，能夠進入很細(xì)小的孔隙，可以高效置換甲烷。二氧化碳與頁巖層的吸附能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甲烷與頁巖層的吸附能力。利用這個特點，我們可以將超臨界二氧化碳注入儲層中，用它替換儲層中的甲烷。這么做有兩個好處，一是提高單井產(chǎn)量，二是超臨界二氧化碳可以埋存在地下，避免溫室效應(yīng)。
中國能源報：超臨界二氧化碳容易獲得嗎?和水力壓裂相比經(jīng)濟性如何?
王海柱：大家經(jīng)常問氣源是否經(jīng)濟劃算，我國近幾年二氧化碳年產(chǎn)量在六百萬噸左右，主要來源是電廠、鋼廠等工業(yè)廢氣回收。只有15%左右來自氣田開采。現(xiàn)在在頁巖氣富集地區(qū)如四川、貴州、重慶都有二氧化碳回收企業(yè)，有條件實施超臨界二氧化碳開采。
目前我國二氧化碳的回收量是排放量的冰山一角，大量的二氧化碳沒有被回收利用，其中一個主要原因是回收的二氧化碳沒有市場，直接埋存又沒有經(jīng)濟價值，無法刺激回收企業(yè)的積極性。如果以后能成功應(yīng)用于頁巖氣井的壓裂開采，那將是很大的一個市場，不僅能夠促進二氧化碳回收行業(yè)的快速發(fā)展，還能在提高頁巖氣產(chǎn)量的同時將二氧化碳埋存在地下，實現(xiàn)減排增效，實現(xiàn)化石能源的綠色開發(fā)。
目前市場上二氧化碳價格在200到500元每噸(純度99.9%以上)，水力壓裂的壓裂液每方在700到1000元左右。雖然二氧化碳還存在運輸問題，但相信隨著二氧化碳回收行業(yè)的發(fā)展，價格會逐漸下降。
中國能源報：再先進的技術(shù)也不是完美的，超臨界二氧化碳壓裂存在的最大問題是什么?
王海柱：超臨界二氧化碳非常容易穿透，經(jīng)常用于萃取藥物中的有用物質(zhì)。現(xiàn)在用的井下馬達、螺桿鉆具很多都是橡膠的，大分子的橡膠很容易被穿透，隨著壓力不斷波動，橡膠就會脹開失效，所以普通的螺桿鉆具無法適用這項技術(shù)，還需要研究特殊的配套設(shè)備。
另外超臨界二氧化碳需要降溫、液化之后才能加壓，所以地面需要降溫裝置，這都是常規(guī)鉆井不具備的。井口設(shè)備是不是適應(yīng)低溫高壓作業(yè)?低溫下鋼材有一定的脆性,地層含水，二氧化碳遇水會形成碳酸，對鋼材\鉆具有腐蝕作用，在一定條件下也有可能形成水合物，對正常施工造成影響;超臨界二氧化碳粘度很低，如何實現(xiàn)加砂壓裂?此外，它的濾失性也比水基壓裂液強。要把理論成果轉(zhuǎn)化到實際，必須有相應(yīng)的配套設(shè)備與技術(shù)才能實現(xiàn)。
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