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頁巖氣:超臨界二氧化碳開發(fā)有望代替水力壓裂

[加入收藏][字號: ] [時間:2012-12-26  來源:中國頁巖氣網(wǎng)新聞中心  關(guān)注度:0]
摘要:   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。 ...

  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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