無水壓裂技術(shù)研究進(jìn)展

滕 起，張 楊，劉軍嚴(yán)，李 偉，孫一流

1中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫(kù)爾勒

2油氣資源與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(北京))，北京

3中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)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(duì)于保障能源戰(zhàn)略安全顯得尤為重要。美國(guó)能源信息署(EIA)最新預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，中國(guó)技術(shù)可采頁(yè)巖氣儲(chǔ)量為36.1 × 1012m3，遠(yuǎn)高于排名第二的美國(guó)，后者儲(chǔ)量為24.4 × 1012m3[1]。2013年，我國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)1676 × 108m3，全年進(jìn)口量530× 108m3，對(duì)外依存度突破30%。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)天然氣缺口將突破1350 × 108m3。開發(fā)頁(yè)巖氣資源具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

頁(yè)巖儲(chǔ)層具有低孔、超低滲的物性特征，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣高效開發(fā)的關(guān)鍵在于儲(chǔ)層改造技術(shù)的突破與發(fā)展?？v觀美國(guó)頁(yè)巖氣藏開發(fā)歷程，正是壓裂改造技術(shù)的階段性突破，鑄就其頁(yè)巖氣穩(wěn)定、高效的開發(fā)。目前，開發(fā)頁(yè)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(guó)頁(yè)巖氣勘探的有利區(qū)域大部分處于重點(diǎn)缺水地區(qū)或鄰近區(qū)域[2]，面臨著嚴(yán)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(yè)巖氣未來大規(guī)模高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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(nèi)已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。其利用高壓泵組將含有高質(zhì)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(dāng)壓力超過該處的地層破裂壓力時(shí)，會(huì)造縫并延壓，壓開儲(chǔ)層，形成裂縫攜帶支撐劑進(jìn)入裂縫的壓裂液是整個(gè)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(shí)它也間接決定了壓后裂縫導(dǎo)流能力及井的生產(chǎn)能力。一直以來，廣大學(xué)者都在對(duì)其性能改進(jìn)以及減少對(duì)儲(chǔ)層傷害方面進(jìn)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(zhǎng)足的進(jìn)步，無論是從性能的改進(jìn)還是現(xiàn)場(chǎng)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(shù)局限，在應(yīng)用時(shí)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(fèi)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(chǔ)層，美國(guó)超過75%的頁(yè)巖氣高產(chǎn)井需進(jìn)行10級(jí)以上的壓裂作業(yè)，并進(jìn)行1～2次的重復(fù)壓裂。根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局的資料數(shù)據(jù)，2011年美國(guó)一口頁(yè)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(zhǎng)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(duì)充裕，能夠滿足開發(fā)的需要。但對(duì)于我國(guó)來說，頁(yè)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(gè)難題。

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

3) 污染儲(chǔ)層。頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率極低，而清水壓裂濾失量大，尤其是對(duì)于頁(yè)巖等水敏性儲(chǔ)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(chǔ)層傷害。因此降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)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(diǎn)之一。

為此，近年來國(guó)際上產(chǎn)生了多種適用于非常規(guī)儲(chǔ)層開發(fā)的無水壓裂技術(shù)，包括高能氣體壓裂技術(shù)、液態(tài)二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)、泡沫壓裂技術(shù)以及液化石油氣(LPG)壓裂技術(shù)等。新型的無水壓裂技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層傷害小，儲(chǔ)層具有較好配伍性，壓裂液返排回收性能好，攜砂性能力強(qiáng)，對(duì)儲(chǔ)層的污染小，這對(duì)于我國(guó)的頁(yè)巖氣開發(fā)具有重要意義。

3.無水壓裂技術(shù)

3.1.高能氣體壓裂技術(shù)

高能氣體壓裂技術(shù)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(yuǎn)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(dǎo)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(yīng)力的影響，可以壓出各個(gè)方位的隨機(jī)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(dǎo)流能力。高能氣體壓裂使用火藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓氣體作為壓裂介質(zhì)，在有效造縫同時(shí)，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生污染傷害(例如酸敏、水敏等)，因此也不會(huì)降低儲(chǔ)層的滲透率。

高能氣體壓裂技術(shù)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(shí)，高能氣體壓裂技術(shù)的作用時(shí)間相比于水力壓裂來說時(shí)間短，裂縫延伸長(zhǎng)度也遠(yuǎn)短于水力壓裂產(chǎn)生的裂縫，通常只有3～8 m。上述技術(shù)缺點(diǎn)也限制著高能氣體壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì) 60年代開始，美國(guó)和前蘇聯(lián)就開始了對(duì)高能氣體壓裂技術(shù)的研究，并各自有所側(cè)重[6]。前蘇聯(lián)完成了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(dá)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(shù)和其他增產(chǎn)技術(shù)一起形成的復(fù)合壓裂技術(shù)。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(shù)相結(jié)合，得到一項(xiàng)深穿透的復(fù)合壓裂、射孔技術(shù)。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(duì)地層也進(jìn)行了高能氣體壓裂。美國(guó)在高能氣體壓裂的基礎(chǔ)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(shù)推向一個(gè)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?jí)毫鸭夹g(shù)

在儲(chǔ)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(jìn)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(chǔ)層中，壓裂作業(yè)結(jié)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(shí)，可以和儲(chǔ)層中的水反應(yīng)生成碳酸，當(dāng)碳酸量達(dá)到一定程度時(shí)，pH值升到4.5以上，可以溶解部分黏土礦物等，進(jìn)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(dá)到過飽和程度時(shí)，可以使流體和毛細(xì)管甚至巖壁的接觸角等參數(shù)發(fā)生變化，對(duì)壓裂后的返排大有幫助。

但液態(tài)二氧化碳在施工時(shí)黏度過低。室內(nèi)試驗(yàn)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(dǎo)致地面混砂機(jī)內(nèi)的攜砂液的砂質(zhì)量濃度下降，進(jìn)而降低了裂縫的導(dǎo)流能力從而影響增產(chǎn)效果，因此提高液態(tài)二氧化碳?jí)毫岩吼ざ仁菈毫言O(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一[9]。

加拿大最早提出純液態(tài)二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)[10][11]。純液態(tài)二氧化碳?jí)毫涯軌蚪档蛪毫褮堃号c濾餅對(duì)地層導(dǎo)流能力造成的傷害。最早在1987年，純液態(tài)二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)在加拿大16-10-27-8W4M井的海綠石砂巖儲(chǔ)層中第一次應(yīng)用。隨后幾年時(shí)間里，國(guó)外針對(duì)超過459井次、30多個(gè)不同的儲(chǔ)層進(jìn)行了二氧化碳?jí)毫炎鳂I(yè)，其中95%是氣井，5%是油井。至2003年底，純液態(tài)二氧化碳?jí)毫言霎a(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(shè)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?dú)饧尤胍簯B(tài)二氧化碳中形成液態(tài)氮?dú)?二氧化碳的壓裂技術(shù)。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(zhǎng)油田開展了油井純液態(tài)二氧化碳增能壓裂工藝技術(shù)研究，并進(jìn)行了壓裂施工作業(yè)，獲得了工藝技術(shù)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(shù)研究院設(shè)計(jì)的二氧化碳干法加砂壓裂試驗(yàn)在長(zhǎng)慶氣田蘇東 44-22井成功完成壓裂作業(yè)。這是中國(guó)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(jì)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(shí)砂比9%，施工壓力28～46 MPa。

3.3.泡沫壓裂技術(shù)

泡沫壓裂工藝技術(shù)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(shí)際上是用起泡劑穩(wěn)定的一種液包氣乳狀液，是一個(gè)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(qiáng)、破膠速度快、殘液返排率高、傷害性小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其壓裂設(shè)備復(fù)雜而高昂，施工成本高，限制了其廣泛的推廣應(yīng)用。同時(shí)，如何進(jìn)一步提高泡沫壓裂液耐溫抗剪切性和內(nèi)相氣泡的穩(wěn)定性，以進(jìn)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(shù)的國(guó)家是美國(guó)，最早正式應(yīng)用于1970年，隨后的10年，泡沫壓裂液技術(shù)逐步發(fā)展完善。70年代初，氮?dú)馀菽瓑毫炎钤绫皇褂?。根?jù)當(dāng)時(shí)的壓裂水平，只能夠把質(zhì)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(qiáng)且壓裂液的性質(zhì)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(duì)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(jì)80年代中期，尤其是在解決氣井壓裂的問題上效果良好，當(dāng)時(shí)90%以上的氣井壓裂都是應(yīng)用的泡沫壓裂液技術(shù)。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(duì)泡沫壓裂液性質(zhì)的了解，施工設(shè)計(jì)方面以及最終產(chǎn)能評(píng)價(jià)方面。

我國(guó)對(duì)泡沫壓裂液研究始于20世紀(jì)80年代末期。1998年在遼河油田首次進(jìn)行了泡沫壓裂液的施工，當(dāng)時(shí)使用的是氮?dú)馀菽瓑毫岩骸?1世紀(jì)初期，與國(guó)外企業(yè)進(jìn)行合作，共同研發(fā)了泡沫壓裂液回路裝置[12][13]，對(duì)非交聯(lián)的二氧化碳泡沫壓裂液的流變性進(jìn)行了細(xì)致的研究，測(cè)得不同氣體質(zhì)量下壓裂液的流變參數(shù)，研究了泡沫流體的流動(dòng)性質(zhì)；分析了泡沫質(zhì)量與氣泡微觀結(jié)構(gòu)，研究其衰變機(jī)理；測(cè)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(duì)不同施工條件下的泡沫壓裂液進(jìn)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(duì)在裂縫壁面內(nèi)泡沫流體流動(dòng)的具體情況進(jìn)行了研究，并推算出在儲(chǔ)層裂縫中，泡沫壓裂液的流動(dòng)方式應(yīng)該用冪律層流的方程進(jìn)行描述，該描述更加準(zhǔn)確。但非交聯(lián)泡沫壓裂液在中國(guó)僅限于流動(dòng)機(jī)理的研究，并沒有在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。酸性交聯(lián)二氧化碳泡沫壓裂液與有機(jī)硼交聯(lián)氮?dú)馀菽瓑毫岩涸趯?shí)際應(yīng)用中都得到了較好的效果。

3.4.液化石油氣壓裂技術(shù)

液化石油氣壓裂技術(shù)最早由加拿大GasFrac公司提出并得到了進(jìn)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(shí)摻加了少量的乙烷、丙烯、丁烷和其他化學(xué)添加劑，該壓裂技術(shù)對(duì)地層沒有任何損害。

液化石油氣壓裂技術(shù)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(jìn)生產(chǎn)管線。LPG壓裂技術(shù)同常規(guī)水力壓裂技術(shù)相比基本不需要水，也不需要耗費(fèi)資金處理污水，因此減小了環(huán)境與水資源壓力，降低了對(duì)儲(chǔ)層的傷害，成為壓裂技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

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(zhì)，這是LPG可以有效攜帶支撐劑并且壓裂地層的關(guān)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(xì)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(shí)現(xiàn)欠平衡狀態(tài)，返排效果更快更好。

但LPG壓裂技術(shù)因其成本比水要高，阻礙了推廣。常規(guī)的水力壓裂施工設(shè)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(yán)重的后果。當(dāng)LPG的含量達(dá)到一定值時(shí)，在一定溫度下將發(fā)生爆炸。因此，對(duì)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(jié)論

無水壓裂技術(shù)在低滲透油氣藏改造中具有環(huán)保、節(jié)能、儲(chǔ)層損害低、增產(chǎn)效果好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有很大的發(fā)展前景。在提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量方面，無水壓裂技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)。各種無水壓裂技術(shù)共同優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在對(duì)儲(chǔ)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?jí)毫阎饕菙y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(jìn)行頁(yè)巖氣開采技術(shù)選用時(shí)，要結(jié)合已有的設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，綜合考慮各種壓裂方法的優(yōu)缺點(diǎn)，走適合中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)、工程特點(diǎn)開發(fā)的自主道路。