陸相頁巖氣層的CO2壓裂技術應用探討

王香增 吳金橋 張軍濤

1.陜西延長石油（集團）有限責任公司 2.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院

頁巖氣是指賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣［1］。近年來，隨著世界各國對能源需求的不斷攀升和美國在頁巖氣開發上的巨大成功，頁巖氣成了全球關注的焦點。與美國頁巖氣主要形成于海相富有機質泥頁巖層系不同，我國沉積盆地在多旋回的構造演化過程中，發育了海相、陸相及海陸過渡相3類富含有機質的泥頁巖層系［2－3］。其中，華北地區、準噶爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地等廣泛發育陸相頁巖［2－3］，面積（20～25）×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組長7段［4］和四川盆地建南地區下侏羅統自流井組東岳廟段、元壩地區侏羅系珍珠沖段［5］等陸相頁巖中壓裂并產氣，獲得突破，表明陸相頁巖氣資源潛力較大。

美國開發頁巖氣的經驗表明，水平井技術、壓裂技術的突破是頁巖氣規模開發的關鍵［6］。與美國海相頁巖相比，我國的陸相頁巖具有分布局限、厚度薄、脆性礦物含量低、黏土礦物含量高等特點［7］，海相頁巖氣的開發技術（特別是壓裂技術）并不完全適用，這是急需解決的技術問題。

1 陸相頁巖氣層特征及開發難點

1.1 陸相頁巖氣層特征

我國陸相頁巖氣層主要形成于湖泊沉積環境中，表現為與海相頁巖相似的水進體系域沉積背景［8］。與海相地層相比，在平面分布上受限于分隔性較強的陸相環境，總體上分布范圍小，單層厚度薄；在縱向上巖性多為黑色泥頁巖、粉砂質泥巖互層，相變快，非均質性強［4］；礦物組成復雜，脆性礦物以石英、長石為主，碳酸鹽含量少，黏土礦物含量較高［9］；孔隙度相對較低，基質滲透率極低。

以鄂爾多斯盆地東南部中生界延長組長7段泥頁巖（俗稱張家灘頁巖）為例，主要由黑色、灰黑色泥巖、頁巖、泥質粉砂巖、粉砂巖組成；碎屑成分主要為石英、長石、云母、黏土礦物等，石英平均含量27.75%、長石平均含量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；發育多組裂縫，分布范圍廣、穩定。

1.2 陸相頁巖氣壓裂改造難點

目前，美國在海相頁巖氣層應用的壓裂技術有：大型滑溜水壓裂、多級分段壓裂、同步壓裂等［10－11］，取得了很好的應用效果。我國陸相頁巖氣層在壓裂改造方面存在以下技術難點。

1）儲層脆性礦物少、泥質含量高，不易形成網狀裂縫，同時支撐劑易嵌入裂縫壁面［12］，對壓裂改造技術提出更高的要求。

2）儲層黏土礦物含量高，具有較強的水敏性，黏土穩定劑必不可少，且用量較大，同時常規壓裂助排劑吸附性較強，作用距離短，普通滑溜水壓裂液體系難以滿足低成本、高效益的開發要求。

3）我國陸相頁巖氣多為常壓或異常低壓儲層（如延長組長7段頁巖的壓力系數為0.6～0.8），且泥頁巖孔隙吼道小，排驅壓力高，壓裂液水鎖效應明顯，返排慢，投產時間長。

4）當前頁巖氣壓裂工藝用水量大，對水資源缺乏地區來說，施工備水困難，同時壓后大量的返排液處理難度大，處理不當則會造成環境污染。

這些因素都不同程度地增加了壓裂施工難度，使得陸相頁巖氣層的壓裂改造面臨更大的挑戰。

2 CO2壓裂技術特點

基于CO2獨特的物理化學性質，從20世紀60年代便開始用到油田開發中［13］，如CO2驅油、CO2壓裂等，取得了較好的應用效果。

CO2壓裂技術是指以CO2作為壓裂液添加劑或攜砂液的壓裂增產工藝，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CO2壓裂3種工藝技術［14］，主要應用于低壓力、低滲透率、水敏性儲層的增產改造。

CO2泡沫壓裂是以CO2氣液兩相泡沫流體為載體，通過合理優化CO2的泡沫質量和壓裂液配方，減少入井液量、降低儲層傷害，達到增產目的。設計CO2泡沫壓裂時，需要注意兩點：①CO2比例（泡沫質量）須保持在52%以上，現場應用多在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、拌注兩種增產方式，主要目的是利用液態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，降低壓裂液對儲層的傷害。CO2前置段塞增能是在施工泵注開始階段注入一定量的液態CO2，然后再進行正常加砂壓裂，該方式可以避免CO2對壓裂液性能的影響；CO2拌注增能壓裂，相對于CO2泡沫壓裂而言，區別在于泡沫質量低于52%。

液態CO2壓裂是以100%液態CO2作為攜砂液進行壓裂的一種增產方式，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CO2壓開地層，形成裂縫，對儲層巖石無傷害，且與地層流體配伍，變成氣體后完全從地層排出，無殘留，是一種真正對儲層幾乎無傷害的壓裂技術［16］。

3 CO2壓裂技術應用試驗

通過以上分析可以看出，CO2壓裂技術較為適合陸相頁巖氣層的壓裂改造，尤其是液態CO2壓裂技術，不需要水和化學助劑，壓后無返排液需要處理，對黏土礦物含量較高的陸相頁巖氣層，幾乎無傷害，是陸相頁巖氣理想的壓裂技術。為此，對鄂爾多斯盆地東南部長7段頁巖氣層開展了液態CO2壓裂、CO2增能壓裂技術應用試驗。

3.1 液態CO2壓裂技術應用試驗

YY－1井井深1 600m，長7段巖性為黑色頁巖，厚度65m，錄井氣測異常，具有較好的試氣價值。2012年4月，采用液態CO2壓裂工藝對該井長7段頁巖氣層進行壓裂，有明顯破壓顯示，施工壓力平穩（圖1），施工順利。關井24h后開井放噴排液，24h后點火可燃。

圖1 YY－1井液態CO2壓裂施工曲線圖

目前國內缺乏液態CO2壓裂的關鍵設備——密閉混砂車，且施工排量受限，此次試驗未能實現加砂。通過YY－1井CO2壓裂試驗可以看出，液態CO2在2.0m3／min以上的泵注排量下可以壓開頁巖層，并形成裂縫，同時壓后返排速度快，返排徹底，試氣、投產周期短，為今后陸相頁巖氣井液態CO2壓裂設計提供了參數依據。

3.2 CO2增能壓裂技術應用試驗

頁巖氣層要獲得高產，需要通過壓裂溝通天然微裂縫，形成較大體積的縫網系統。前期陸相頁巖氣井均采用了“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，投產周期長。因此，在陸相頁巖氣井開展了6井次CO2增能壓裂技術應用試驗。

6口試驗井均位于陜西延長石油（集團）有限責任公司下寺灣頁巖氣示范基地，目的層段為長7段頁巖氣層，埋深1 400～1 600m。為簡化施工工藝，均采用CO2前置增能壓裂技術，即先壓開地層，注入40～120 m3液態CO2，然后進行加砂壓裂，壓裂液為滑溜水或活性水體系，液量800～1 600m3、排量8～12m3／min、加砂量40～80m3。6口井壓裂施工順利，壓裂后即開始放噴排液，試驗數據如圖2所示。

圖2 頁巖氣井壓裂工藝返排效果對比圖

從圖2可以看出，采用CO2增能壓裂后，頁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 結論及建議

1）陸相頁巖氣層巖性致密，基質滲透率極低，脆性礦物含量低、黏土礦物含量高，對壓裂增產工藝提出了更高的技術要求。

2）從技術原理和試驗結果看，CO2壓裂技術低傷害、易返排的特點較為適合陸相頁巖氣勘探開發。

3）CO2增能壓裂技術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。國內具備了開展此項技術設備和配套工藝，可以在陸相頁巖氣井開展相應的試驗推廣工作。另外，還應結合陸相頁巖氣層特征參數，如壓力系數等，優化CO2的最佳注入量，達到既能降低成本、又能提高壓裂液返排率的目的。

4）液態CO2壓裂技術是一種無水壓裂工藝，對儲層幾乎無傷害，壓裂施工后無返排液需要處理，是陸相頁巖氣最具前景的增產措施。目前國內受CO2密閉混砂車、CO2增壓泵車等壓裂設備限制，尚不能開展大排量、大規模液態CO2加砂壓裂。今后，隨著國內引進或研制這些壓裂設備，液態CO2加砂壓裂將在陸相頁巖氣井上規模應用。

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