超臨界二氧化碳壓裂裂縫研究現狀與展望

溫 航, 姜興文, 徐東華

(1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，撫順 113001；2.北票市市場監督管理局質量(食品)檢驗檢測中心，北票 122100)

水力壓裂是目前儲層改造中最為常見的方法，但水力壓裂需要大量水資源支撐，而且其返排率較低，返排液需要處理[1]，對水資源造成極大的浪費[2]。使用二氧化碳進行壓裂可以有效避免以上問題，不僅如此，二氧化碳對環境也會產生負面影響，《“十二五”資源綜合利用指導意見》[3]中鼓勵石油化工等行業對二氧化碳進行回收利用，使用二氧化碳進行壓裂一舉雙得，而超臨界二氧化碳壓裂是二氧化碳壓裂體系的重要組成之一。2010年，沈忠厚等[4]首次提出超臨界二氧化碳壓裂破巖工藝，一經提出就憑借其突出優勢及良好效果引起眾多學者關注；2011年王海柱等[5]提出使用超臨界二氧化碳壓裂改造頁巖儲層，并發現二氧化碳可置換儲層中的甲烷成分，并可以與二氧化碳封存技術聯合使用；2013年Ishida等[6]使用花崗巖進行壓裂實驗，從裂縫起裂與形態上對比超臨界二氧化碳與傳統水力壓裂區別，總結超臨界二氧化碳壓裂的優勢；2015年Chen等[7]使用油、水、超臨界二氧化碳3種壓裂液進行壓裂實驗，進一步分析超臨界二氧化碳壓裂特點以及機理。在學者不懈努力下超臨界二氧化碳壓裂研究取得巨大進步，但若想實現廣泛應用還需繼續深入研究。

針對超臨界二氧化碳壓裂裂縫起裂與形態研究現狀進行綜述，首先圍繞裂縫的起裂展開敘述，整理超臨界二氧化碳壓裂起裂特點，并闡述起裂研究的發展趨勢，然后對裂縫形態的研究現狀進行綜述，梳理現今學者們的研究方向與發展趨勢，最后對裂縫有效性問題進行討論，為研究人員提出建議與思路。

1 超臨界二氧化碳壓裂技術

超臨界二氧化碳壓裂從屬于二氧化碳干法壓裂，其工質為超臨界二氧化碳[8]。超臨界態是二氧化碳的一種特殊狀態，當所處壓力及溫度超過二氧化碳的臨界壓力7.43 MPa以及臨界溫度31.26 ℃時，二氧化碳就會進入超臨界態[9]，對頁巖有吸附作用[10]。在非常規油氣藏儲層中普遍存在高溫高壓狀態，超臨界狀態要求很容易達成[11]。超臨界二氧化碳性質較為特別，具體如表1所示，超臨界二氧化碳密度更接近液態，但黏度更接近于氣態，摩阻明顯低于清水[12]，擁有極強的流動性，可以輕易進入微小裂縫。超臨界二氧化碳壓裂性能優勢[13-30]如表2所示。

超臨界二氧化碳壓裂優點突出，效果良好，工質易獲取是非常理想的壓裂方法[28]，值得推廣與研究。

表1 超臨界二氧化碳性質Table 1 Supercritical carbon dioxide

2 裂縫的起裂壓力

超臨界二氧化碳壓裂具有低起裂壓力的特點，學者們對其展開大量研究，對花崗巖、泥頁巖、致密砂巖等不同巖石進行了超臨界二氧化碳壓裂實驗，并在同種巖石下與水力壓裂和液態二氧化碳壓裂進行對比，表3所示為Ishida等[31]測得的數據，通過表3可以明顯地觀察到超臨界二氧化碳壓裂的起裂壓力比油的起裂壓力小50%以上，比應用最廣泛的傳統水力壓裂起裂壓力小30%左右，優勢十分明顯。

表2 超臨界二氧化碳壓裂優勢及具體說明Table 2 Supercritical carbon dioxide fracturing advantages and specific instructions

表3 各種壓裂方法對應的起裂壓力Table 3 Cracking pressure corresponding to various fracturing methods

通過數據可以輕易確認超臨界二氧化碳具有低起裂壓力的優勢，對其起裂機理的研究必不可少。沈忠厚等[4]對此展開研究，但采用的是超臨界二氧化碳噴射破巖方法，而并非壓裂實驗。侯冰等[32]在壓力夾持下向致密砂巖中分別注入飽和水以及超臨界二氧化碳，發現與飽和水相比，超臨界二氧化碳可降低致密砂巖近15%的抗壓強度并增加近53%的脆性指數。Busch等[33]發現超臨界二氧化碳會與巖石中的碳酸鹽礦物發生反應而降低巖石物理性質，Ao等[34]在此基礎上發現吸附效應可誘導應變，也可改變巖石結構，使巖石更容易破碎。而Ishida等[26]認為超臨界二氧化碳可依靠其自身超強的流動性滲透進水基壓裂液難以滲入的孔隙之中，從而降低其起裂壓力。這些說法都具備理論依據，但無法確定起裂壓力降低的主導原因。若想確定其主導原因需要進行對比實驗，制作可溶蝕基質含量不同的巖樣和初始微孔隙具有差異的巖樣分別進行超臨界二氧化碳壓裂實驗，對比這兩組實驗起裂壓力的變化趨勢，從而明確在不同環境下超臨界二氧化碳壓裂起裂壓力較低的根本原因。

在研究起裂機理的同時也要關注到起裂壓力的外界影響因素，每個儲層的圍壓與溫度均有所不同，圍壓與溫度對起裂壓力的影響規律尚不可知。Lahann等[35]對注入二氧化碳的頁巖進行加熱，觀察其孔滲變化，但并未得出溫度與起裂壓力之間的影響規律。Zou等[36]研究地應力差與裂縫形態的作用關系，但未對地應力大小與起裂壓力深入探討。因此，對于不同地應力，不同地溫下的超臨界二氧化碳壓裂的起裂壓力研究的關注度較低。地應力大小與地層溫度對起裂壓力的影響規律需要展開壓裂實驗進行研究，不僅要分別對上述兩個變量進行探討，更要在熱力耦合狀態下進行研究，討論在真實地層條件下的起裂壓力規律。

超臨界二氧化碳壓裂起裂后，孔隙聯通，壓力快速釋放，如圖1[25]所示，此過程與巖爆有相似之處[37]，這一過程不可避免，學者們對此雖有關注但并未重視，但在實際工程中并非如實驗中僅發生一次快速卸壓，而是隨著壓裂的進行多次觸發，其產生的效果會被放大。因此這個過程有必要進行詳細研究，并需要分為兩個方面展開研究：一方面是對壓力變化幅度的研究，可將起裂壓力大小與巖石原始孔滲這兩個參數作為變量進行研究分析，總結壓力降低大小的決定因素，以推測實際工程中會產生的壓降大?。涣硪环矫嫘枰{研壓力快速變化帶來的影響，壓力快速變化勢必要帶來能量轉移與質量沖擊，作用于巖石上會對其基質產生破壞，可將壓力降低大小作為變量考慮，探究壓力降低大小與基質破壞程度的對應關系。兩個方面相互配合才能將此現象研究透徹。

圖1 超臨界二氧化碳壓裂起裂時的壓力變化[25]Fig.1 Pressure change during supercritical carbon dioxide fracturing and cracking[25]

綜上所述，超臨界二氧化碳壓裂的起裂壓力明顯低于傳統壓裂方法，但對于裂縫起裂的研究還需進一步深入。具體表現為：超臨界二氧化碳壓裂起裂機理眾說紛紜，其主導機理難以確定，建議通過對比實驗確定各種環境下不同巖石起裂的主導機理；超臨界二氧化碳壓裂起裂外界因素的影響規律需要得到重視，主要以地應力大小與地層溫度為變量，探求起裂壓力變化規律；超臨界二氧化碳壓裂起裂的瞬間壓裂液壓力會快速下降，這一過程需要仔細研究，可從壓力下降幅度與壓力下降帶來的影響這兩方面展開研究。

3 裂縫的形態

裂縫形態的研究是壓裂研究中的重點內容，超臨界二氧化碳壓裂會產生非常復雜的裂縫。Ishida等[31]通過分形維數明確地展現出來，如表4所示。Zhang等[38]使用CT更為直觀地觀測到超臨界壓裂產生的裂縫復雜程度遠勝水力壓裂。Yin等[39]認為造成復雜裂縫的原因是超臨界二氧化碳具有極低的密度與表面張力，因此超臨界二氧化碳可以進入巖石中非常小的孔隙中，并造成破壞，而且超臨界二氧化碳可以溶解某些礦物，產生新的微裂紋。而Chen等[7]關注到黏度的影響，分別使用水、油與超臨界二氧化碳3種物質進行實驗，從微觀角度觀察發現，低黏度的超臨界二氧化碳引起的裂縫沿主裂縫分支最多，表明低黏度流體的水力壓裂在巖石中形成更復雜的裂縫網絡，高黏度工質產生的斷裂更加平滑。Lnui等[40]同樣對黏度進行研究，并借助聲發射對裂縫進行觀察，并通過縱波初始運動類型對裂縫類型進行判斷，發現黏度小的超臨界二氧化碳壓裂更容易產生剪切裂縫。Shimizu等[41]使用流動耦合DEM程序分析得出相同結論。而孫小輝等[42]關注到溫度影響，建立超臨界二氧化碳壓裂溫度場模型，分析溫度對裂縫形態的影響。Zou等[36]關注到水平應力差，通過改變水平應力觀察超臨界二氧化碳壓裂效果，發現地應力對超臨界二氧化碳壓裂效果影響相對較小。蘇建政等[43]關注到頁巖層理的影響，發現層理對超臨界二氧化碳壓裂的裂縫擴展的影響較大，穿越層理的難度較大，并通過模擬的方法，在不同地應力差的情況下計算胍膠壓裂、滑溜水壓裂和超臨界二氧化碳壓裂的裂紋形態，超臨界二氧化碳壓裂產生的裂縫最為復雜。Akihisa等[44]關注到排量對裂縫形態的影響，使用3組不同流量對花崗巖進行超臨界二氧化碳壓裂實驗發現，排量越小起裂壓力越低，裂縫更加復雜。

表4 不同壓裂方法與其對應的分形維數Table 4 Different fracturing methods and their corresponding fractal dimensions

學者們從各個角度分析超臨界二氧化碳壓裂裂縫形態影響因素，但濾失性的關注度較低，而低黏度壓裂液的濾失性又非常大[45]，且難以形成濾餅[46]，因此濾失性影響不可忽略。劉光真等[47]對超臨界二氧化碳壓裂的濾失性進行系統研究，但未對濾失性與裂縫形態進行具體研究。大量濾失的超臨界二氧化碳在裂縫中快速流動，會給巖石裂縫造成一定影響。因此需要開展快速且負壓的超臨界二氧化碳流動對裂縫形態的影響研究，尤其是吼道處，需要重點觀測。

在頁巖壓裂時，經常利用燜井來提高壓裂效果[48]，主要原因是水基壓裂液可以與頁巖發生水化反應，可以通過延長反應時間而增加壓裂效果，而超臨界二氧化碳同樣具備與巖石發生反應的特性。因此，時間效應對于超臨界二氧化碳也非常重要，需通過進行時長不同的壓裂實驗，對比壓裂產生的裂紋形態差異，總結發現時間效應對超臨界二氧化碳壓裂效果的影響。

返排與巖石孔隙和壓裂液種類有關[49]。黃和鈺[50]曾仔細研究水力壓裂返排規律與縫網形態的作用關系，而超臨界二氧化碳返排與裂縫形態的研究尚有不明之處，返排速率快是超臨界二氧化碳壓裂眾多優點之一，快速返排會將微小顆粒帶離儲層，儲層巖石孔隙壓力迅速釋放，會使儲層巖石造成二次傷害，同時二氧化碳的快速返排也會對支撐劑造成回流[51]。目前對于返排帶來的影響尚未得到具體研究，因此需要進行超臨界二氧化碳在裂縫中帶壓附存一段時間后快速釋放壓力而流動的實驗，來模擬返排過程，觀察對原有裂縫的影響。

綜合上述，超臨界二氧化碳壓裂產生的裂縫非常復雜，學者們從黏度、溫度、水平應力差、層理等多個角度討論裂縫形態影響因素。但尚有部分因素還未討論：濾失作用對裂縫形態的影響需要深入探討，建議在模擬濾失狀態下進行壓裂實驗，總結濾失率與裂縫形態的影響規律；時間效應在超臨界二氧化碳壓裂中不可忽略，建議通過進行不同時長的壓裂實驗尋找時間與裂縫形態之間的關聯；超臨界二氧化碳壓裂具有快速返排的特點，快速的返排會給裂縫造成破壞，建議在壓裂后的巖石中通入快速流動的超臨界二氧化碳，模擬返排過程，觀察其裂縫變化過程。

4 裂縫有效性研究

超臨界二氧化碳產生的裂縫非常復雜，但其寬度卻非常小，如圖2[22]所示，水力壓裂的裂縫寬度是超臨界二氧化碳壓裂裂縫寬度的3～6倍，部分分叉部分的裂縫寬度相差2個數量級[52]。因此，裂縫有效性研究是十分必要的[53]。裂縫有效性研究可分為兩個方向，一個方向是裂縫有效性的評定，另一個方向是增加裂縫有效性的方法。

圖2 圍壓為12、14、16 MPa下壓裂裂縫[22]Fig.2 The confining pressure is 12, 14 and 16 MPa under the fracture[22]

首先對裂縫有效性的評定進行討論，裂縫有效性評定并非簡單地對裂縫寬度進行測量，更要充分考慮地應力場、地層溫度、裂縫走向、裂縫支撐情況以及開采周期等多個影響因素下測定其裂縫有效性[54]，這一問題很多學者均有提出。但有效性研究極為復雜，實驗上對設備的要求更高，目前難以實現精確全面的測量，需要在設備上有所改進才能在地層條件下完成超臨界二氧化碳壓裂并詳盡地評定裂縫有效性。

圖3 壓裂裂縫延伸[60]Fig.3 Fracture crack extension[60]

在裂縫較小的情況下如何增強裂縫的有效性就成為了至關重要的環節，以往通常使用支撐劑來抑制地應力造成的裂縫閉合，但超臨界二氧化碳的黏度非常低，難以將普通支撐劑送至目標位置[55]，并且由于超臨界壓裂產生的裂縫寬度較小，對支撐劑的粒徑要求較高[56]。因此學者們研究發明超臨界二氧化碳增黏劑和低密度支撐劑[57]或與其他壓裂方法聯合使用[36]去解決這些問題，但在此同時也需要尋找新的思路，在裂紋形態研究中發現超臨界二氧化碳壓裂所產生的裂縫可沿著巖石基質顆粒的邊緣延伸，如圖3所示，這造成了超臨界二氧化碳壓裂裂縫更加粗糙。其他眾多學者均發現這一特點[6，36，58]，而且裂縫表面比水力壓裂造成的裂縫更加堅硬[38]，粗糙的表面若發生錯動將會導致裂縫表面不匹配，從而形成自支撐[59]，可有效地抑制裂縫閉合。因此，對于超臨界二氧化碳壓裂裂縫面粗糙度的研究非常關鍵，筆者認為可以利用分形維數描述其粗糙度，尋找分形維數與影響因素之間的關系，指導壓裂參數致使目標儲層形成最為粗糙的裂縫。另一方面，還需研究使其發生錯動的方法，可利用地應力配合循環加載應力刺激使裂縫發生錯動，還可以研制井下工具作用于目標儲層，迫使儲層巖石發生錯動。

綜上所述，超臨界二氧化碳壓裂產生的裂縫非常小，其有效性難以保證，但裂縫有效性的精確測量難度較大，需要在測量設備上有所突破才能完成。在地應力下如何保證其有效性最大化至關重要，學者們普遍采用增黏劑和低密度支撐劑抑制裂縫閉合，除此之外，還可利用超臨界二氧化碳壓裂裂縫表面粗糙這一特點，使裂縫錯動形成自支撐，以防止裂縫閉合。

5 展望

超臨界二氧化碳壓裂優點眾多值得推廣，從提出到如今已是成果斐然，但至今還未廣泛應用，在裂縫研究中，目前需要面對的主要問題是裂縫有效性。超臨界二氧化碳壓裂雖然可以產生復雜聯通的裂縫，但裂縫開度較小，在地應力作用下容易閉合，未來還需對增黏劑和支撐劑繼續深入研究，尋找適合超臨界二氧化碳壓裂的增黏劑與支撐劑，將超臨界二氧化碳壓裂優勢最大化。超臨界二氧化碳壓裂能產生復雜的裂縫的部分原因就是因為超臨界二氧化碳的低黏度性質，增黏雖然可以增強攜砂能力，但也會影響壓裂效果；由于壓裂裂縫較窄，支撐劑粒徑需要較小尺寸，支撐劑粒徑組合上下限過大容易形成堵塞[61]，不利用導流，使用增黏劑低密度支撐劑都會存在些許弊端。因此在大力發展增黏劑和低密度支撐劑的同時，未來還需要研發新的方法，如裂縫自支撐或與其他壓裂方式結合使用，攻克上述課題將會對超臨界二氧化碳壓裂發展有著重大意義，是超臨界二氧化碳壓裂推廣的決定性因素。

6 結論

(1)超臨界二氧化碳壓裂可節約水資源并與二氧化碳封存技術結合，且壓裂效果良好，優點眾多，是一種非常優質的環境友好型壓裂方法，目前國內使用率較低，需要繼續深入研究，大力推廣。

(2)超臨界二氧化碳壓裂的起裂壓力很低，僅為傳統水力壓裂70%左右，其主導原因尚沒有定論，需要進行對比實驗來確定；外界因素對起裂壓力的作用規律需要研究，可針對壓力、溫度以及熱力耦合狀態進行分析；巖石起裂后壓力快速下降，其壓裂下降幅度以及帶來的影響需要得到具體研究。

(3)超臨界二氧化碳壓裂產生的裂縫非常復雜，學者們進行大量研究，超臨界二氧化碳濾失性較大，濾失性與裂縫形態的關系需要深入研究；時間效應也會對裂紋形態有所影響，可通過進行不同時長的壓裂實驗確定其影響規律；高返排性對裂縫形態的影響存在空白，可通過模擬返排狀態觀測裂縫形態變化。

(4)超臨界二氧化碳壓裂產生的裂縫非常小，有效性難以保障，目前評定其有效性難度較大，在研究配套增黏劑和支撐劑的同時，也可利用裂縫面粗糙特性，使裂縫形成自支撐，抑制裂縫閉合，增強其有效性。