scCO2 強化頁巖氣開采與地下封存一體化展望

蘆升彥，范鵬鵬

（長江大學 地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100）

頁巖氣一般生長在泥質巖層中，其氣藏在孔隙結構、滲流規律以及賦存形式等方面都與常規氣藏有顯著的差異，開采難度很大[1]。迄今為止，美國的頁巖氣革命成效顯著，世界諸多國家相繼對頁巖氣成功進行了商業性開發。中國油氣對外依存度高，常規油氣資源有限，因此，高效開發以頁巖氣為主的非常規天然氣是我國緩解能源緊缺局勢、改善能源結構最有效的方式。我國頁巖氣儲量十分豐富，期望值可達134420 億m3，其中當前可采儲量占20%，具有良好的開發前景，但開采難度較大。開發現場多利用水力壓裂技術對頁巖儲層實施人工改造，增大儲層滲透率，進而實現其開發和穩產[2]。水力壓裂對地層傷害較大，壓裂體積改造效果差，單井產能和采收率低，導致頁巖氣的經濟可采儲量大幅度下降[3]。

scCO2-ESGR 技術不僅能夠起到強化頁巖氣高效開采，代替水對頁巖儲層實施破巖和壓裂，同時可實現將殘余的CO2就地封存于頁巖儲層中，實現利用與封存共贏。盡管目前我國二氧化碳驅油技術，已在油田開發現場得到了廣泛應用[4]，但關于scCO2-ESGR 技術的研究仍處于實驗室研究和探索試驗階段，因此，需要加強對其機理與關鍵技術等多方面的分析和研究。

1 超臨界CO2 特性

伴隨scCO2-ESGR 技術的提出和應用，CO2在頁巖氣開發方面大顯身手。CO2在常規情況下以氣體的形式存在，無色、無毒且物理化學性質穩定，其密度是空氣的1.53 倍。如圖1 所示，CO2的三相點為－56.56℃（216.59K）、0.52MPa，臨界點為31.10℃（304.25K）、7.38MPa。隨著施加于CO2溫壓的不斷增大，CO2不斷液化，達到臨界點后，CO2進入超臨界態。

圖1 CO2 相態圖Fig.1 Phase diagram of carbon dioxide

在頁巖儲層高溫高壓的環境下，CO2處于超臨界狀態，物理性質極不穩定。scCO2既不同于氣體又不同于液體，卻兼顧兩者的特性，是一種具有特殊性質的相態[5]。其具有許多獨特的物理化學性質：密度接近于水，溶劑化能力強；黏度非常低，接近于氣體；傳質和傳熱性能良好；界面張力幾乎為零，可迅速進入頁巖儲層微觀孔隙中；易流動、摩阻系數低[6]。scCO2這些獨特的物化性質決定了其在頁巖氣開發過程中必然起到重要的作用。

2 scCO2-ESGR 技術

scCO2-ESGR 技術以scCO2代替常規的壓裂液，利用CO2驅替頁巖層中的CH4，并同時對CO2實施封存，其關鍵技術包括scCO2破巖、致裂和增滲，CO2置換驅替頁巖氣及CO2封存。

2.1 射流破巖

scCO2射流破巖是將CO2輸送到地層深處，使其進入超臨界狀態，應用CO2破巖閾壓較低的特性實施破巖[7]。目前，對于scCO2射流破巖技術的研究，大多集中于采用實測和模擬方法對其攜砂能力、破巖參數及沖擊效果進行分析和評價。

Kollé[8]等首次將scCO2射流技術應用于破巖試驗，結果表明，CO2的破巖閾壓比水要低很多，其鉆進速度是用水的3 倍以上。程宇雄[9]等開展了scCO2射流和水射流沖擊壓力對比實驗，得出scCO2射流的沖擊效果明顯優于水射流。賀振國[10]等的實驗結果表明，scCO2流體具有良好的顆粒攜帶能力，可有效進行高效沖蝕切割作業。黃飛[11]等對不同灌注壓力下CO2射流破巖的效果進行研究，結果顯示，經CO2沖蝕后，頁巖呈大面積網格化層狀破碎，其力學特性降低，微觀結構發生變化，破巖效果顯著。杜玉昆[12]等開展了scCO2破巖室內實驗，得出scCO2破巖體積是水的1.73～6.51 倍，射流噴射后巖石強度降低。scCO2射流破巖技術在鉆進速度、顆粒攜帶能力、破巖體積及沖擊效果等方面都存在較大的技術優勢。同時CO2射流沖擊剪切力與剝蝕力更強，噴嘴壓能損耗更低，熱破裂作用更大，破巖范圍更廣。

2.2 壓裂增滲

以scCO2為壓裂液不會引起黏土礦物發生物性變化，可有效規避卡鉆和孔隙喉道堵塞現象的發生。scCO2壓裂與常規壓裂技術的優缺點對比見表1。國內外研究學者大多結合室內實驗、數值模擬及理論模型，對scCO2壓裂頁巖儲層后的裂縫擴展、起裂壓力及增滲效果等進行研究。

表1 scCO2-ESGR 技術與常用CO2 封存技術對比Tab.1 ScCO2-ESGR technology and commonly used CO2 storage technology comparison

Zhang[13]分別以scCO2、液態CO2及水對模擬頁巖儲層實施壓裂，得出超臨界CO2更易導致儲層形成次生裂縫，裂縫延展效果最好。Bennour[14]基于聲波監測裝置，開展了高稠油、H2O 及液態CO2的儲層壓裂對照試驗，對比了不同應力條件下地層壓裂后的裂縫形態，結果表明，CO2壓裂后裂縫的延伸范圍最大。Li[15]等通過對CO2、H2O 和N2在頁巖儲層改造中的表現進行對比，結果顯示CO2的造縫性更強，其壓裂形成的裂縫表面粗糙程度最大。蘇建政[16]等對scCO2壓裂裂縫延伸與擴展機理進行了研究，得出scCO2可弱化地應力對裂縫的約束能力，大幅度降低裂縫的起裂壓力。盧義玉[17]等通過室內實驗，對比了真三軸scCO2與水力壓裂后的裂縫延伸規律，結果顯示scCO2壓裂后儲層有多次起裂，裂縫呈多條網格化分布。陳立強[18]等結合scCO2起裂壓力模型，開展了H2O、液態CO2及scCO2起裂壓力對比實驗，發現scCO2的起裂壓力最低。

綜合以上研究，scCO2因其滲透性強、摩阻低、增壓效果顯著等特點，更易與天然裂縫連接，導致脆性巖石的剪切滑移，促使儲層裂縫向四周延伸，大幅度提高儲層的滲透率。當前超臨界CO2壓裂技術仍處于起步階段，對裂縫的延伸規律尚沒有全面系統的研究。目前，該技術仍面臨加砂規模無法進一步擴展和管柱摩阻相對較大的技術難題。

2.3 置換驅替

超臨界CO2置換驅替頁巖氣是一個復雜的動態過程，CO2和CH4的競爭吸附作用是CO2置換CH4的關鍵機理。頁巖氣儲層中富含多種有機質，這些多孔無序的有機質微觀結構復雜，孔隙表面極不平整，吸附能力極強。以超臨界CO2為基液對地層進行壓裂后，由于CO2的吸附能力更強，因此，可替換吸附于孔隙表面的CH4，同時在對頁巖儲層破巖和壓裂后，會形成更為復雜的縫網結構，導致更多的頁巖氣被置換出來。目前，關于scCO2置換驅替頁巖氣機理的研究還沒有系統性的綜述性報道，本文對此進行了相關總結。

Sun[19]等建立了新型雙孔隙數學模型，結合數值模擬對CO2開采頁巖氣的效果進行了探討，結果顯示，增大CO2的灌注壓力不僅可提高CH4的置換率，同時可加快CO2的流動，減少穿透時間。Kim[20]等研發了CO2驅替CH4模型，并對比了CO2在Barnett 盆地、Marcellus 盆地的現場應用效果，得出與吞吐法相比，CO2驅替CH4置換率更高。Li[21]等構建了CO2與CH4雙組分傳輸模型，對灌注壓力對CO2驅替CH4效果的影響進行了剖析，發現灌注壓力與CH4置換率呈正相關。史云清[22]等對低滲致密氣藏注scCO2的驅替過程進行了研究，并從試驗和數值模擬兩方面論證了scCO2的驅替機理。王千[23]等對CO2驅替方式對儲層物理性質變化的影響進行了研究，發現參與流動孔隙的大小、顆粒運移的能力及CO2與儲層巖石和地層水的相互作用程度是導致驅替后巖石物性變化的主要原因。李毅[24]等結合瞬時吸附模型與時間依賴模型對CO2驅替CH4的效果進行了研究，得出吸附解吸的時間越長，頁巖氣的驅替量越低。

綜合已有的研究結果，CO2的灌注壓力、驅替方式及吸附解吸時間等都會對驅替效果產生一定的影響。由于有機質對CO2的選擇性系數更大，且在相同壓力梯度下，CO2的流動性比CH4低的多[25]，很容易促使CH4從頁巖氣有機質中驅替出來。

2.4 封存

與常規的CO2埋存相比，scCO2-ESGR 技術有明顯的優勢，在保證CO2長期穩定儲存的前提下，實現CO2資源化處理，并帶來直接的經濟效益，同時大幅度降低了封存工藝的安全風險和環保壓力。Tao[26]等研發了新型算法對Marcellus 盆地的CO2封存能力進行了估算，得出到2030 年，該地區頁巖儲層可儲存10.4～18.4 億t 的CO2。Sun[19]等基于克努森擴散和Fick 擴散原理，研發了CO2和CH4雙重孔隙傳遞模型，對不同灌注壓力下CO2開采頁巖氣的效果進行了研究，發現隨著灌注壓力的升高，CO2的封存量變大。

由表1 可以看出，scCO2-ESGR 與常用的CO2封存技術相比，優勢明顯。但也存在一定的操作風險和安全隱患，需要利用相關技術對其封存系統的完整性進行定性和定量的研究和分析，深挖封存過程中潛在的泄露風險。

3 技術評價

3.1 技術優越性

高效致裂頁巖層，增加儲層滲透性。scCO2具備類似液體的高密度，可實現對頁巖儲層實施壓裂。scCO2流體儲層傷害低污染小。以scCO2為介質，可節約大量的水資源，適合于我國的國情。scCO2的破巖門限壓力很低，噴射鉆井時可達到較高的機械鉆速。

高效置換驅替頁巖氣，實現封存一體化。有機質對CO2的吸附能力是CH4的4～20 倍，可實現高效驅替儲層中的CH4，顯著提升氣井單井產量。scCO2表面張力接近于零，黏度小，擴散性強，驅替頁巖氣效率高。節約水資源，實現CO2資源化處理，將殘余的CO2就地封存于頁巖儲層中，可緩解溫室效應，改善全球氣候條件。

3.2 面臨的挑戰

相關機制和技術不夠完善。至今仍未找到一種可對頁巖儲層進行精細表征的地球物理方法，對于優質頁巖儲層的預測和評價尚沒有統一的標準。CO2壓裂液的攜沙能力較弱，低支撐劑濃度下裂縫易閉合，對頁巖氣開采極為不利。需要建立適用scCO2開采頁巖氣的安全評價-理論監測方法體系。

投資成本高，安全與環保壓力大。超臨界CO2作業設備的投資和建設成本比常規作業高的多，CO2的輸送和保存過程中耗費資金較大。液態CO2的性質極不穩定，在高壓傳送過程操作不當會引起大面積泄露導致人員傷亡。一旦后期封存失敗，泄露的CO2會造成埋存地區地下水、植被和土壤等生態系統的破壞[30]，加重溫室效應。

4 展望

scCO2強化頁巖氣開采與地下封存一體化技術因其具有節能減排和高效開采頁巖氣的特點，已成為未來頁巖氣開采和發展的新方向。scCO2-ESGR技術以scCO2代替常規的水，利用CO2驅替儲層中的CH4，并對殘余的CO2就地埋存，達到了"封存與利用相融，減排與效益雙贏"的目的。我國scCO2-ESGR 技術尚未成熟，許多關鍵技術有待解決，諸多專家和學者進行了大量超臨界CO2鉆井、破巖、壓裂方面的理論與實驗研究，取得了初步成果。但受技術設施不完善、儲層表征模糊及諸多工程風險問題的限制，scCO2-ESGR 技術的研究步伐十分緩慢。建議積極開展scCO2射流、壓裂、置換、驅替等方面的理論研究，同時加強現場的相關技術性和經濟性評價，為該技術的規模商業化發展鋪平道路。