超臨界CO2壓裂煤巖儲層增產煤層氣應用發展前景

王雅麗，李治剛，郭紅光

(太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024)

我國煤層氣資源儲量豐富，僅次于俄羅斯與加拿大[1-2]，遠高于美國和澳大利亞，但我國煤層氣產量卻始終較低。煤層氣開發緩慢的主要限制因素在于我國煤層氣儲層普遍存在壓力較低、飽和度低、滲透率低和吸附性高(“三低一高”)的屬性。而煤層氣開采技術的發展在提供清潔能源的同時又可以有效解決煤礦生產安全問題，具有十分重要的經濟及社會意義。因此，我國煤層氣資源可利用性的分析評價及有效的開發技術在未來能源消費戰略中顯得尤為重要。

據原國土資源部2018年數據顯示[3]，全國埋深2 000 m以淺煤層氣地質資源儲量約為30.05×1012m3,可采資源量約為12.50×1012m3。其中，埋深未超過1 500 m的可采資源量占總可采資源量的70%左右，是當前乃至未來一段時間內主要開采對象；埋深分布在1 000～1 500 m的可采資源量占總量的34%左右，這部分資源地質埋深較高、煤層溫度高、地應力大、滲透率低。而較低的滲透率不利于煤層中甲烷擴散與滲流，嚴重制約了煤層氣開采技術發展。因此，如何增加儲層滲透率已成為當前煤層氣有效開采的重要研究方向。本文主要探討了水力壓裂、CO2/N2氣相壓裂、液態CO2壓裂及超臨界CO2壓裂等滲透率強化技術的發展歷程，分析了超臨界CO2與其他壓裂介質在壓裂煤、巖體的實驗研究結果，闡釋了超臨界CO2壓裂技術在煤層氣綠色高效開采領域的進一步發展趨勢。

1 滲透率強化技術發展歷程

目前，煤儲層強化滲透率的方法主要借助人工誘導對礦體進行物理、化學或力學特性改造，促使煤巖體原始孔隙結構改變、孔裂隙度增加，進而提高滲透率，如水力壓裂技術、泡沫壓裂技術、水力割縫技術、CO2不同相態壓裂技術等。此外，還可結合注氣驅替技術增大甲烷的解吸速率，同時實現煤層氣開采過程中的解吸、擴散與滲流。現主要探討以常規水力壓裂等為主的滲透率強化技術的發展歷程。

1.1 水力壓裂技術

20世紀中期，HUBBERT等[4]從力學角度闡明了水力壓裂改性巖體結構的基本原理，認為高壓泵組將壓裂液經井筒不斷注入儲層的過程中，切向應力會最先達到巖石的抗拉強度，使得巖石破裂產生裂縫，最后在垂直于最小主應力的方向上逐漸形成系列裂縫，增大油氣資源的運移通道。1947年，美國最早在堪薩斯州使用水力壓裂技術試驗油井成功[5]，之后在圣胡安盆地、黑勇士盆地等盆地的煤層氣開采中應用并取得了顯著的采收效果[6]。1965年，我國撫順研究所首次采用地面鉆孔的方式將水力壓裂技術應用于煤層瓦斯治理，隨后在山西陽泉、湖南紅衛、遼寧北龍鳳等煤礦先后進行現場試驗，瓦斯治理效果顯著；20世紀90年代后，開始逐步應用于開采油、煤層氣等現場試驗[7-8]。

近些年，水力壓裂技術低成本、強適應性特點使其在油氣資源開采中占據主導地位，但隨之出現的水資源消耗與污染風險，儲層“水鎖、水敏”傷害及壓裂造縫成網困難等問題也日益突出[9-10]，因此，現階段水力壓裂技術的發展主要著重于高性能壓裂液與支撐劑的研究與應用[11-12]，以期減少儲層傷害。

1.2 氣相壓裂技術

CO2氣相壓裂技術是指利用電加熱設備使得液態CO2瞬間氣化，體積膨脹、壓力劇增時釋放出的能量對儲層進行壓裂。20世紀30年代，利用CO2液氣兩相轉化時釋放的能量進行爆破的技術最早成為了煤礦安全開采的一項重要技術。由于該技術使用惰性氣體爆破安全性能高，在爆破后可提供高產量的塊煤且不會產生過多的細粉，直至20世紀90年代，其在世界范圍內的應用仍十分廣泛[13-14]。20世紀末，我國引入CO2氣相壓裂技術，2011年開始在山西潞安煤礦進行現場試驗，用于增產煤層氣[15]；此外，該技術在煤礦井下防突、煤層卸壓、工作面快速掘進等一系列瓦斯綜合治理工作中發揮著重要的作用[16]。

近年來，隨著無水壓裂流體在世界范圍內的非常規天然氣開采中成為了新的方向，N2氣相壓裂改造儲層技術也漸漸受到了學者們的關注[17]。總體而言，氣相壓裂技術返排迅速、對儲層無傷害，同時氣體的強擴散性也可增強裂縫網絡的復雜性，提高甲烷解吸能力，是一種環保、高效的滲透率強化技術。但由于其短期增滲效果較好，更多適用于煤礦井下局部瓦斯治理工作。

1.3 液態CO2壓裂技術

1981年，美國學者最先提出使用液態CO2作為壓裂液，協同支撐劑共同壓裂地層、形成裂縫、驅替增產油氣的工藝；同年7月，加拿大將其應用于油田增產作業，采收效果顯著[18]。1982年，ALLEN等[19]詳細的闡明了液態CO2壓裂的工藝流程以及技術優勢：壓裂首先需要將支撐劑與液態CO2壓裂液在特殊的混砂設備中混合，之后經高壓泵泵送至井筒內對儲層進行壓裂，且相比于水基壓裂液，液態CO2注入井筒后，幾乎不會對水敏性地層造成傷害，同時壓裂后的返排更加徹底迅速。21世紀初，我國引入該項技術，先后應用于石油、天然氣、頁巖氣開采等眾多領域[20]。2008年，首次在安徽淮北成功壓裂煤層氣井，實現了我國煤層氣開采技術的又一次重大突破[21]。

液態CO2壓裂技術的發展雖可在一定程度上緩解水資源壓力、減少儲層傷害，但也存在許多問題，如液態CO2摩擦阻力高、攜砂性能差、濾失量大等，此外還需要專門的密閉混砂設備，投入成本較高。因此，近年來，如何增稠降阻仍是該技術主要研究與發展趨勢[22]。

1.4 超臨界CO2壓裂技術

當CO2所處的溫度與壓力超過臨界值后(T>31.060 ℃，P>7.390 MPa)，就會進入超臨界狀態。超臨界CO2是介于氣體和液體之間的一種流體，同時具有氣體、液體的雙重特點：其黏度較小近似于氣體、而密度較高接近于液體、擴散系數較大、壓縮性較強、表面張力接近于零[23]。

2010年，沈忠厚等[24]最先提出將超臨界CO2流體用于連續鉆井技術，并分析了該技術的可行性與技術優勢，認為超臨界流體獨特的物理特性可加快破巖速度、增大攜巖能力，同時能有效保護儲層。2011年，王海柱等[25]提出了超臨界CO2開發頁巖氣技術，指出CO2在井筒內很容易可以達到超臨界狀態，同時在滲流中可實現驅替置換微裂隙中甲烷的功效，從而達到增產的效果；該項技術的提出為煤層氣儲層的增透改性提供了又一新思路：將超臨界CO2流體作為攜砂液，混入支撐劑高壓注入煤層后，其低黏度、強擴散性特性使得流體更易于進入微小孔裂隙結構中，形成較為復雜的裂縫網絡結構，拓寬氣體運移通道。此外，超臨界CO2不僅能驅替煤層中甲烷，加快甲烷解吸速率，提高產出速率[26]；還可溶解萃取煤基質中的部分有機質，促使煤體孔隙結構進一步改善，煤層透氣性增大[27-28]。超臨界CO2壓裂時除高壓密閉混砂設備外，為保證CO2順利泵入井內且在淺部煤層壓裂時仍一直處于超臨界狀態，還需配備泵組降溫裝置及地面加熱裝置。2017年，該技術首次在我國陜西延安地區進行了現場測試，增產效果提高40%以上[29]。

采用超臨界CO2壓裂技術改造儲層時，CO2成本低、來源廣；壓裂儲層無傷害；造縫成網效果更佳；返排徹底，此外還可實現CO2的地質封存。但超臨界CO2攜砂性差、摩擦阻力高、壓裂增產機理研究不足，缺乏多角度綜合機理研究，因此，關于超臨界CO2壓裂儲層的研究應多從物理、化學及力學多重角度入手，以期在綜合改造的基礎上提高煤儲層滲透率和煤層氣產量。

2 不同壓裂介質增透改性煤巖儲層研究進展

本文詳細整理了近五年來有關于水力、液態CO2與新興超臨界CO2壓裂煤、巖體的實驗研究。并從起裂壓力及時間變化規律，裂縫擴展延伸規律以及壓裂前后試樣滲透率變化規律等三個方面進行分析與探討。

2.1 起裂壓力及時間變化規律研究

由表1可以看出，以水作為壓裂介質時，頁巖與煤樣的起裂壓力值分別為30.80 MPa、17.07 MPa；起裂時間分別為150.00～600.00 s、36.46 s左右。以液態CO2作為壓裂介質時，頁巖與煤樣的起裂壓力值分別為17.68 MPa、11 MPa；起裂時間分別為600.00 s、50.00 s。以超臨界CO2作為壓裂介質時，頁巖與煤樣的起裂壓力值分別分布在15.20 MPa左右以及10.33～12.05 MPa之間；起裂時間分別為700.00 s、69.65 s。

表1 不同壓裂介質實驗中起裂壓力及時間變化規律Table 1 Change rule of initiation pressure and time for hydraulic,L-CO2 and Sc-CO2 fracturing

對比不同壓裂介質的起裂壓力，頁巖超臨界CO2壓裂時起裂壓力值比水、液態CO2分別低50.65%、14.03%；而煤樣超臨界CO2壓裂時起裂壓力值比水、液態CO2分別低39.48%、6.10%。因此，煤、巖水力壓裂時起裂壓力值最高，液態CO2壓裂次之，超臨界CO2壓裂時起裂壓力值最低。這主要是由于低黏度、強擴散性超臨界CO2流體作用于頁巖后，可有效地滲流到巖石的微小孔隙中，促使孔隙壓力增大、有效應力值降低。而超臨界CO2流體注入煤體過程中不僅能實現孔隙的增壓，還可萃取部分有機質，改變煤體孔裂隙結構，降低了煤體的抗拉強度、彈性模量等力學特性，引起起裂壓力值的降低。

對比不同壓裂介質的起裂時間，頁巖超臨界CO2壓裂時起裂時間為水的1.2～4.7倍，液態CO2的1.2倍；煤樣超臨界CO2壓裂時起裂時間約為水的2.0倍，液態CO2的1.4倍。因此，煤、巖水力壓裂時起裂時間最短，而超臨界CO2壓裂時起裂時間最長。這主要是由于超臨界CO2比其他壓裂介質的黏度更低、擴散性更強，壓裂煤巖體初期有效滲透壓較小，需要較長的時間增大孔隙壓力，導致起裂時間相對延長。

2.2 裂縫擴展延伸規律研究

不同壓裂介質壓裂煤、巖儲層時，裂縫擴展延伸規律主要可體現在主裂縫數量、長度及延展方向、衍生裂縫發育程度及延展性、裂縫表面粗糙與復雜程度等多方面。

2.2.1 頁巖壓裂后裂縫延伸規律

圖1～圖3分別為頁巖水力壓裂、液態CO2壓裂、超臨界CO2壓裂后的CT掃描圖像[30]。頁巖實驗規格為200 mm×200 mm×200 mm，溫度分別設置為60 ℃、18 ℃、60 ℃，注入速率30 mL/min，應力條件(σv/σH/σh)為12 MPa、10 MPa、8 MPa。

圖1 頁巖水力壓裂后層理面與垂直層理面的CT掃描圖像Fig.1 CT scan images of the bedding plane andthe vertical bedding plane with hydraulicfracturing in shale

圖2 頁巖液態CO2壓裂后層理面與垂直層理面的CT掃描圖像Fig.2 CT scan images of the bedding plane andthe vertical bedding plane withliquid CO2 in shale

圖3 頁巖超臨界CO2壓裂后層理面與垂直層理面的CT掃描圖像Fig.3 CT scan images of the bedding plane andthe vertical bedding plane withsupercritical CO2 in shale

關于壓裂后主裂縫數量、長度及延展方向等的變化規律，從圖1～圖3可以看出，水力壓裂后兩個面均形成單一的貫穿性主裂縫，主裂縫長度為190～203 mm，沿垂直層理或平行層理方向擴展。液態CO2壓裂后層理面形成了兩條近乎平行的主裂縫(圖2(a))，裂縫長度為188～212 mm，與最大水平主應力方向成一定的角度擴展；而垂直層理面(圖2(b))形成了一條約為180 mm的主裂縫，與軸向方向成一定角度擴展。導致主裂縫擴展方向改變的原因主要是液態CO2流體在壓裂過程中比水更易于滲入巖體的巖性弱面，致使主裂縫擴展方向不平行或不垂直于層理面。超臨界CO2壓裂后兩個面均形成了兩條相交的主裂縫，且裂縫長度最長可達280 mm左右(圖3(a))。這可能是由于超臨界CO2的強擴散性能使各孔隙之間的連通性加大，導致主裂縫擴展方向更為多樣。因此，超臨界CO2壓裂后形成的貫穿性主裂縫數量最多、長度最長、擴展方向最豐富。

關于壓裂后衍生裂隙的發育程度及延展性的變化規律可以看出，水力壓裂后主要生成3條次生裂縫，且延展性最好的次生裂縫長度可達72 mm(圖1(b))。液態CO2壓裂后會形成數量較多的層理裂縫，長度在100～140 mm之間(圖2(b))。而超臨界CO2壓裂后衍生裂隙數量最多，其中，層理裂縫的長度在50～60 mm之間，次生裂縫長度為20～30 mm(圖3(b))。因此，水力壓裂或液態CO2壓裂后主要形成單一的延展性較好的次生裂縫或層理裂縫，而超臨界CO2壓裂后次生裂縫以及層理裂縫的延展性略差，但衍生裂隙總體發育程度較高。

此外，關于壓裂后裂縫的擴展路徑的曲折程度變化可以看出，水力壓裂后，裂縫擴展路徑較為平直(圖1)。液態CO2壓裂后，裂縫擴展過程中出現部分斷開或更多彎折，致使裂縫擴展路徑趨于曲折，裂縫表面粗糙度增大(圖2(a))。超臨界CO2壓裂時，受低黏度流體強滲透性作用影響，裂縫擴展路徑更為曲折，裂縫表面粗糙度最大(圖3)。因此，水力壓裂后裂縫擴展路徑最平直，而超臨界CO2流體壓裂過程中更易于溝通原生微裂隙，致使裂縫擴展路徑最為曲折。

綜上所述，與其他壓裂介質相比，頁巖超臨界CO2壓裂后形成的主裂縫的數量最多、長度最長、擴展方向最豐富；衍生裂縫的數量最多，延展性較好；裂縫的擴展路徑最為復雜曲折，最易于形成復雜的裂縫網絡結構。

2.2.2 煤樣壓裂后裂縫延伸規律

圖4分別為煤樣水力壓裂、液態CO2壓裂、超臨界CO2壓裂后圖像[32-33]。可以看出，水力壓裂后僅形成單一的沿軸向斷裂式主裂縫(圖4(a))；液態CO2高流速(50 mL/min)注入煤體時，其單位時間的擴散能力會進一步加強，壓裂較易于進入微孔裂隙中，最終形成了多條垂直或水平相交的復雜主裂縫(圖4(b))；超臨界CO2壓裂后形成的主裂縫數量較多，且以沿平行層理方向擴展的裂縫為主(圖4(c))。

圖4 煤樣不同介質壓裂后圖像Fig.4 Images of coal sample after fracturing with hydraulic,liquid CO2 and supercritical CO2

煤樣壓裂后主裂縫的長度普遍較長，部分可擴展至試樣界面，甚至直接破裂。文虎等[34]的現場試驗結果更是表明，液態CO2壓裂后的裂縫半長是水力壓裂的2倍左右，可達10～20 m；而王磊等[32]的實驗結果表明，水力壓裂后裂縫的寬度大部分位于0.45～0.85 mm之間，而超臨界CO2壓裂后表面裂縫寬度主要集中在0.05～0.45 mm之間。

煤樣壓裂后衍生裂隙發育程度及延展性變化規律與巖樣相似，且隨水平應力差改變呈現出較大的差異性影響。圖5為4 MPa水平應力差條件下(14 MPa、16 MPa、12 MPa)，煤樣水、超臨界CO2壓裂后垂直層理面圖像[32]。可以看出，水力壓裂后生成的次生裂縫數量較多(圖5(a))；超臨界CO2壓裂后生成的層理裂縫數量較多且延展性較好，可擴展至試樣界面(圖5(b))；次生裂縫數量略少，且延展性不及層理裂縫，未能擴展至試樣界面(圖5(c))。因此，在較小水平應力差條件下，煤樣超臨界CO2壓裂后衍生裂隙發育程度較高，且層理裂縫的延展性優于次生裂縫。這主要是由于在較小水平應力差條件下，層理弱面存在對衍生裂縫的形成起決定性作用。而超臨界CO2流體擴散性能優于水，壓裂時會優先沿著層理弱面性較大的裂縫進行滲流，形成更多延展性較好的層理裂縫。

圖5 煤樣4 MPa水平應力差條件下垂直層理面圖像Fig.5 Images of vertical bedding plane under the conditionof 4 MPa horizontal stress difference of coal sample

圖6為6 MPa水平應力差條件下(14 MPa/16 MPa/10 MPa)，煤樣水、超臨界CO2壓裂后垂直層理面圖像[32]。可以看出，隨著水平應力差的增大，水力壓裂及超臨界CO2壓裂后衍生裂縫發育程度均有所下降，主裂縫延伸過程中只形成少量次生裂縫，且次生裂縫的延展性較差。因此，煤樣低水平應力差條件下衍生裂隙的發育程度較高、延展性較好，更易于形成的復雜裂縫網絡。隨著水平應力差的增大，衍生裂縫數量逐漸減少，延展性變差。

圖6 煤樣6 MPa水平應力差條件下垂直層理面圖像Fig.6 Images of vertical bedding plane under the conditionof 6 MPa horizontal stress difference of coal sample

此外，壓裂后裂縫擴展路徑及裂縫表面粗糙程度受水平應力差的影響較大，在不同壓裂介質作用下呈現出相似的變化規律。當水平應力差較小為4 MPa時，裂縫擴展路徑受原始層理裂縫的存在會出現較多偏折(圖5)。隨著水平應力差繼續增大到6 MPa時，水力壓裂或超臨界CO2壓裂后裂縫主要沿軸向方向擴展，且主裂縫延伸過程中雖仍發生部分偏折，或生成較少的次生裂縫，但裂縫擴展路徑總體趨于平直(圖6)。而圖7為液態CO2在不同水平應力差條件下裂縫擴展圖[33]。可以看出，8 MPa水平應力差條件下壓裂時(圖7(b))，試件沿著平直的主裂縫直接破裂，且裂縫表面也比6 MPa水平應力差條件下更為平整(圖7(a))。因此，煤樣壓裂后裂縫擴展路徑會隨水平應力差的增大而趨于平直，裂縫表面粗糙度隨之下降。

圖7 煤樣液態CO2不同水平應力差壓裂后圖像Fig.7 Images of coal sample under differenthorizontal stress difference with liquid CO2

綜上所述，煤樣液態CO2高流速壓裂及超臨界CO2壓裂后形成的主裂縫的數量較多、擴展方向豐富多樣。低水平應力差條件下，超臨界CO2壓裂更利于層理裂縫及次生裂縫的擴展延伸；高水平應力差條件下，不同壓裂介質作用后均以平直主裂縫的擴展為主，且裂縫表面粗糙度較小。

2.3 滲透率變化規律研究

滲透率變化作為儲層增透效果最直觀的體現，常以滲透率數量級變化進行表征。表2總結了部分水力壓裂、超臨界CO2壓裂煤、巖儲層前后滲透率變化情況。由表2可以看出，頁巖水力壓裂后滲透率提高了約2個數量級，超臨界CO2壓裂后滲透率提高了3～5個數量級；煤樣水力壓裂后滲透率提高了1～2個數量級；超臨界CO2壓裂后滲透率提高了2～3個數量級。

表2 水力壓裂、超臨界CO2壓裂頁巖、煤樣前后滲透率變化規律Table 2 The change rule of permeability in shale or coal sample before and after fracturing by hydraulic and Sc-CO2 fracturing

這表明，煤巖儲層超臨界CO2壓裂后滲透率數量級變化量總體大于水力壓裂。其中，頁巖超臨界CO2壓裂后滲透率數量級變化量是水力壓裂的1.5～2.5倍；而煤樣超臨界CO2壓裂后滲透率數量級變化是水力壓裂后的1.5～3.0倍。因此，超臨界CO2壓裂在煤、巖儲層中均可實現較好的增透效果。

3 結 論

1) 煤、巖水力壓裂時起裂壓力最高，起裂時間最短；超臨界CO2壓裂時滲透性極強，壓裂前期主要致力于增加孔隙壓力，降低了有效應力，進而導致了起裂壓力比水、液態CO2低，起裂時間最長。

2) 煤、巖不同介質壓裂后裂縫擴展規律差異明顯：水力壓裂后形成的裂縫數量有限，衍生裂隙發育程度略低，裂縫擴展形式單一；液態CO2壓裂后裂縫主要以層理裂縫擴展為主，貫穿性主裂縫數量優于水力壓裂，但次生裂隙數量較少，難以形成復雜的裂縫網絡結構；超臨界CO2壓裂后裂縫數量多且分布廣，裂隙寬度雖不及水力壓裂，但貫穿性主裂縫數量多且衍生裂隙的延展性較好，層理裂縫及次生裂縫的復雜程度最高。

3) 煤、巖超臨界CO2壓裂后滲透率數量級的變化量分別約為水力壓裂的1.5～3倍、1.5～2.5倍。特別是對于煤中有機質而言，由于超臨界CO2對煤體的溶蝕作用，滲透率的強化效果更為顯著。