隨著頁巖氣開發(fā)熱潮的興起，“水力壓裂”這個原本專業(yè)性很強的術語也變得耳熟能詳。雖然水力壓裂技術已廣泛應用于常規(guī)油氣開采，但如何將該技術應用于吸附氣比重極大的頁巖氣、提高單井產(chǎn)量，仍是擋在頁巖氣“美好前景”面前的一道門檻。
不僅如此，在環(huán)保主義者眼中，水力壓裂不但浪費水資源，還會污染地下水，改變地應力誘發(fā)地震……在水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱的中國，若要實現(xiàn)頁巖氣的大范圍開采，必須考慮并規(guī)避水力壓裂可能帶來的風險。
2004年，中國工程院院士、中國石油大學教授沈忠厚提出用超臨界二氧化碳代替水做壓裂液。當溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳氣體就變成超臨界態(tài)。超臨界二氧化碳擁有的神奇特性——密度接近于水;粘度非常低，接近于氣體;表面張力接近于零——幾乎可以解決水力壓裂帶來的所有難題。近日，沈忠厚院士的秘書、中國石油大學油氣井工程專業(yè)博士后王海柱向記者介紹了超臨界二氧化碳開采頁巖氣的大膽設想和研究進展，為頁巖氣開發(fā)提供了一種新的可能。
中國能源報：和常規(guī)油氣相比，頁巖氣的儲層和開發(fā)有什么特點?
王海柱：常規(guī)油氣多是在裂縫、孔隙中，處于游離狀態(tài)，吸附含量非常少，很容易就能開采出來。而頁巖氣80%或更高則吸附于巖石顆粒和有機質(zhì)表面，不解析采不出來。剩下的少量處于游離狀態(tài)(貯存于孔隙裂縫中)和溶解狀態(tài)(溶解在地層水和液態(tài)烴中)。
頁巖氣開發(fā)過程中，只有很少一部分游離氣先被開發(fā)出來。游離氣出完之后，剩下的吸附氣或溶解氣采出速度很慢。所以打井之后頭一年產(chǎn)量很高，但遞減的非常快，之后就是一段穩(wěn)定期，一般頁巖氣井能采二三十年或更長時間。四川有的井頭一年產(chǎn)量高達幾萬方或十幾萬方，穩(wěn)定之后一天就幾千方，這個特點決定了頁巖氣的投資回收期很長。
頁巖氣吸附量受有機碳含量、粘土礦物含量、地層壓力和溫度等多個因素的影響。其中粘土對吸附氣的影響很大。頁巖的百分之四十到五十是粒徑為5-63微米的粘土顆粒。顆粒越小，比表面積(表面積相對于體積的比值——編者注)越大，甲烷的吸附含量越高。所以粘土含量越高，每噸巖石的含氣量越大，開發(fā)價值就越高。
但這就出現(xiàn)了一個問題。頁巖的孔隙很小，粘土遇水一膨脹就完全堵死了流通通道，氣也出不來了。美國人在水力壓裂的水中加入防膨劑等很多藥劑，不但造成污染，而且無法從根本上避免膨脹。現(xiàn)在加拿大美國有研究用LNG或液態(tài)的烴類物質(zhì)壓裂，但成本很高。此外，單口井壓裂需要1-2萬方水，水資源對我們國家來說也是非常大的負擔。
中國能源報：所以你們開始探索新的壓裂手段?
王海柱：對，早在2000年，美國tempress公司做了先導性的超臨界二氧化碳射流破巖實驗，效果非常好，破巖門限壓力(使巖石破碎的最小噴射壓力——編者注)遠遠小于水的破巖門限壓力。這樣可以大幅提高鉆井速度，對于鉆井的意義非常大。
當溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳氣體就變成超臨界態(tài)。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特物理化學性——密度接近于水，能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強;黏度非常低，接近于氣體，易流動、摩阻系數(shù)低;擴散系數(shù)大于液體，傳熱、傳質(zhì)性能良好;表面張力接近于零，可進入到任何大于超臨界流體分子的空間。
后來我們?yōu)榱蓑炞C結論，開始做實驗，發(fā)現(xiàn)效果非常好。超臨界二氧化碳進行破巖實驗的時候測得了兩個巖樣的壓力，我們在花崗巖中，用水的破巖壓力是75兆帕，超臨界二氧化碳是50兆帕，僅為水的67%，在頁巖中，水的破巖是124兆帕，超臨界二氧化碳壓力是55兆帕，只是水的44%。
其實常規(guī)二氧化碳驅油已經(jīng)被應用在油田開采中，在吉林油田取得了良好的效果。2004年，沈忠厚院士提出用超臨界二氧化碳鉆井、完井、采油、壓裂、增產(chǎn)最后埋存的一體化的成套技術。目前沈院士帶領我們十幾人的團隊主要在做基礎理論工作，并逐漸把理論轉化為技術。我們做了一些實驗，也申請了幾項專利，鉆井效果肯定沒有問題，開發(fā)方面正在做機理研究。目前這個項目已被列為國家自然基金重點項目，也和中石油有合作，但要想實現(xiàn)完全商業(yè)化的應用，可能還需要幾年時間。
中國能源報：除了提高鉆井速度，超臨界二氧化碳還有什么優(yōu)勢?
王海柱：超臨界二氧化碳鉆井速度快是毋庸置疑的，而且對儲層沒有傷害。常規(guī)水力壓裂水進入頁巖層中，粘土膨脹，除了堵塞孔隙，膨脹的粘土還會造成井壁垮塌，把鉆桿和鉆頭等井下工具埋在井下。之前西南石油大學的陳平教授也講到，鉆井過程中井壁垮塌嚴重是制約頁巖氣井長水平段鉆井的主要技術難點。所以既要選擇環(huán)保的開采方式，還要對鉆井安全有利、保護儲層。超臨界二氧化碳不含固相顆粒也不含水，對儲層沒有任何污染。
儲層有一些小的裂縫，常規(guī)壓裂液是進不去的。但超臨界二氧化碳黏度低，更容易溝通細小的裂隙，同時更容易在頁巖層中壓出多而復雜的微裂縫，提高單井產(chǎn)量和采收率。
超臨界二氧化碳流體的密度非常大，溶劑化能力非常強，可以溶解我們近井地帶重油組分，為輸送通道減少油氣阻力。其次還可以使粘土礦物脫水，脫水之后粘土礦物顆粒會變小，可以增大孔隙和滲透率。其表面張力幾乎為零，能夠進入很細小的孔隙，可以高效置換甲烷。二氧化碳與頁巖層的吸附能力要遠遠大于甲烷與頁巖層的吸附能力。利用這個特點，我們可以將超臨界二氧化碳注入儲層中，用它替換儲層中的甲烷。這么做有兩個好處，一是提高單井產(chǎn)量，二是超臨界二氧化碳可以埋存在地下，避免溫室效應。
中國能源報：超臨界二氧化碳容易獲得嗎?和水力壓裂相比經(jīng)濟性如何?
王海柱：大家經(jīng)常問氣源是否經(jīng)濟劃算，我國近幾年二氧化碳年產(chǎn)量在六百萬噸左右，主要來源是電廠、鋼廠等工業(yè)廢氣回收。只有15%左右來自氣田開采。現(xiàn)在在頁巖氣富集地區(qū)如四川、貴州、重慶都有二氧化碳回收企業(yè)，有條件實施超臨界二氧化碳開采。
目前我國二氧化碳的回收量是排放量的冰山一角，大量的二氧化碳沒有被回收利用，其中一個主要原因是回收的二氧化碳沒有市場，直接埋存又沒有經(jīng)濟價值，無法刺激回收企業(yè)的積極性。如果以后能成功應用于頁巖氣井的壓裂開采，那將是很大的一個市場，不僅能夠促進二氧化碳回收行業(yè)的快速發(fā)展，還能在提高頁巖氣產(chǎn)量的同時將二氧化碳埋存在地下，實現(xiàn)減排增效，實現(xiàn)化石能源的綠色開發(fā)。
目前市場上二氧化碳價格在200到500元每噸(純度99.9%以上)，水力壓裂的壓裂液每方在700到1000元左右。雖然二氧化碳還存在運輸問題，但相信隨著二氧化碳回收行業(yè)的發(fā)展，價格會逐漸下降。
中國能源報：再先進的技術也不是完美的，超臨界二氧化碳壓裂存在的最大問題是什么?
王海柱：超臨界二氧化碳非常容易穿透，經(jīng)常用于萃取藥物中的有用物質(zhì)。現(xiàn)在用的井下馬達、螺桿鉆具很多都是橡膠的，大分子的橡膠很容易被穿透，隨著壓力不斷波動，橡膠就會脹開失效，所以普通的螺桿鉆具無法適用這項技術，還需要研究特殊的配套設備。
另外超臨界二氧化碳需要降溫、液化之后才能加壓，所以地面需要降溫裝置，這都是常規(guī)鉆井不具備的。井口設備是不是適應低溫高壓作業(yè)?低溫下鋼材有一定的脆性,地層含水，二氧化碳遇水會形成碳酸，對鋼材\鉆具有腐蝕作用，在一定條件下也有可能形成水合物，對正常施工造成影響;超臨界二氧化碳粘度很低，如何實現(xiàn)加砂壓裂?此外，它的濾失性也比水基壓裂液強。要把理論成果轉化到實際，必須有相應的配套設備與技術才能實現(xiàn)。
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