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水力压裂:挡在页岩气“美好前景”前的门槛

导读: 2004年,中国工程院院士、中国石油大学教授沈忠厚提出用超临界二氧化碳代替水做压裂液。当温度超过31.1摄氏度,压力超过7.38兆帕,二氧化碳气体就变成超临界态。

  随着页岩气开发热潮的兴起,“水力压裂”这个原本专业性很强的术语也变得耳熟能详。虽然水力压裂技术已广泛应用于常规油气开采,但如何将该技术应用于吸附气比重极大的页岩气、提高单井产量,仍是挡在页岩气“美好前景”面前的一道门槛。

  不仅如此,在环保主义者眼中,水力压裂不但浪费水资源,还会污染地下水,改变地应力诱发地震……在水资源匮乏、生态环境脆弱的中国,若要实现页岩气的大范围开采,必须考虑并规避水力压裂可能带来的风险。

  2004年,中国工程院院士、中国石油大学教授沈忠厚提出用超临界二氧化碳代替水做压裂液。当温度超过31.1摄氏度,压力超过7.38兆帕,二氧化碳气体就变成超临界态。超临界二氧化碳拥有的神奇特性——密度接近于水;粘度非常低,接近于气体;表面张力接近于零——几乎可以解决水力压裂带来的所有难题。近日,沈忠厚院士的秘书、中国石油大学油气井工程专业博士后王海柱向记者介绍了超临界二氧化碳开采页岩气的大胆设想和研究进展,为页岩气开发提供了一种新的可能。

  记者:和常规油气相比,页岩气的储层和开发有什么特点?

  王海柱:常规油气多是在裂缝、孔隙中,处于游离状态,吸附含量非常少,很容易就能开采出来。而页岩气80%或更高则吸附于岩石颗粒和有机质表面,不解析采不出来。剩下的少量处于游离状态(贮存于孔隙裂缝中)和溶解状态(溶解在地层水和液态烃中)。

  页岩气开发过程中,只有很少一部分游离气先被开发出来。游离气出完之后,剩下的吸附气或溶解气采出速度很慢。所以打井之后头一年产量很高,但递减的非常快,之后就是一段稳定期,一般页岩气井能采二三十年或更长时间。四川有的井头一年产量高达几万方或十几万方,稳定之后一天就几千方,这个特点决定了页岩气的投资回收期很长。

  页岩气吸附量受有机碳含量、粘土矿物含量、地层压力和温度等多个因素的影响。其中粘土对吸附气的影响很大。页岩的百分之四十到五十是粒径为5-63微米的粘土颗粒。颗粒越小,比表面积(表面积相对于体积的比值——编者注)越大,甲烷的吸附含量越高。所以粘土含量越高,每吨岩石的含气量越大,开发价值就越高。

  但这就出现了一个问题。页岩的孔隙很小,粘土遇水一膨胀就完全堵死了流通通道,气也出不来了。美国人在水力压裂的水中加入防膨剂等很多药剂,不但造成污染,而且无法从根本上避免膨胀。现在加拿大美国有研究用LNG或液态的烃类物质压裂,但成本很高。此外,单口井压裂需要1-2万方水,水资源对我们国家来说也是非常大的负担。

  记者:所以你们开始探索新的压裂手段?

  王海柱:对,早在2000年,美国tempress公司做了先导性的超临界二氧化碳射流破岩实验,效果非常好,破岩门限压力(使岩石破碎的最小喷射压力——编者注)远远小于水的破岩门限压力。这样可以大幅提高钻井速度,对于钻井的意义非常大。

  当温度超过31.1摄氏度,压力超过7.38兆帕,二氧化碳气体就变成超临界态。超临界流体既不同于气体也不同于液体,具有许多独特物理化学性——密度接近于水,能够为井下马达提供足够扭矩、溶剂化能力强;黏度非常低,接近于气体,易流动、摩阻系数低;扩散系数大于液体,传热、传质性能良好;表面张力接近于零,可进入到任何大于超临界流体分子的空间。

  后来我们为了验证结论,开始做实验,发现效果非常好。超临界二氧化碳进行破岩实验的时候测得了两个岩样的压力,我们在花岗岩中,用水的破岩压力是75兆帕,超临界二氧化碳是50兆帕,仅为水的67%,在页岩中,水的破岩是124兆帕,超临界二氧化碳压力是55兆帕,只是水的44%。

  其实常规二氧化碳驱油已经被应用在油田开采中,在吉林油田取得了良好的效果。2004年,沈忠厚院士提出用超临界二氧化碳钻井、完井、采油、压裂、增产最后埋存的一体化的成套技术。目前沈院士带领我们十几人的团队主要在做基础理论工作,并逐渐把理论转化为技术。我们做了一些实验,也申请了几项专利,钻井效果肯定没有问题,开发方面正在做机理研究。目前这个项目已被列为国家自然基金重点项目,也和中石油有合作,但要想实现完全商业化的应用,可能还需要几年时间。

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