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水力压裂-挡在页岩气“美好前景”前的门槛_1

  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。

  记者:除了提高钻井速度,超临界二氧化碳还有什么优势?

  王海柱:超临界二氧化碳钻井速度快是毋庸置疑的,而且对储层没有伤害。常规水力压裂水进入页岩层中,粘土膨胀,除了堵塞孔隙,膨胀的粘土还会造成井壁垮塌,把钻杆和钻头等井下工具埋在井下。之前西南石油大学的陈平教授也讲到,钻井过程中井壁垮塌严重是制约页岩气井长水平段钻井的主要技术难点。所以既要选择环保的开采方式,还要对钻井安全有利、保护储层。超临界二氧化碳不含固相颗粒也不含水,对储层没有任何污染。

  储层有一些小的裂缝,常规压裂液是进不去的。但超临界二氧化碳黏度低,更容易沟通细小的裂隙,同时更容易在页岩层中压出多而复杂的微裂缝,提高单井产量和采收率。

  超临界二氧化碳流体的密度非常大,溶剂化能力非常强,可以溶解我们近井地带重油组分,为输送通道减少油气阻力。其次还可以使粘土矿物脱水,脱水之后粘土矿物颗粒会变小,可以增大孔隙和渗透率。其表面张力几乎为零,能够进入很细小的孔隙,可以高效置换甲烷。二氧化碳与页岩层的吸附能力要远远大于甲烷与页岩层的吸附能力。利用这个特点,我们可以将超临界二氧化碳注入储层中,用它替换储层中的甲烷。这么做有两个好处,一是提高单井产量,二是超临界二氧化碳可以埋存在地下,避免温室效应。

  记者:超临界二氧化碳容易获得吗?和水力压裂相比经济性如何?

  王海柱:大家经常问气源是否经济划算,我国近几年二氧化碳年产量在六百万吨左右,主要来源是电厂、钢厂等工业废气回收。只有15%左右来自气田开采。现在在页岩气富集地区如四川、贵州、重庆都有二氧化碳回收企业,有条件实施超临界二氧化碳开采。

  目前我国二氧化碳的回收量是排放量的冰山一角,大量的二氧化碳没有被回收利用,其中一个主要原因是回收的二氧化碳没有市场,直接埋存又没有经济价值,无法刺激回收企业的积极性。如果以后能成功应用于页岩气井的压裂开采,那将是很大的一个市场,不仅能够促进二氧化碳回收行业的快速发展,还能在提高页岩气产量的同时将二氧化碳埋存在地下,实现减排增效,实现化石能源的绿色开发。

  目前市场上二氧化碳价格在200到500元每吨(纯度99.9%以上),水力压裂的压裂液每方在700到1000元左右。虽然二氧化碳还存在运输问题,但相信随着二氧化碳回收行业的发展,价格会逐渐下降。

  记者:再先进的技术也不是完美的,超临界二氧化碳压裂存在的最大问题是什么?

  王海柱:超临界二氧化碳非常容易穿透,经常用于萃取药物中的有用物质。现在用的井下马达、螺杆钻具很多都是橡胶的,大分子的橡胶很容易被穿透,随着压力不断波动,橡胶就会胀开失效,所以普通的螺杆钻具无法适用这项技术,还需要研究特殊的配套设备。

  另外超临界二氧化碳需要降温、液化之后才能加压,所以地面需要降温装置,这都是常规钻井不具备的。井口设备是不是适应低温高压作业?低温下钢材有一定的脆性,地层含水,二氧化碳遇水会形成碳酸,对钢材\钻具有腐蚀作用,在一定条件下也有可能形成水合物,对正常施工造成影响;超临界二氧化碳粘度很低,如何实现加砂压裂?此外,它的滤失性也比水基压裂液强。要把理论成果转化到实际,必须有相应的配套设备与技术才能实现。

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