周軍平 曠年杰 田時鋒 董志強 廖 琪
（1.煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；
2.重慶大學資源與安全學院，重慶 400044）
頁巖氣是一種產自極低孔滲、富有機質頁巖儲集系統中的非常規天然氣。水平井分段多簇水力壓裂技術是目前頁巖氣壓裂改造的主體技術［1-4］，考慮地質特征的差異性，目前在頁巖氣壓裂現場通常采用“一井一策，一段一策”的工藝優化調整策略，隨著對地質與壓裂工藝的匹配性以及壓裂技術的不斷提升，全球頁巖氣壓裂縫網表現為“水平段越來越長、壓裂段越來越多、壓裂液（支撐劑）用量越來越大”的發展趨勢。但水力壓裂技術頁巖氣井單井水資源消耗量大［5-7］，基于不同的地質條件與儲層，單井耗水量可達1.5×104～4.0×104m3，其中頁巖氣勘探有利的地區大部分區域處于我國重點缺水區域，水資源匱乏成為我國頁巖氣商業化開采面臨的難題［8-10］。
為了減少非常規儲層改造過程水資源的消耗、降低環境風險，科學界與工業界都在不斷在探索新理論及技術來替代水力壓裂技術。近年來超臨界CO2壓裂等無水壓裂技術與泡沫壓裂技術越來越受到關注［11-17］。通過采用調查、對比分析以及實例論證等方法，對水力壓裂、超臨界CO2等無水壓裂、泡沫壓裂技術實施特征以及優勢與劣勢進行了總結和分析［18-21］，并對未來壓裂技術的發展方向進行了探討與展望，以期為我國研發頁巖氣無水壓裂技術提供建議和對策。
無水壓裂液技術壓裂液不含水或含水較少，可避免水力壓裂技術對頁巖氣儲層的傷害，同時大幅減少頁巖氣開發過程水資源的消耗以及返排液造成的地下及地表水環境污染，具有良好的環境效益。目前無水壓裂技術越來越受到國內外相關學者的關注，美國、中國和加拿大等國科學界和工業界在無水壓裂領域的相關專利申請超過全球總量的80%。國內專利申請主要集中在中國石油天然氣集團有限公司、陜西延長石油集團、中國石油大學、西南石油大學和重慶大學等企業和高校。
目前無水壓裂液技術主要包括液態CO2壓裂技術、超臨界CO2壓裂技術、液態N2壓裂技術、液化石油氣（LPG）壓裂技術以及泡沫壓裂技術。
1.1 液態CO2壓裂技術
液態CO2壓裂是提高油氣井產能有效和快速返排的方法之一，尤其是對于低壓、低滲、強水敏性地層具有很好的效果。我國在陜西延長石油（集團）有限責任公司下寺灣頁巖氣示范基地開展了CO2增能壓裂后，頁巖氣井的壓裂液放噴返排率和最終返排率均有顯著提高，排液周期明顯縮短，效果十分明顯［22-23］。
液態CO2壓裂技術是以100%液態CO2作為壓裂液，可加砂進行壓裂，施工后地層無殘留液體。該技術特點是在地面采用高壓泵以較大排量將液態CO2壓裂液注入井筒內壓開地層，形成一定長度的裂縫。由于裂縫表面受CO2的沖蝕作用，會產生一定的巖石碎屑，起到支撐裂縫的作用，進而形成一條具有較好導流能力的滲流通道，從而達到增產改造目的。相同條件下液態CO2壓裂巖石起裂壓力比水力壓裂低35%。另外，液態CO2形成的弱酸性環境能有效抑制水敏儲層中黏土礦物的水化膨脹，降低儲層傷害。而且，CO2可脫出黏土礦物中的結合水，使黏土礦物粒徑變小；
CO2溶解于地層水所形成的碳酸溶液可溶解頁巖層中的無機礦物，進一步改善儲層滲透性［24］。
同時液態CO2黏度低、易濾失，因此用量較大。另外，如果井口壓力迅速下降，CO2在儲層條件下可能會結冰形成水合物，堵塞井筒，從而限制氣體流動。基于CO2在井筒形成水合物導致的堵塞問題，可通過添加氮氣（N2），采用CO2／N2混合氣體壓裂的方式，來防止水合物的形成，同時降低井運營成本。液態CO2技術需要專用的密閉混砂裝置，整個壓裂過程為全封閉體系，對于壓裂流體的運輸問題和在增壓容器中的儲存問題也需要予以關注。
1.2 超臨界CO2壓裂技術
當溫度和壓力超過CO2的臨界溫度31.04℃（Tc）和臨界壓力7.38 MPa（Pc）時，它將處于超臨界狀態。超臨界CO2是介于氣體和液體之間的一種流體，在臨界點附近，壓力和溫度的微小變化會使得CO2流體密度、黏度、擴散系數等性質產生顯著的變化，其在臨界點附近具有的物性突變性和可調性，都十分有利于頁巖氣儲層的壓裂改造。我國頁巖氣儲層普遍埋深在2 500 m以下，在儲層條件下CO2很容易達到臨界狀態，因此，對于頁巖氣儲層實施超臨界CO2壓裂具有十分有利的條件。
中國學者率先提出了集超臨界CO2鉆完井、壓裂、驅替采氣和CO2封存為一體的頁巖氣開采技術方法［25-28］。該技術壓裂具有以下優勢：①超臨界黏度為水基壓裂液的1%，擴散性約為水的10倍，表面張力接近于零。另外，相同條件下超臨界CO2壓裂的起裂壓力比液態CO2低15%，約為水力壓裂的一半，可降低施工壓力。②超臨界CO2流體不會導致儲層中黏土膨脹，避免了水鎖效應。超臨界CO2對頁巖中無機礦物具有更強的溶蝕作用，孔隙半徑增大，且頁巖表面潤濕特性發生變化，降低了頁巖的表面張力，從而減少流體的流動阻力，有利于頁巖氣的產出。③CO2能夠被頁巖層吸附，且吸附能力強于頁巖氣（CH4），同時由于超臨界CO2在儲層孔隙裂縫中非常容易流動，它能夠置換出頁巖層中被吸附的CH4分子，且在超臨界狀態下，CO2吸附性更明顯，從而使的頁巖氣在較長時間內保持較高的產量，提高頁巖氣采收率［30-32］。
目前超臨界CO2壓裂技術整體處于基礎研究階段，僅在中國開展了現場試驗。以上現場試驗雖然沒有全過程實現超臨界CO2流體壓裂，但均獲得了較高的增產效果。生產井監測數據表明，產出氣中CO2濃度與頁巖氣原生氣中CO2濃度相當，表明注入的CO2有效實現了地質埋存。因此，在雙碳背景下，該技術可在提高頁巖氣采收率的同時實現CO2減排，有望成為實現碳中和目標的重要技術路徑。
目前，超臨界CO2壓裂尚有以下問題需要解決：①超臨界CO2的低黏度特性使得其攜砂能力差，易造成砂堵。②超臨界CO2壓裂需要較大的施工壓力才能達到排量要求，容易造成地面設備頻繁超壓，影響正常施工。③地面和井下專用設備工具缺乏。超臨界CO2流體性質與水有較大差別，常規壓裂設備不能滿足作業要求。
1.3 液態N2壓裂技術
液態N2壓裂技術主要是通過將溫度極低的液氮注入井底，產生的巨大溫度差誘導熱應力產生裂縫［33］。同時，低溫液氮在地層溫度下受熱膨脹、氣化，有助于促使巖石內部初始裂隙擴展或者產生新的破裂。同時，可增加地層壓力使得裂縫擴張，對于增加裂縫密度，提高儲層改造體積十分有利（圖1）。首先，另外采用氮氣同樣可以避免頁巖黏土礦物膨脹，從根本上避免了水鎖效應、巖石潤濕性反轉等危害的發生，減少壓裂液對頁巖氣儲層的傷害。
圖1 低溫作用產生的二次裂縫
熱應力是液態N2壓裂產生裂縫的主要原因。在常壓下，N2的沸點為196℃。當N2注入儲層時，由于地層溫度的影響，會在巖石中產生拉應力形式的熱應力。地層在接觸液氮快速冷卻過程中產生熱應力的機制主要有兩種：溫度梯度和巖石礦物之間的不匹配變形。當液氮與巖石接觸時，會劇烈沸騰。液氮的沸騰熱傳遞會在巖石中產生較大的溫度梯度，在不同的巖石部位產生不同程度的熱膨脹。此外，頁巖礦物成分復雜，不同組分礦物的熱物理性質和力學性質差異很大，在液氮冷卻過程中，相鄰礦物顆粒之間會產生非均勻變形，使得巖石產生微裂縫。另外，與超臨界CO2相似，N2在儲層條件下具有較低的粘度和較高的擴散系數，注入地層后其體積會顯著增大。因此，N2壓裂適用于低滲透儲層，可在低滲透儲層中形成復雜的裂縫。然而，液氮的溫度遠低于超臨界CO2的溫度，這在地層中產生更強的熱沖擊。因此，液氮壓裂的起裂壓力較低，裂縫較為復雜。通過室內實驗研究發現經液氮處理后，頁巖試件可產生明顯的裂縫［34］（圖2）。
圖2 液氮處理后頁巖巖樣
目前，液氮壓裂技術在頁巖氣壓裂現場的應用還極少。僅在少數煤層氣井和致密氣井開展了應用。煤層中一般存在較多的天然裂隙和節理。液態N2與煤接觸后，會在煤內部形成較大的熱應力，導致裂紋的萌生和擴展。同時，熱破裂會使巖石破碎成小塊或者顆粒，產生自支撐效應，可對裂縫形成支撐，防止裂縫在地應力作用下完全閉合。McDaniel等進行了5次低溫N2壓裂作業。包括4口煤層氣井和1口低滲透砂巖井，結果表明，3口煤層氣井取得了較好的增產效果。現場應用結果表明，使用N2作為壓裂液進行二次壓裂，可以提高壓裂液的排液效率，減少污染。
由于氮氣作為可廣泛獲取的氣體，價格相對較低，能減少地層開發的成本，因此，液態N2壓裂技術在頁巖氣儲層壓裂改造也具有較好的應用前景［35-36］。但液氮壓裂同樣存在支撐劑攜帶問題，隨著液氮在井下流動，液氮會升溫，即使成功實施隔熱，氮氣在進入地層后很容易變成氣體降低支撐劑輸運能力。另外，由于液氮溫度非常低，安全處理液氮需要特殊的設備，這也是制約液氮壓裂技術應用的難點之一。
1.4 液化石油氣（LPG）壓裂技術
LPG無水壓裂技術100%采用液化石油氣作為壓裂液，與油基壓裂液相似。液化石油氣凝膠具有低表面張力、低粘度、低密度特性，有助于形成有效的裂縫長度，從而提高油氣井產量，相比常規水力壓裂產生的有效裂縫體積更大。此外，LPG能均勻分布支撐劑，壓裂液可以回收利用，具有較好的經濟和環境優勢。
國外從2008年開始開展了LPG無水壓裂技術現場應用，截至目前已在千余口井施工，LPG壓裂技術在致密油氣儲層改造均取得很好的增產效果。國內LPG無水壓裂技術尚處于起步階段。
總體來講，LPG無水壓裂與儲層流體的配伍性好，不會造成水相圈閉傷害和粘土膨脹效應，對儲層幾乎無傷害，對于頁巖氣儲層具有適用性。在儲層高溫、高壓條件下，LPG壓裂施工后壓裂液將汽化，在形成的縫隙中只留下支撐劑，無壓裂液殘留，可使裂縫長期保持良好的導流能力，壓裂后的有效裂縫面積更大。但目前LPG壓裂技術還不夠成熟，短期成本比水基壓裂液高，且該技術在實施過程涉及大量易燃丙烷的操作，同時具有潛在的安全風險，更適合低人口密度的環境。
1.5 少水壓裂（泡沫壓裂）
泡沫壓裂液體系是一種將氣液混合的低傷害壓裂液，泡沫壓裂液是將液態的氮氣或CO2與水基壓裂液按照一定的比例混合后形成的以氣相為內相、液相為外相的穩定泡沫體系。
與常規水基壓裂液相比，泡沫壓裂液只有支撐劑和少量壓裂液進入地層，同時泡沫壓裂液中液體的質量相對較小，大大降低了基液對儲層的傷害［37］。根據所選擇的階段，泡沫主要有三種類型［38-39］（表1）。在各種潛在的壓裂泡沫中，水基泡沫由于其容易獲取、技術要求較低而應用較廣。泡沫壓裂液中的氣液比一般為65%～85%。
表1 泡沫的類型，成分和用途表
到目前為止，泡沫壓裂在世界范圍內很少有頁巖油氣田進行過測試。1975年在美國俄亥俄州揚斯敦的泥盆紀頁巖進行了第一次報道的泡沫流體壓裂現場應用，使用兩口井對比分析了氮氣/水泡沫壓裂與傳統水基壓裂的材料消耗、成本和排液開始時間等參數，相比水基流體壓裂，泡沫壓裂成本降低約25%［40］。2008年，美國肯塔基州和西弗吉尼亞州頁巖氣開發中使用超高質量泡沫（93%～99%泡沫質量）來進行儲層壓裂改造，總共29口井用于研究，其中11口井使用常規泡沫壓裂（泡沫質量在75%左右），12口井使用氮氣壓裂，6口井使用超高質量泡沫壓裂。常規泡沫壓裂使用了232 200 m3的氮氣和350 m3的水，而超優質泡沫壓裂使用了271 840 m3的氮氣和50 m3的水。因此，與傳統泡沫壓裂相比，超高質量泡沫壓裂耗水量有明顯減低，支撐劑用量也大幅減少（比常規泡沫壓裂少90%）［41］。
總體來講泡沫壓裂液具有耗水量相對較少、造縫能力強、低摩阻（比水要低40%～66%）和易反排等特點，可以成為解決我國西部缺水區域頁巖氣開采面臨的水資源緊缺問題的重要技術路徑。但泡沫壓裂液的流變特性難以描述，流動特性難以預測，且需要更高的地面泵送壓力，成本較高，也是需要解決的問題［42-43］。
表2為水力壓裂、無水壓裂與少水壓裂（泡沫壓裂）技術的總體情況對比。相較于水力壓裂，無水壓裂與泡沫壓裂過程只需要少量的水或者不需水，從而有效降低或者避免水力壓裂可能造成的水環境污染。相較于水力壓裂與CO2、N2等無水壓裂，泡沫壓裂液具有良好的支撐劑承載能力（比水基流體高約85%）和支撐劑輸送能力，從而可使支撐劑更有效地遍布整個裂隙網絡。不同壓裂技術各有優勢和劣勢，在我國雙碳戰略背景下，CO2壓裂技術可實現CO2的資源化利用和地質封存，可在進行壓裂技術選擇的時候對其CO2減排效應進行綜合考慮。
表2 水力壓裂、無水壓裂與少水壓裂（泡沫壓裂）的對比表
在今后的研究中，針對相關無水壓裂技術面臨的問題，可以著重從以下幾個方面開展研究，提高無水壓裂技術在頁巖氣開發中的應用。
1）壓裂起裂和裂縫擴展機理方面，綜合采用數值模擬、實驗研究、理論分析、現場驗證等多種手段，深入認識和揭示不同無水壓裂技術裂縫起裂和擴展機理。
2）除上述無水壓裂技術外，對醇基壓裂、液態氦氣壓裂、爆破壓裂技術等無水壓裂技術在頁巖氣儲層壓裂改造中的應用進一步研究。
3）超臨界CO2壓裂技術集CO2地質利用與封存于一體，可在提高頁巖氣采收率的同時，實現CO2地質封存，甚至實現負排放，在未來應予以重點關注。
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