頁巖儲層液態藥爆炸壓裂機理研究

杜芳利 ，景 旗

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.中國石油天然氣集團公司油氣藏改造重點實驗室高能氣體壓裂分室，陜西西安 710065）

我國頁巖氣資源儲量十分豐富，根據中國石油天然氣集團有限公司評價指出我國頁巖氣地質資源量80×1012m3，探明地質儲量 0.54×1012m3[1]。2017 年，我國天然氣消費量2 373×108m3，同比增長15%，對外依存度39%，未來天然氣消費量和缺口將進一步增加。頁巖氣作為常規油氣的重要補充，加快頁巖氣商業開發利用，可緩解天然氣供給不足的緊張局面。針對我國頁巖儲層巖性致密，較低的孔隙度和極低的滲透率特征的開發難題，開展了頁巖儲層液態藥爆炸壓裂機理研究。近多年來頁巖氣開發成為國內外專家學者攻關的重點對象。由于國內水資源短缺，且壓裂液返排問題可能導致地層水污染等因素，致使美國大規?；锼畨毫鸭夹g在國內實用性不強，因此液態藥爆炸壓裂有望成為打開中國頁巖氣資源的鑰匙[2]。本文通過國內外頁巖氣開發的資料并結合液態藥爆炸壓裂技術的作用特點，對爆炸壓裂技術用于頁巖氣開發從而產生復雜裂縫網機理進行研究。

1 液態藥爆炸壓裂儲層特征

1.1 頁巖儲層結構弱面發育分析

結構弱面是指具有極低或沒有抗拉強度的不連續面，它是具有一定方向、延展較大而厚度較小的二維面狀地質界面。儲層中天然裂縫（結構弱面）或者基質中的薄弱點是實現復雜縫網改造的前提條件。由巖石動力學與爆破理論可知，爆炸作用過程首先由液態藥爆炸產生的沖擊波破碎天然裂縫壁面巖石，形成爆炸主裂縫；隨著沖擊波衰減為應力波，撕裂破碎區外的儲層巖石，在巖石中產生大量初始微裂縫[3]。其次爆炸產生的高溫高壓氣體楔入應力波產生的初始微裂縫中，當縫內氣體壓力達到裂縫起裂擴展條件時，微裂縫開始擴展，從而在爆炸主裂縫周圍產生大量次生裂縫，由于整個過程加載率較高，次生裂縫形成復雜的縫網。因此液態藥爆炸壓裂的過程必然是天然裂縫優先開啟并且相互連通，而天然裂縫是誘導復雜裂縫延伸的主要因素，天然裂縫越發育越容易形成復雜縫網[4]（見圖1）。

圖1 液態藥爆炸壓裂示意圖

1.2 頁巖儲層脆性分析

在頁巖儲層宏微觀破壞特征的基礎上，認為脆性是巖石的綜合力學特性，是在自身天然非均質性和外在特定加載條件下產生內部非均勻應力，并導致局部破壞，進而形成多維破裂面的能力。依據國內外對頁巖儲層可壓性的評價經驗，巖石的脆性指數可表示壓裂的難易程度，同時也可以表明壓裂后裂縫的復雜程度。國內外學者先后提出多種方法來建立特定的脆性因子，筆者采用Rickman提出的彈性模量歸一化，泊松比歸一化后加權平均來計算巖石脆性指數[5]。

式中：YM_BRIT-彈性模量所對應的脆性特征參數，無因次；PR_BRIT-泊松比所對應的特征參數，無因次；BRIT-總的脆性特征參數，無因次；YMS_C-頁巖儲層巖石綜合測定的彈性模量，GPa；PR_C-巖石的泊松比，無因次。

我國龍馬溪組A井頁巖儲層的彈性模量范圍為8 GPa～40.9 GPa，均值為 22.2 GPa，泊松比為 0.1～0.25，均值為0.18[6]。根據Rickman提出計算巖石脆性指數的方法可計算出A井彈性模量所對應的脆性特征參數范圍為100～570，均值為303，泊松比所對應的脆性特征參數范圍為60～120，均值為88；總的脆性特征參數范圍為80～345，均值為196。依據美國頁巖氣開采經驗，巖石的脆性特征參數大于50后，儲層的裂縫形態更容易形成網狀，因此在該井壓裂產生多裂縫網的機率較高，適合采用液態藥爆炸壓裂技術進行縫網壓裂。

表1 頁巖氣無水/少水壓裂新技術匯總

2 液態藥爆炸壓裂優勢及特點

2.1 與滑溜水壓裂比較

液態藥爆炸壓裂與滑溜水壓裂形成的裂縫相比，爆炸壓裂產生的裂縫相對較短，但容易形成相對復雜的裂縫網絡，溝通更多的天然裂縫；液態藥爆炸壓裂裂縫起裂時不受儲層原始地應力的影響，可以形成不同方位的裂縫；爆炸壓裂會使地層剪切錯動形成自支撐，無需支撐劑。頁巖滑溜水壓裂過程會使用大量水資源，在水資源緊缺地區可能限制頁巖氣大規模的開發，而液態藥爆炸壓裂并不需要，相對更加經濟。

2.2 與其他無水/少水壓裂新技術比較

液態藥爆炸壓裂技術在國內處于探索階段，屬于超前儲備技術。它不需要其他無水/少水壓裂的大型設備，無需支撐劑，施工簡單，成本低，還可以形成不受地應力控制的復雜縫網。目前已有的無水/少水壓裂新技術（見表1）。

3 液態藥爆炸壓裂實驗

3.1 液態藥的性能和特點

通過優化液態藥 NH4NO3、C3H5N3O9、TNT、RDX、HMX等5種主要組分，由氧化劑、燃燒劑、懸浮劑和敏化劑組成的液態藥。主要技術參數：爆熱（4 200 J/g～6 000 J/g）、比容（500 mL/g～700 mL/g）、爆速（1 500 m/s～3 500 m/s）。經抗沖擊、靜電、摩擦感度及熱穩定性檢測實驗符合國家民爆標準，壓裂藥性能設計參數適中可控；可滿足不同巖層爆炸壓裂產生多裂縫縫網的工藝要求；低爆速爆燃降低了對頁氣氣井地層的破壞性及爆炸后對頁巖層可能產生的壓實作用[7，8]。

3.2 爆炸壓裂P-t動態測試方法

通過改進爆炸壓裂模擬實驗測試裝置動態測試方法，揭示液態藥爆炸壓裂作用機理的爆速、爆壓主控因素。室內爆燃壓裂P-t動態模擬實驗裝置的改進及實驗方法設計研究，建立了實驗數據與P-t軟件處理系統，優化了爆炸壓裂模擬裝置，滿足了液態藥爆炸性能的室外靶場測試與實驗隨機檢測現場需要，簡便快速、實用性強。動態P-t測試曲線（見圖2），測試過程順利正常，P-t曲線完整，能夠達到設計的峰值壓力，很好的反映出壓力隨時間完整作用過程。

圖2 液態藥爆炸壓裂動態P-t測試曲線

3.3 地面靶裂縫擴展形態

通過地面模擬實驗，結合主要控制參數爆速爆壓及實驗靶巖性參數等綜合實驗分析，裂縫趨勢基本3～6隨機產生，實驗裂縫均為貫穿縫。實驗產生的4條裂縫清晰規整，裂縫界面反映十分清晰。因此，采用一種大尺寸液態藥爆炸壓裂水泥靶實驗，能夠更真實模擬頁巖儲層形成多裂縫，對爆炸壓裂產生多裂縫的形成與擴展規律研究有重要的指導意義（見圖3）。

4 結論

（1）通過頁巖儲層結構弱面發育分析、液態藥爆炸壓裂水泥靶實驗證明爆炸壓裂可使頁巖產生裂縫，同時也說明在頁巖氣井采用液態藥爆炸壓裂隨機在頁巖層中產生多條裂縫。

（2）液態藥爆炸壓裂技術與其他壓裂技術相比較，其優勢在于它可以形成不受地應力控制的復雜縫網，爆炸壓裂會使地層剪切錯動形成自支撐、無需支撐劑、對儲層傷害極低。

圖3 地面靶裂縫擴展形態

（3）頁巖儲層巖石的脆性可反映壓裂復雜縫網的難易程度，通過對頁巖儲層脆性分析，我國龍馬溪組A井壓裂產生多裂縫網的機率較高，適合采用液態藥爆炸壓裂技術進行復雜縫網壓裂。

（4）液態藥爆炸壓裂用于頁巖儲層的研究不僅為頁巖氣的開發提供新的研究思路，也對非常規天然氣的開發具有指導意義。

乙醇汽油擴大推廣亟須政策保障實施

日前召開的國務院常務會議決定，有序擴大車用乙醇汽油推廣使用，除黑龍江、吉林、遼寧等11個試點省份外，今年進一步在北京、天津、河北等15個省市推廣。

去年下發的《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》提出，京津冀及周邊、長三角、珠三角等大氣污染防治重點區域2018年開始推廣使用車用乙醇汽油；2019年，以上地區實現全覆蓋；2020年，全國除新疆、西藏、青海外實現全覆蓋。

當前，乙醇汽油推廣尚存諸多難題，需要進一步引導與協調，政策保障仍是最主要因素。從市場供應角度來看，乙醇汽油分為兩大組成部分——改性燃料乙醇和乙醇汽油調和組分油。其中，隨著我國石化產業擴張，乙醇汽油調和組分油的供應來源相對廣泛，結合調油技術手段可以滿足后期所需。不過，改性燃料乙醇的供給問題一直為社會所關注。

目前我國燃料乙醇年產能在283萬噸左右，年供應量約260萬噸。據金聯創統計，新建以及預期投建產能為480萬噸。不過，2017年全國汽油表觀消費量達到1.2億噸，若按照10%的燃料乙醇添加比例，預計2020年燃料乙醇消費量將至少達到1 200萬噸。這就意味著，即便新增產能順利投產且高負荷運行，燃料乙醇仍有500萬噸左右的供給缺口需要補充。

對此，國務院常務會議明確了生物燃料乙醇產業總體布局，即堅持控制總量、有限定點、公平準入，適量利用酒精閑置產能，適度布局糧食燃料乙醇生產，加快建設木薯燃料乙醇項目，開展秸稈、鋼鐵工業尾氣等制燃料乙醇產業化示范。

（摘自中國石油報第7175期）