scCO2 強化頁巖氣開采與地下封存一體化展望

蘆升彥，范鵬鵬

（長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100）

頁巖氣一般生長在泥質(zhì)巖層中，其氣藏在孔隙結(jié)構(gòu)、滲流規(guī)律以及賦存形式等方面都與常規(guī)氣藏有顯著的差異，開采難度很大[1]。迄今為止，美國的頁巖氣革命成效顯著，世界諸多國家相繼對頁巖氣成功進行了商業(yè)性開發(fā)。中國油氣對外依存度高，常規(guī)油氣資源有限，因此，高效開發(fā)以頁巖氣為主的非常規(guī)天然氣是我國緩解能源緊缺局勢、改善能源結(jié)構(gòu)最有效的方式。我國頁巖氣儲量十分豐富，期望值可達134420 億m3，其中當(dāng)前可采儲量占20%，具有良好的開發(fā)前景，但開采難度較大。開發(fā)現(xiàn)場多利用水力壓裂技術(shù)對頁巖儲層實施人工改造，增大儲層滲透率，進而實現(xiàn)其開發(fā)和穩(wěn)產(chǎn)[2]。水力壓裂對地層傷害較大，壓裂體積改造效果差，單井產(chǎn)能和采收率低，導(dǎo)致頁巖氣的經(jīng)濟可采儲量大幅度下降[3]。

scCO2-ESGR 技術(shù)不僅能夠起到強化頁巖氣高效開采，代替水對頁巖儲層實施破巖和壓裂，同時可實現(xiàn)將殘余的CO2就地封存于頁巖儲層中，實現(xiàn)利用與封存共贏。盡管目前我國二氧化碳驅(qū)油技術(shù)，已在油田開發(fā)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用[4]，但關(guān)于scCO2-ESGR 技術(shù)的研究仍處于實驗室研究和探索試驗階段，因此，需要加強對其機理與關(guān)鍵技術(shù)等多方面的分析和研究。

1 超臨界CO2 特性

伴隨scCO2-ESGR 技術(shù)的提出和應(yīng)用，CO2在頁巖氣開發(fā)方面大顯身手。CO2在常規(guī)情況下以氣體的形式存在，無色、無毒且物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其密度是空氣的1.53 倍。如圖1 所示，CO2的三相點為－56.56℃（216.59K）、0.52MPa，臨界點為31.10℃（304.25K）、7.38MPa。隨著施加于CO2溫壓的不斷增大，CO2不斷液化，達到臨界點后，CO2進入超臨界態(tài)。

圖1 CO2 相態(tài)圖Fig.1 Phase diagram of carbon dioxide

在頁巖儲層高溫高壓的環(huán)境下，CO2處于超臨界狀態(tài)，物理性質(zhì)極不穩(wěn)定。scCO2既不同于氣體又不同于液體，卻兼顧兩者的特性，是一種具有特殊性質(zhì)的相態(tài)[5]。其具有許多獨特的物理化學(xué)性質(zhì)：密度接近于水，溶劑化能力強；黏度非常低，接近于氣體；傳質(zhì)和傳熱性能良好；界面張力幾乎為零，可迅速進入頁巖儲層微觀孔隙中；易流動、摩阻系數(shù)低[6]。scCO2這些獨特的物化性質(zhì)決定了其在頁巖氣開發(fā)過程中必然起到重要的作用。

2 scCO2-ESGR 技術(shù)

scCO2-ESGR 技術(shù)以scCO2代替常規(guī)的壓裂液，利用CO2驅(qū)替頁巖層中的CH4，并同時對CO2實施封存，其關(guān)鍵技術(shù)包括scCO2破巖、致裂和增滲，CO2置換驅(qū)替頁巖氣及CO2封存。

2.1 射流破巖

scCO2射流破巖是將CO2輸送到地層深處，使其進入超臨界狀態(tài)，應(yīng)用CO2破巖閾壓較低的特性實施破巖[7]。目前，對于scCO2射流破巖技術(shù)的研究，大多集中于采用實測和模擬方法對其攜砂能力、破巖參數(shù)及沖擊效果進行分析和評價。

Kollé[8]等首次將scCO2射流技術(shù)應(yīng)用于破巖試驗，結(jié)果表明，CO2的破巖閾壓比水要低很多，其鉆進速度是用水的3 倍以上。程宇雄[9]等開展了scCO2射流和水射流沖擊壓力對比實驗，得出scCO2射流的沖擊效果明顯優(yōu)于水射流。賀振國[10]等的實驗結(jié)果表明，scCO2流體具有良好的顆粒攜帶能力，可有效進行高效沖蝕切割作業(yè)。黃飛[11]等對不同灌注壓力下CO2射流破巖的效果進行研究，結(jié)果顯示，經(jīng)CO2沖蝕后，頁巖呈大面積網(wǎng)格化層狀破碎，其力學(xué)特性降低，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，破巖效果顯著。杜玉昆[12]等開展了scCO2破巖室內(nèi)實驗，得出scCO2破巖體積是水的1.73～6.51 倍，射流噴射后巖石強度降低。scCO2射流破巖技術(shù)在鉆進速度、顆粒攜帶能力、破巖體積及沖擊效果等方面都存在較大的技術(shù)優(yōu)勢。同時CO2射流沖擊剪切力與剝蝕力更強，噴嘴壓能損耗更低，熱破裂作用更大，破巖范圍更廣。

2.2 壓裂增滲

以scCO2為壓裂液不會引起黏土礦物發(fā)生物性變化，可有效規(guī)避卡鉆和孔隙喉道堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。scCO2壓裂與常規(guī)壓裂技術(shù)的優(yōu)缺點對比見表1。國內(nèi)外研究學(xué)者大多結(jié)合室內(nèi)實驗、數(shù)值模擬及理論模型，對scCO2壓裂頁巖儲層后的裂縫擴展、起裂壓力及增滲效果等進行研究。

表1 scCO2-ESGR 技術(shù)與常用CO2 封存技術(shù)對比Tab.1 ScCO2-ESGR technology and commonly used CO2 storage technology comparison

Zhang[13]分別以scCO2、液態(tài)CO2及水對模擬頁巖儲層實施壓裂，得出超臨界CO2更易導(dǎo)致儲層形成次生裂縫，裂縫延展效果最好。Bennour[14]基于聲波監(jiān)測裝置，開展了高稠油、H2O 及液態(tài)CO2的儲層壓裂對照試驗，對比了不同應(yīng)力條件下地層壓裂后的裂縫形態(tài)，結(jié)果表明，CO2壓裂后裂縫的延伸范圍最大。Li[15]等通過對CO2、H2O 和N2在頁巖儲層改造中的表現(xiàn)進行對比，結(jié)果顯示CO2的造縫性更強，其壓裂形成的裂縫表面粗糙程度最大。蘇建政[16]等對scCO2壓裂裂縫延伸與擴展機理進行了研究，得出scCO2可弱化地應(yīng)力對裂縫的約束能力，大幅度降低裂縫的起裂壓力。盧義玉[17]等通過室內(nèi)實驗，對比了真三軸scCO2與水力壓裂后的裂縫延伸規(guī)律，結(jié)果顯示scCO2壓裂后儲層有多次起裂，裂縫呈多條網(wǎng)格化分布。陳立強[18]等結(jié)合scCO2起裂壓力模型，開展了H2O、液態(tài)CO2及scCO2起裂壓力對比實驗，發(fā)現(xiàn)scCO2的起裂壓力最低。

綜合以上研究，scCO2因其滲透性強、摩阻低、增壓效果顯著等特點，更易與天然裂縫連接，導(dǎo)致脆性巖石的剪切滑移，促使儲層裂縫向四周延伸，大幅度提高儲層的滲透率。當(dāng)前超臨界CO2壓裂技術(shù)仍處于起步階段，對裂縫的延伸規(guī)律尚沒有全面系統(tǒng)的研究。目前，該技術(shù)仍面臨加砂規(guī)模無法進一步擴展和管柱摩阻相對較大的技術(shù)難題。

2.3 置換驅(qū)替

超臨界CO2置換驅(qū)替頁巖氣是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，CO2和CH4的競爭吸附作用是CO2置換CH4的關(guān)鍵機理。頁巖氣儲層中富含多種有機質(zhì)，這些多孔無序的有機質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙表面極不平整，吸附能力極強。以超臨界CO2為基液對地層進行壓裂后，由于CO2的吸附能力更強，因此，可替換吸附于孔隙表面的CH4，同時在對頁巖儲層破巖和壓裂后，會形成更為復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更多的頁巖氣被置換出來。目前，關(guān)于scCO2置換驅(qū)替頁巖氣機理的研究還沒有系統(tǒng)性的綜述性報道，本文對此進行了相關(guān)總結(jié)。

Sun[19]等建立了新型雙孔隙數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值模擬對CO2開采頁巖氣的效果進行了探討，結(jié)果顯示，增大CO2的灌注壓力不僅可提高CH4的置換率，同時可加快CO2的流動，減少穿透時間。Kim[20]等研發(fā)了CO2驅(qū)替CH4模型，并對比了CO2在Barnett 盆地、Marcellus 盆地的現(xiàn)場應(yīng)用效果，得出與吞吐法相比，CO2驅(qū)替CH4置換率更高。Li[21]等構(gòu)建了CO2與CH4雙組分傳輸模型，對灌注壓力對CO2驅(qū)替CH4效果的影響進行了剖析，發(fā)現(xiàn)灌注壓力與CH4置換率呈正相關(guān)。史云清[22]等對低滲致密氣藏注scCO2的驅(qū)替過程進行了研究，并從試驗和數(shù)值模擬兩方面論證了scCO2的驅(qū)替機理。王千[23]等對CO2驅(qū)替方式對儲層物理性質(zhì)變化的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)參與流動孔隙的大小、顆粒運移的能力及CO2與儲層巖石和地層水的相互作用程度是導(dǎo)致驅(qū)替后巖石物性變化的主要原因。李毅[24]等結(jié)合瞬時吸附模型與時間依賴模型對CO2驅(qū)替CH4的效果進行了研究，得出吸附解吸的時間越長，頁巖氣的驅(qū)替量越低。

綜合已有的研究結(jié)果，CO2的灌注壓力、驅(qū)替方式及吸附解吸時間等都會對驅(qū)替效果產(chǎn)生一定的影響。由于有機質(zhì)對CO2的選擇性系數(shù)更大，且在相同壓力梯度下，CO2的流動性比CH4低的多[25]，很容易促使CH4從頁巖氣有機質(zhì)中驅(qū)替出來。

2.4 封存

與常規(guī)的CO2埋存相比，scCO2-ESGR 技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，在保證CO2長期穩(wěn)定儲存的前提下，實現(xiàn)CO2資源化處理，并帶來直接的經(jīng)濟效益，同時大幅度降低了封存工藝的安全風(fēng)險和環(huán)保壓力。Tao[26]等研發(fā)了新型算法對Marcellus 盆地的CO2封存能力進行了估算，得出到2030 年，該地區(qū)頁巖儲層可儲存10.4～18.4 億t 的CO2。Sun[19]等基于克努森擴散和Fick 擴散原理，研發(fā)了CO2和CH4雙重孔隙傳遞模型，對不同灌注壓力下CO2開采頁巖氣的效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著灌注壓力的升高，CO2的封存量變大。

由表1 可以看出，scCO2-ESGR 與常用的CO2封存技術(shù)相比，優(yōu)勢明顯。但也存在一定的操作風(fēng)險和安全隱患，需要利用相關(guān)技術(shù)對其封存系統(tǒng)的完整性進行定性和定量的研究和分析，深挖封存過程中潛在的泄露風(fēng)險。

3 技術(shù)評價

3.1 技術(shù)優(yōu)越性

高效致裂頁巖層，增加儲層滲透性。scCO2具備類似液體的高密度，可實現(xiàn)對頁巖儲層實施壓裂。scCO2流體儲層傷害低污染小。以scCO2為介質(zhì)，可節(jié)約大量的水資源，適合于我國的國情。scCO2的破巖門限壓力很低，噴射鉆井時可達到較高的機械鉆速。

高效置換驅(qū)替頁巖氣，實現(xiàn)封存一體化。有機質(zhì)對CO2的吸附能力是CH4的4～20 倍，可實現(xiàn)高效驅(qū)替儲層中的CH4，顯著提升氣井單井產(chǎn)量。scCO2表面張力接近于零，黏度小，擴散性強，驅(qū)替頁巖氣效率高。節(jié)約水資源，實現(xiàn)CO2資源化處理，將殘余的CO2就地封存于頁巖儲層中，可緩解溫室效應(yīng)，改善全球氣候條件。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

相關(guān)機制和技術(shù)不夠完善。至今仍未找到一種可對頁巖儲層進行精細表征的地球物理方法，對于優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的預(yù)測和評價尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。CO2壓裂液的攜沙能力較弱，低支撐劑濃度下裂縫易閉合，對頁巖氣開采極為不利。需要建立適用scCO2開采頁巖氣的安全評價-理論監(jiān)測方法體系。

投資成本高，安全與環(huán)保壓力大。超臨界CO2作業(yè)設(shè)備的投資和建設(shè)成本比常規(guī)作業(yè)高的多，CO2的輸送和保存過程中耗費資金較大。液態(tài)CO2的性質(zhì)極不穩(wěn)定，在高壓傳送過程操作不當(dāng)會引起大面積泄露導(dǎo)致人員傷亡。一旦后期封存失敗，泄露的CO2會造成埋存地區(qū)地下水、植被和土壤等生態(tài)系統(tǒng)的破壞[30]，加重溫室效應(yīng)。

4 展望

scCO2強化頁巖氣開采與地下封存一體化技術(shù)因其具有節(jié)能減排和高效開采頁巖氣的特點，已成為未來頁巖氣開采和發(fā)展的新方向。scCO2-ESGR技術(shù)以scCO2代替常規(guī)的水，利用CO2驅(qū)替儲層中的CH4，并對殘余的CO2就地埋存，達到了"封存與利用相融，減排與效益雙贏"的目的。我國scCO2-ESGR 技術(shù)尚未成熟，許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，諸多專家和學(xué)者進行了大量超臨界CO2鉆井、破巖、壓裂方面的理論與實驗研究，取得了初步成果。但受技術(shù)設(shè)施不完善、儲層表征模糊及諸多工程風(fēng)險問題的限制，scCO2-ESGR 技術(shù)的研究步伐十分緩慢。建議積極開展scCO2射流、壓裂、置換、驅(qū)替等方面的理論研究，同時加強現(xiàn)場的相關(guān)技術(shù)性和經(jīng)濟性評價，為該技術(shù)的規(guī)模商業(yè)化發(fā)展鋪平道路。