石油天然氣工程

超臨界CO2增黏機(jī)制研究進(jìn)展及展望

孫寶江，孫文超

摘要：目的：水平井壓裂改造是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏大規(guī)模商業(yè)開(kāi)采的關(guān)鍵。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征及地表?xiàng)l件等方面的差異，國(guó)外現(xiàn)有的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)并不能完全適應(yīng)中國(guó)的情況。超臨界CO2壓裂開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣技術(shù)逐漸被人們關(guān)注。但是，超臨界CO2粘度較低，這導(dǎo)致其攜砂效果較差。解決這一問(wèn)題的最直接方法是向CO2中添加化學(xué)增粘劑。研制成功臨界CO2增粘劑，突破超臨界CO2壓裂技術(shù)，可能是實(shí)現(xiàn)我國(guó)頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)的一條有效途徑。通過(guò)跟蹤調(diào)研大量文獻(xiàn)，分析了超臨界CO2增黏的主要研究進(jìn)展，并展望了超臨界CO2增黏的研究趨勢(shì)。方法：增黏劑在超臨界CO2中的溶解機(jī)理研究主要通過(guò)相行為實(shí)驗(yàn)和理論分析進(jìn)行。超臨界CO2增黏機(jī)制研究主要通過(guò)紫外—可見(jiàn)吸收光譜法、拉曼散射光譜法、核磁共振波譜法以及分子模擬計(jì)算完成。結(jié)果：通過(guò)對(duì)前人工作的分析，結(jié)合團(tuán)隊(duì)研究工作中的體會(huì)，得到如下結(jié)果：（1）超臨界CO2增黏的難點(diǎn)主要包括備選增粘劑在超臨界CO2中的低溶解度、經(jīng)濟(jì)環(huán)保障礙以及對(duì)儲(chǔ)層的潛在危害；（2）溶于CO2的增粘劑分子應(yīng)具有弱極性、親CO2基團(tuán)和低內(nèi)聚能密度，使其與CO2分子間的偶極-四極相互作用大于CO2分子間的四極-四極相互作用和增粘劑分子間的相互作用；（3）適合形成超臨界CO2反膠團(tuán)的表面活性劑應(yīng)滿足非極性尾鏈內(nèi)聚能密度低及有多條分支、極性頭基團(tuán)與水之間存在氫鍵相互作用作為聚集的動(dòng)力等條件；（4）含氟化合物易溶于超臨界CO2的深層原因在于，聚合物經(jīng)過(guò)氟化作用后具備弱極性，產(chǎn)生與CO2分子間的偶極-四極相互作用，從而瓦解了CO2分子間的四極-四極相互作用；（5）擁有供電子基團(tuán)（如羰基、乙酸基、醚基等）、路易斯堿屬性的化合物與CO2分子之間存在特定的相互作用，有望用于設(shè)計(jì)親CO2材料；（6）超臨界CO2增粘劑應(yīng)具備兩親特性，不僅含有足夠的親CO2基團(tuán)，也應(yīng)含有適量的疏CO2基團(tuán)。親CO2基團(tuán)能夠使增粘劑充分溶于CO2，疏CO2基團(tuán)能夠在不明顯降低增粘劑溶解度的情況下通過(guò)分子間自組裝有效增加CO2的粘度。疏CO2基團(tuán)含量太少則不能有效增粘，太多則會(huì)使增粘劑溶解度明顯降低。設(shè)計(jì)增粘劑分子時(shí)，需平衡增粘劑組分中兩種基團(tuán)的比例。結(jié)論：超臨界CO2增粘劑研制的發(fā)展趨勢(shì)：（1）超臨界CO2專用增粘劑應(yīng)具備兩親特性，新型低聚表面活性劑或兩親性的酯類化合物是值得研究的備選增粘劑；（2）作為配合措施，應(yīng)開(kāi)發(fā)新型低密度支撐劑，以降低對(duì)壓裂液粘度的要求，與增粘劑共同用于超臨界CO2壓裂；（3）含氟化合物是目前為止最有效的CO2增粘劑，對(duì)超臨界CO2具有親和性，研究含氟化合物在超臨界CO2中的溶解機(jī)理和分子間相互作用的本質(zhì)，有助于開(kāi)發(fā)不含氟超臨界CO2增粘劑；（4）目前所用分子模擬方法一般為絕對(duì)零度下的量子化學(xué)計(jì)算，且往往無(wú)法模型化整個(gè)增粘劑分子，應(yīng)采用能夠模擬壓力作用下有限溫度的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，并將粗?；c高精度分子模擬相結(jié)合，為超臨界CO2增粘劑分子設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

來(lái)源出版物：中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2015,39(3): 86-83

入選年份：2015

焦石壩頁(yè)巖氣田中高密度甲烷包裹體的發(fā)現(xiàn)及其意義

高鍵，何生，易積正

摘要：目的：焦石壩上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為超壓流體封存系統(tǒng)，超壓與頁(yè)巖氣保存和富集的關(guān)系已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。流體包裹體作為古地質(zhì)流體原始信息的有效賦存體，成為研究古溫壓、古流體性質(zhì)和油氣流體示蹤的重要手段。利用流體包裹體激光拉曼光譜和顯微測(cè)溫分析，恢復(fù)了焦石壩五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層裂縫石英脈和方解石脈樣品中高密度純甲烷包裹體捕獲的異常高壓。方法：在焦石壩頁(yè)巖氣田五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層裂縫石英脈和方解石脈樣品中，經(jīng)激光拉曼光譜分析和顯微測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)了高密度純甲烷包裹體。根據(jù)甲烷拉曼散射峰v1位移與密度關(guān)系研究提出了新的氣相包裹體古壓力的計(jì)算方法，利用甲烷包裹體中的甲烷拉曼散射峰v1位移獲得了純甲烷包裹體的密度，同時(shí)與利用甲烷包裹體均一溫度計(jì)算的純甲烷包裹體的密度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合頁(yè)巖裂縫脈體樣品中與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度最小值，依據(jù)CH4體系的狀態(tài)方程計(jì)算了高密度純甲烷包裹體捕獲的異常高壓，為深入探討頁(yè)巖氣富集與頁(yè)巖氣儲(chǔ)層超壓的關(guān)系提供了新的科學(xué)依據(jù)。結(jié)果：流體包裹體的顯微激光拉曼光譜分析是甲烷包裹體有效鑒別的科學(xué)方法，裂縫脈體樣品中甲烷包裹體在顯微激光拉曼光譜圖中有十分特征的拉曼散射峰。在300光柵的0～4000 cm－1掃描光譜圖中，甲烷拉曼散射峰強(qiáng)度很高，而且包裹體組分單一，除了高強(qiáng)度的甲烷散射峰以外，其他比較明顯的拉曼峰為反映含甲烷包裹體主礦物的石英拉曼散射峰，說(shuō)明流體包裹體為純甲烷包裹體。利用配有Ne燈校正的1800光柵對(duì)純甲烷包裹體進(jìn)行了2750～3080 cm－1激光拉曼光譜小范圍掃描，確認(rèn)焦石壩頁(yè)巖氣田JYA井2253.89 m和2319.76 m的下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色高硅頁(yè)巖裂縫石英脈樣品中純甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1主要分布在2910.57～2911.27 cm－1。同時(shí)根據(jù)前人提出的富甲烷包裹體顯微測(cè)溫方法，在顯微鏡下選取易于觀測(cè)、體積稍大、純度較高的甲烷包裹體進(jìn)行均一溫度測(cè)試，甲烷包裹體的均一溫度范圍為－95.8℃～－88.2℃。利用高密度純甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1及均一溫度兩種方法分別計(jì)算了甲烷包裹體的密度σ，依據(jù)甲烷拉曼散射峰v1和甲烷包裹體均一溫度確定的純甲烷包裹體密度σ是一致的，分布在0.254～0.290 g/cm3之間，具有高密度特征。甲烷包裹體的密度結(jié)合頁(yè)巖裂縫脈體樣品中與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度最小值216.3℃，利用CH4體系的狀態(tài)方程模擬計(jì)算了高密度純甲烷包裹體的捕獲壓力為102.6～137.3 MPa，對(duì)應(yīng)古埋深條件下的地層壓力系數(shù)達(dá)到1.63～2.18，具有中等—強(qiáng)超壓特征。結(jié)論：焦石壩頁(yè)巖氣田五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中的高密度甲烷包裹體形成時(shí)的捕獲壓力為中等—強(qiáng)超壓，剩余壓力為39.6～74.3 MPa，均一溫度集中范圍在215～255℃，這可能指示燕山期抬升前最大古埋深期或抬升初期頁(yè)巖氣儲(chǔ)層處于超壓狀態(tài)；該區(qū)頁(yè)巖中高密度甲烷包裹體的發(fā)現(xiàn)及其捕獲的溫壓條件和超壓證據(jù)可為進(jìn)一步深入研究焦石壩五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣富集與超壓形成和演化的關(guān)系提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

來(lái)源出版物：石油與天然氣地質(zhì), 2015, 36(3): 472-480

入選年份：2015

四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)震旦系—寒武系大型氣藏特征與聚集模式

魏國(guó)齊，杜金虎，徐春春，等

摘要：目的：四川盆地震旦系—寒武系具有良好的油氣成藏條件，但由于地層時(shí)代老、經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)次數(shù)多，大型氣田勘探難度增大。通過(guò)解剖震旦系—寒武系大型氣藏、分析大型氣藏成藏條件及其匹配關(guān)系、總結(jié)天然氣聚集模式，以求達(dá)到豐富古老碳酸鹽巖天然氣成藏理論，提高對(duì)大型、特大型天然氣藏形成規(guī)律的認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)下一步勘探部署決策和新領(lǐng)域拓展勘探。方法：從地層和沉積相、儲(chǔ)集層特征、圈閉特征與氣藏類型、流體性質(zhì)、溫壓系統(tǒng)5個(gè)方面系統(tǒng)論述了高石梯—磨溪地區(qū)震旦系—寒武系氣藏特征，應(yīng)用地球化學(xué)、儲(chǔ)層有機(jī)巖石學(xué)方法論證了天然氣成因及古油藏分布，結(jié)合構(gòu)造演化史，將震旦系—寒武系氣藏劃分為聚集型、半聚半散型和分散型3類聚集模式。結(jié)果：氣藏特征：（1）高石梯—磨溪地區(qū)發(fā)育3套油氣成藏組合；（2）高石梯—磨溪地區(qū)燈影組、龍王廟組氣藏儲(chǔ)層單層厚度小、累計(jì)厚度大，以低孔低滲為主、局部發(fā)育高孔滲段；（3）震旦系燈二段、燈四段、寒武系龍王廟組的氣藏類型分別為具有底水的構(gòu)造圈閉氣藏、構(gòu)造-地層復(fù)合型氣藏和構(gòu)造-巖性氣藏；（4）天然氣組成以烴類氣體為主，天然氣組分、輕烴、儲(chǔ)層瀝青豐度等證據(jù)表明天然氣主要為原油裂解型干氣，甲烷含量為82.65%～97.35%，乙烷含量為 0.01%～0.29%；低氮（0.44%～6.13%）、低氦（0.01%～0.06%），中-低含硫化氫（0.62～61.11 g/m3）；（5）氣藏壓力系數(shù)由燈二段的1.07～1.10、燈四段的1.10～1.13過(guò)渡到龍王廟組的1.53～1.70，為常壓-高壓氣藏，氣藏壓力系數(shù)的差異與天然氣的擴(kuò)散及蓋層的保存有關(guān)；氣藏中部溫度介于137.5～163.28℃，為高溫氣藏。油氣成藏要素及其匹配情況：（1）桐灣期大型古隆起及持續(xù)穩(wěn)定演化，為特大型氣田形成提供了最有利場(chǎng)所；（2）4套大面積分布的古老烴源巖，為大氣田的形成提供了充足的氣源；（3）3套孔洞型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層大面積疊置分布，為大氣田形成提供了有效的儲(chǔ)集空間；（4）大型古油藏或分散液態(tài)烴裂解，高石梯—磨溪震旦系—寒武系天然氣主要為古油藏原油或分散液態(tài)烴裂解氣；（5）3套區(qū)域分布的泥頁(yè)巖或膏鹽巖蓋層的高強(qiáng)度封蓋。總之，桐灣期大型繼承性穩(wěn)定古隆起、大面積分布的古老烴源巖、大面積孔洞型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、大型古油藏裂解及良好保存條件的有機(jī)配置造就了大型天然氣藏的規(guī)模富集油氣運(yùn)聚模式：根據(jù)古油藏裂解之前的古構(gòu)造格局、瀝青豐度及現(xiàn)今氣藏的分布特點(diǎn)，將震旦系—寒武系氣藏劃分為聚集型、半聚半散型和分散型3類聚集模式。結(jié)論：四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)震旦系—寒武系天然氣為原油裂解型干氣，氣藏類型包括構(gòu)造氣藏、構(gòu)造-地層氣藏和構(gòu)造-巖性氣藏3類。氣藏溫度137～163℃、氣藏壓力震旦系為常壓，寒武系為高壓。“五古”要素的有機(jī)配置形成天然氣規(guī)模富集。可將震旦系—寒武系氣藏劃分為聚集型、半聚半散型和分散型3類聚集模式。

來(lái)源出版物：石油學(xué)報(bào), 2015, 36(1): 1-12

入選年份：2015

中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)優(yōu)選

邵龍義，侯海海，唐躍，等

摘要：目的：中國(guó)煤層氣資源豐富，42個(gè)主要含氣盆地（群）埋深2000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量達(dá)36.81×1012m3，居世界第3位。但現(xiàn)階段中國(guó)煤層氣探明儲(chǔ)量及產(chǎn)量的增長(zhǎng)主要依靠沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣等幾個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)基地。因此迫切需要尋找一批煤層氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)。西北低煤階區(qū)、東北中低煤階老工業(yè)區(qū)和西南中高煤階構(gòu)造復(fù)雜區(qū)作為我國(guó)重要的煤層氣富集區(qū)，煤層氣地質(zhì)資源總量約15.9×1012m3，占全國(guó)煤層氣總資源量的43%。隨著近些年一批煤層氣井在上述3個(gè)地區(qū)的實(shí)施，在煤層氣的資源勘查技術(shù)、煤層氣開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、煤層氣富集條件及主控因素、煤層氣地化特征及成因類型等方面都取得了新的研究成果和認(rèn)識(shí)，筆者在承擔(dān)國(guó)土資源部“全國(guó)煤層氣成礦遠(yuǎn)景與選區(qū)研究”科研課題期間，有機(jī)會(huì)對(duì)全國(guó)煤層氣資源勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、不同賦煤區(qū)煤層氣評(píng)價(jià)方法及賦存規(guī)律等進(jìn)行了研究，并以上述3個(gè)地區(qū)為重點(diǎn)建立了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)而提出了近期我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)的方向和目標(biāo)建議。方法：上述3個(gè)重要的煤層氣富集區(qū)：（1）西北低煤階區(qū)，指賀蘭山—六盤山以西的我國(guó)西北賦煤區(qū)，包括塔里木含氣盆地群、天山含氣盆地群、準(zhǔn)噶爾含氣盆地群、吐哈含氣盆地群、柴達(dá)木含氣盆地群以及河西走廊含氣盆地群等；（2）東北老工業(yè)區(qū)，指大興安嶺以東的地區(qū)，包括黑龍江、吉林和遼寧三省，以中低煤階為主；（3）西南中高煤階構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，位于龍門山斷裂和金沙江—紅河斷裂帶以東，包括我國(guó)云南、貴州、四川和重慶等地，煤層氣含氣盆地群則主要包括川渝含氣盆地群、黔北含氣盆地群、滇東黔西含氣盆地群以及渡口（現(xiàn)攀枝花）楚雄含氣盆地群等?；趯?duì)我國(guó)煤層氣資源、生儲(chǔ)、保存、開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)等條件的研究成果，總結(jié)了影響中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的8個(gè)普遍因素（資源豐度、煤層厚度、含氣量、原始滲透率、埋藏深度、水文地質(zhì)條件、煤系沉積環(huán)境和地形地貌）和4個(gè)關(guān)鍵因素（成因類型、穩(wěn)定性、后期儲(chǔ)層改造和煤體結(jié)構(gòu)破壞程度）。對(duì)比分析結(jié)果表明：（1）中國(guó)西北低煤階區(qū)、東北中低煤階老工業(yè)區(qū)和西南中高煤階構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，是我國(guó)繼華北地區(qū)之后煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)；（2）上述3個(gè)重點(diǎn)區(qū)的煤層氣賦存主控因素分別是成因類型＋煤層穩(wěn)定性、成因類型＋巖漿侵入對(duì)煤儲(chǔ)層改造、煤層穩(wěn)定性＋煤體結(jié)構(gòu)破壞程度，并以此建立了中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略接替區(qū)的優(yōu)選評(píng)價(jià)體系；（3）采用多層次模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)上述3個(gè)重點(diǎn)區(qū)的15個(gè)區(qū)塊進(jìn)行了評(píng)價(jià)，共優(yōu)選出了8個(gè)有利接替區(qū)和7個(gè)較有利接替區(qū)，預(yù)測(cè)其煤層氣地質(zhì)資源量合計(jì)達(dá)到1.8×1012m3；（4）8個(gè)有利區(qū)分別為西北的準(zhǔn)東煤田五彩灣—大井地區(qū)、吐哈煤田哈密—大南湖地區(qū)和隴東煤田，東北的依蘭煤田、鶴崗煤田和琿春煤田，西南的川南煤田和水城煤田，它們是近期可以進(jìn)行煤層氣勘探和試驗(yàn)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)區(qū)；（5）7個(gè)較有利接替區(qū)分別是三塘湖煤田條湖—馬朗凹陷、庫(kù)拜煤田、潮水煤田、雞西煤田、黔西北煤田、圭山煤田和鎮(zhèn)威煤田，可作為中遠(yuǎn)期煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的優(yōu)選目標(biāo)的對(duì)象。

來(lái)源出版物：天然氣工業(yè), 2015, 35(3): 1-11

入選年份：2015