頁巖儲層液態(tài)藥爆炸壓裂機理研究

杜芳利 ，景 旗

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)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(jù)中國石油天然氣集團有限公司評價指出我國頁巖氣地質(zhì)資源量80×1012m3，探明地質(zhì)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(guī)油氣的重要補充，加快頁巖氣商業(yè)開發(fā)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(fā)難題，開展了頁巖儲層液態(tài)藥爆炸壓裂機理研究。近多年來頁巖氣開發(fā)成為國內(nèi)外專家學(xué)者攻關(guān)的重點對象。由于國內(nèi)水資源短缺，且壓裂液返排問題可能導(dǎo)致地層水污染等因素，致使美國大規(guī)?；锼畨毫鸭夹g(shù)在國內(nèi)實用性不強，因此液態(tài)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(nèi)外頁巖氣開發(fā)的資料并結(jié)合液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)的作用特點，對爆炸壓裂技術(shù)用于頁巖氣開發(fā)從而產(chǎn)生復(fù)雜裂縫網(wǎng)機理進行研究。

1 液態(tài)藥爆炸壓裂儲層特征

1.1 頁巖儲層結(jié)構(gòu)弱面發(fā)育分析

結(jié)構(gòu)弱面是指具有極低或沒有抗拉強度的不連續(xù)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(zhì)界面。儲層中天然裂縫（結(jié)構(gòu)弱面）或者基質(zhì)中的薄弱點是實現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)改造的前提條件。由巖石動力學(xué)與爆破理論可知，爆炸作用過程首先由液態(tài)藥爆炸產(chǎn)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(yīng)力波，撕裂破碎區(qū)外的儲層巖石，在巖石中產(chǎn)生大量初始微裂縫[3]。其次爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體楔入應(yīng)力波產(chǎn)生的初始微裂縫中，當(dāng)縫內(nèi)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(chǎn)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(fù)雜的縫網(wǎng)。因此液態(tài)藥爆炸壓裂的過程必然是天然裂縫優(yōu)先開啟并且相互連通，而天然裂縫是誘導(dǎo)復(fù)雜裂縫延伸的主要因素，天然裂縫越發(fā)育越容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)[4]（見圖1）。

圖1 液態(tài)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(chǔ)上，認為脆性是巖石的綜合力學(xué)特性，是在自身天然非均質(zhì)性和外在特定加載條件下產(chǎn)生內(nèi)部非均勻應(yīng)力，并導(dǎo)致局部破壞，進而形成多維破裂面的能力。依據(jù)國內(nèi)外對頁巖儲層可壓性的評價經(jīng)驗，巖石的脆性指數(shù)可表示壓裂的難易程度，同時也可以表明壓裂后裂縫的復(fù)雜程度。國內(nèi)外學(xué)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(quán)平均來計算巖石脆性指數(shù)[5]。

式中：YM_BRIT-彈性模量所對應(yīng)的脆性特征參數(shù)，無因次；PR_BRIT-泊松比所對應(yīng)的特征參數(shù)，無因次；BRIT-總的脆性特征參數(shù)，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(jù)Rickman提出計算巖石脆性指數(shù)的方法可計算出A井彈性模量所對應(yīng)的脆性特征參數(shù)范圍為100～570，均值為303，泊松比所對應(yīng)的脆性特征參數(shù)范圍為60～120，均值為88；總的脆性特征參數(shù)范圍為80～345，均值為196。依據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗，巖石的脆性特征參數(shù)大于50后，儲層的裂縫形態(tài)更容易形成網(wǎng)狀，因此在該井壓裂產(chǎn)生多裂縫網(wǎng)的機率較高，適合采用液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)進行縫網(wǎng)壓裂。

表1 頁巖氣無水/少水壓裂新技術(shù)匯總

2 液態(tài)藥爆炸壓裂優(yōu)勢及特點

2.1 與滑溜水壓裂比較

液態(tài)藥爆炸壓裂與滑溜水壓裂形成的裂縫相比，爆炸壓裂產(chǎn)生的裂縫相對較短，但容易形成相對復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，溝通更多的天然裂縫；液態(tài)藥爆炸壓裂裂縫起裂時不受儲層原始地應(yīng)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(qū)可能限制頁巖氣大規(guī)模的開發(fā)，而液態(tài)藥爆炸壓裂并不需要，相對更加經(jīng)濟。

2.2 與其他無水/少水壓裂新技術(shù)比較

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

3 液態(tài)藥爆炸壓裂實驗

3.1 液態(tài)藥的性能和特點

通過優(yōu)化液態(tài)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(tài)藥。主要技術(shù)參數(shù)：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(jīng)抗沖擊、靜電、摩擦感度及熱穩(wěn)定性檢測實驗符合國家民爆標準，壓裂藥性能設(shè)計參數(shù)適中可控；可滿足不同巖層爆炸壓裂產(chǎn)生多裂縫縫網(wǎng)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(chǎn)生的壓實作用[7，8]。

3.2 爆炸壓裂P-t動態(tài)測試方法

通過改進爆炸壓裂模擬實驗測試裝置動態(tài)測試方法，揭示液態(tài)藥爆炸壓裂作用機理的爆速、爆壓主控因素。室內(nèi)爆燃壓裂P-t動態(tài)模擬實驗裝置的改進及實驗方法設(shè)計研究，建立了實驗數(shù)據(jù)與P-t軟件處理系統(tǒng)，優(yōu)化了爆炸壓裂模擬裝置，滿足了液態(tài)藥爆炸性能的室外靶場測試與實驗隨機檢測現(xiàn)場需要，簡便快速、實用性強。動態(tài)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(shè)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(tài)藥爆炸壓裂動態(tài)P-t測試曲線

3.3 地面靶裂縫擴展形態(tài)

通過地面模擬實驗，結(jié)合主要控制參數(shù)爆速爆壓及實驗靶巖性參數(shù)等綜合實驗分析，裂縫趨勢基本3～6隨機產(chǎn)生，實驗裂縫均為貫穿縫。實驗產(chǎn)生的4條裂縫清晰規(guī)整，裂縫界面反映十分清晰。因此，采用一種大尺寸液態(tài)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(chǎn)生多裂縫的形成與擴展規(guī)律研究有重要的指導(dǎo)意義（見圖3）。

4 結(jié)論

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

（2）液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)與其他壓裂技術(shù)相比較，其優(yōu)勢在于它可以形成不受地應(yīng)力控制的復(fù)雜縫網(wǎng)，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(tài)

（3）頁巖儲層巖石的脆性可反映壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)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(chǎn)生多裂縫網(wǎng)的機率較高，適合采用液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)進行復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂。

（4）液態(tài)藥爆炸壓裂用于頁巖儲層的研究不僅為頁巖氣的開發(fā)提供新的研究思路，也對非常規(guī)天然氣的開發(fā)具有指導(dǎo)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(wù)院常務(wù)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(fā)的《關(guān)于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)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(qū)域2018年開始推廣使用車用乙醇汽油；2019年，以上地區(qū)實現(xiàn)全覆蓋；2020年，全國除新疆、西藏、青海外實現(xiàn)全覆蓋。

當(dāng)前，乙醇汽油推廣尚存諸多難題，需要進一步引導(dǎo)與協(xié)調(diào)，政策保障仍是最主要因素。從市場供應(yīng)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(diào)和組分油。其中，隨著我國石化產(chǎn)業(yè)擴張，乙醇汽油調(diào)和組分油的供應(yīng)來源相對廣泛，結(jié)合調(diào)油技術(shù)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(guān)注。

目前我國燃料乙醇年產(chǎn)能在283萬噸左右，年供應(yīng)量約260萬噸。據(jù)金聯(lián)創(chuàng)統(tǒng)計，新建以及預(yù)期投建產(chǎn)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(yù)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(chǎn)能順利投產(chǎn)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(wù)院常務(wù)會議明確了生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)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(chǎn)能，適度布局糧食燃料乙醇生產(chǎn)，加快建設(shè)木薯燃料乙醇項目，開展秸稈、鋼鐵工業(yè)尾氣等制燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化示范。

（摘自中國石油報第7175期）