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爆炸压裂简史与页岩气储层无水压裂

作者: 丁雁生 陈 力 【字号: 访问量:

一、问题的提出

进入21世纪以来,美国开采页岩气的巨大成功,改变了美国能源格局。我国天然气的年消费量2010年跃过千亿立方米(1011m3),进口率2015年跃过30%。但是我国的页岩气资源丰富,开采页岩气已成为国家的重大战略目标。

泥质页岩富含有机质,经历亿万年地质作用,生成大量油气。世界约有页岩气资源4.6×1014m3,我国约有5.6×1013m3。由于页岩致密,孔隙尺度在纳米量级,渗透率低到0.1微达西(达西:Darcy)。通常,渗透率低于10毫达西(孔隙尺度低于百纳米)属于低渗储层,渗透率低到0.1微达西的页岩气是不可采的。然而,美国人艰苦探索,开创了缝网水力压裂技术,用水力压裂页岩,使之形成缝网,终于使页岩气可通过缝网采出。我国已引进这一技术并成功用于乌江畔的页岩气田。但是,缝网水力压裂存在两个弱点:一是耗水多,每口井耗水0.7~2.3万立方米;二是含有添加剂,污染严重。根据世界能源研究所2014年的统计[1],世界40%的页岩气资源分布在缺水和干旱的地区,我国60%的页岩气资源分布在缺水和干旱地区。随着开采区域扩展,缺水和污染将成为中国开采页岩气的瓶颈。因此,布局无水(或者少水)压裂技术的探索,未雨绸缪,对中国非常重要,在世界上也很重要。
爆炸压裂法可以不用水,而且石油工业发展史上也有研究和应用的先例。本文就来简要回顾爆炸压裂的历史。

二、爆炸压裂简史

(一)早期的探索

爆炸采油曾经风行几十年。1860年,因为打井后不出油,美国有人愤怒地向井底开枪,居然出了油。很快,1864年有人申请了用爆炸方法激励油井的专利。那个时候主要靠自然产能出油,出不来就炸一下,看看是不是能出点儿油。爆炸激励油井,到1940年代已经成为主流技术,但是爆炸效果时好时坏,而且容易伤人毁井。在1947年美国首次现场试验水力压裂,当时虽然没有出油,但证明在地面用液压泵向井筒注水是可以压裂地层的。从此水力压裂兴起,明显优于爆炸激励。

从那时一直到1970年代,搞爆炸的人想了许多爆炸方案搞压裂,仍然没有取得好效果,水力压裂取代爆炸方法成为大势所趋。

美国70年代有一个由企业集资的提高采收率的研究项目ERDA[2],其中包含水力压裂和爆炸压裂。他们在一个页岩地层里用炸药放了三炮,前两炮各用炸药6.8吨,没有明显效果,甚至产液还有点儿下降,第三炮用炸药4.5吨略有提升。这个试验再一次证实,用集中药包的爆炸没有明显效果。ERDA项目还在地下核爆过的岩层压裂(1963年美国和苏联签订了禁止大气层核试验的条约,两国大力做地下核爆,顺带研究了采油采气)。他们在1973年做过核爆炸、2000英尺厚的页岩气地层用氮气泡沫压裂。在第一段注液457m3(用氮24m3/min),注砂181吨,实验以后平均日产气180万方。另外一段注液和注砂都加倍,平均日产气540万方。这么厚的地层被核爆炸出大量裂缝,再用压裂的方法疏通它的裂缝,产气量大得惊人。证明页岩气开采潜力非常大,但是核爆炸是脏的,社会不容忍,未推广应用。

Lawrence Livermore实验室1979年报道[3]了核爆以后渗透率变化的实测结果。两倍爆坑半径处的地层,渗透率比原始的大两个量级,更远处则对数线性地衰减,与无量纲距离(测点到爆心距离与爆坑半径之比)的α次方成反比。有一个核爆地层的,另一个试验地层的。地下核爆的爆坑是一个烟筒样的腔体,孔壁附近被压实,渗透率猛的下降,一直降到比正常值还要低。

Sandia实验室1981年发表文章[4],对爆炸压裂问题做了结论,说集中药包爆炸后爆坑扩大,壁面附近有一个压实圈,密度很大,切向残留很大的压应力,使得渗透率显著减少,叫做“应力笼”。爆炸的对称性不是那么好,所以偶然有裂缝会贯穿了密实区,一贯穿就透气了,不贯穿就不透气,所以它时好时坏。

该文提出消除应力笼、改进爆炸压裂的条件是,改善装药几何状态,就是炸药分布铺放;或者,削弱炸药激发的激波幅值。由这两个条件引申出三个发展爆炸压裂的方向:第一是层内爆炸压裂,就是不采用集中药包,使炸药分布在面积很大的一层;第二是固体推进剂爆燃压裂;第三是液体火药爆炸压裂。

爆炸有爆轰、爆燃两种形态。爆轰的时候压力非常高,爆燃的时候压力显著降下来。后面两个方向都是把爆炸压力降下来。用于火箭的固体推进剂也可以爆轰。发射火箭的时候,如果推进剂爆轰,火箭就掉下来了。但做得好,推进剂可以按照指定的速度燃烧,就能把火箭送上天。要做到这一点,就要深刻的掌握推进剂释放能量的形态。

(二)当前爆炸压裂的三个方向

上世纪80年代一直到现在,对爆炸压裂的探索,基本上沿着以下三个方向:

第一个方向。1967年,美国人在SPE——石油界的一个大会上发表文章讨论岩石缝内爆炸机制[5]。70年代有人用硝基甲烷作为主要成分,做成液体炸药,挤到地层进行层内爆炸[6]。当时他们找到有可能把这个炸药挤进去的特殊地层。第一炮炸用1.8吨的液体炸药,产量提高十倍。第二炮用272公斤液体炸药,80%挤进地层,日产量由0.2吨提高到6.2吨。据报道,美国和加拿大做过八次层内爆炸实验,其中三个油井产量增加1.5到7倍,还有五个气井产量增加1.5到14倍。

中国科学院力学所在1996年针对低渗油气田提出层内爆炸压裂的建议[7]。找到能在缝内爆炸的炸药,是实现层内爆炸产油的关键。压裂缝是五毫米左右,远处也就是两三毫米,可用炸药起爆的临界尺度大概一毫米多。这种药大约可以分两类,一类敏感液体基,比如说用硝化甘油、硝基甲烷。但是硝化甘油太危险,用硝基甲烷不是那么敏感。另一类用钝感液体基(水或油)。

力学所提出的乳状炸药方案需要解决四个问题,第一是乳状炸药怎样注入到压裂缝,第二是乳状炸药在压裂狭缝内能不能持续爆炸,第三是狭缝爆炸对岩层作用,第四是爆炸安全。力学所围绕第二、第三个问题,做了一些基础性工作:(1)和渗流所合作做了30克药量小尺度模拟实验;(2)和廊坊压裂中心合作做了三百克中尺度模拟实验;(3)和中国石油大学合作研究岩石爆炸开裂和渗流强化;(5)郑哲敏先生指导两位博士先后研究冲击开裂和乳状炸药在缝中爆炸的可持续性。结论是原则上有可能实现。

另外西安石油大学研制了液体炸药,到大庆做了层内爆炸现场实验[8]。有文章报道,但是没有明显的增产效果,实验以后的结论是具备进一步实验的条件。

从国内的进展看,层内爆炸压裂原理可行,技术难度大,尚未突破。

第二个方向,用推进剂爆燃压裂。美国人发现了应力笼以后就开始走固体推进剂爆燃这条路。Sandia实验室先在一口深180多米的页岩井做了推进剂爆燃实验,原来这口井气流很小,爆裂以后日产气28方。又在一口千米深页岩井试验,施工前产气量为日产142 方,施工后达到日产614方。美国人发展推进剂爆燃压裂,到了80年代已经压了4千多口井,最深的4000米。前苏联做了200多口井,都是有增产效果的[9]

1983年美国有人提出射孔-推进剂压裂联合作业。90年代有一篇SPE报告,讲的是射孔弹爆炸只打了一个孔,与推进剂联动,戏剧性地提高了射孔与储层的联通性[10]。进入新世纪,美国人又在射孔-推进剂压裂联合作业之后,接着做水力压裂[11],发现显著降低了水力压裂的起裂压力。但是如果射孔-推进剂压裂联合作业一年后再去做水力压力,起裂压力就不降低了,换句话说推进剂压裂的缝闭合了。

国内1984年开始研究井筒内推进剂爆燃压裂,1986年现场试验初步成功,命名“高能气体压裂”[12]。2000年中石油在西安石油大学建了油藏改造重点实验室——高能气体压裂重点研究室,发展了很多项技术。高能气体压裂的缺点是裂缝不够长,它可以在近井压裂,远处作用不大,原因是推进剂的用量不能大。井筒是密闭环境,强约束,推进剂药量大,燃烧就会发展成爆轰,毁伤井筒。

第三个方向——前苏联走的是液体火药的路子。到了1986年,苏联人研制出液体火药 ,实现了液体火药爆炸压裂。它是把氧化剂硝酸铵和可燃剂甘油混到水里面,硝酸铵、甘油都可以与水任意比例混合,再加一些添加剂(尿素、乙酸等)。硝酸铵的分解温度是摄氏210度,甘油分解温度是摄氏290度,因为有水,在常压下怎么都点不着。但是在高压条件下,水的汽化点大大升高,再强点火,这个混合液就变成了炸药。所以它非常安全,只在特定条件下爆炸。它的爆容达到每公斤40~50摩尔气体,跟炸药接近,但爆温只有1千多度,使得液体火药爆炸,达不到高能炸药那个爆炸程度,恰好可以将上吨的下到井里面去炸。1993年俄罗斯人到中国来推广这项技术[13],每口井的效果都非常好。

(三)创新的思路:高压可燃气体井筒爆炸压裂

页岩含有黏土质,黏土质遇水就会膨胀,黏土质多的页岩不宜用水压裂。为抑制黏土质膨胀,美国人往压裂液里放了添加剂,导致环境污染,被社会垢病。特别是,很多页岩气储量在没有水、缺水的地方。因此,开采页岩气需要一种新的技术——无水压裂。

目前已经发展了多种无水压裂,如液态二氧化碳压裂、液氮压裂、液化天然气压裂[14],但是没有像水力压裂那样成为主流。

前文所说的液体炸药压裂仍然有水,层内爆炸压裂尚未突破,推进剂爆燃压裂作用尺度太小,不能满足开采页岩气的需要。针对这一局面,中国科学院力学研究所2013年开始探讨高压可燃气体井筒爆炸压裂问题。


 
高压可燃气体井筒爆炸压裂示意图

 

高压可燃气典型的成分是甲烷加空气,甲烷与空气中的氧生成二氧化碳和水,释放热导致爆炸。爆炸反应后的压力是初始压力的若干倍,调控初始压力就能控制爆炸压力。

高压可燃气体井筒爆炸压裂的特点是什么呢?第一,是它满足生成缝网的力学条件。岩石爆炸压裂的条件,一是爆炸造成的岩石应力要高于其动态拉伸强度,造成的油井套管应力要低于套管动态强度;二是压力上升速率要足够高;三是爆炸做功的能力足够大。高压可燃气体爆炸压力上升快,压力大小容易控制,做功能力大,满足这三个条件,特别适合缝网压裂。第二,是它环境友好,对地层没有伤害,对环境也没有伤害。第三,是价格低廉,经济可行。空气不要钱,需要的是把空气压缩了。甲烷比液态二氧化碳、液氮等便宜。第四,是比较容易操作,容易实现分段压裂和重复压裂。第五,是装备规模比水力压裂小许多,较易实现和实施。

爆炸压裂不能携带支撑剂,这是它最大的缺点。页岩气渗流缝隙尺度可以显著小于原油渗流的缝隙尺度,剪切裂缝和岩屑的自支撑作用,这两种效应是否能弥补无支撑剂对页岩气渗流的影响?有待实验和工程检验。

另外一个缺点,爆炸产物含水。这个水是高温高压的蒸汽,化学当量比是18%。随温度下降,爆炸气体压力逐渐下降,蒸汽将凝结成水。如果在气压降到比岩石的强度还要低的时候赶紧返排,水蒸汽的问题也许可以解决。

再一个问题就是爆炸安全,需要研制适应爆炸的专用技术装备。由于气体爆炸压力限制在套管强度许可范围内,套管是安全的,但须注意固井水泥界面是否会开裂。另外,还要严格遵守爆炸安全规程,不遵守规程肯定要被惩罚。

美国人1994年提出过气体爆炸专利,方案是把可燃气体压到地缝里面去起爆[15]。可燃气体爆炸,临界尺度较大,小尺度炸不了。实现地缝这样小尺度可燃气体爆炸,需要非常高的初始压力,所以那个专利难以实现。力学所的方案是在井筒里面炸,初始压力容易控制到合理值,应当是一个可行的方案。

可以说,可燃气体爆炸是发展爆炸压裂的第四个研究方向,迄今尚无成功先例。研发高压可燃气体井筒爆炸压裂,肯定会遇到目前不知的困难。
需求呼唤创新,采油的人和搞爆炸的人紧密合作是创新成功的要素。在缺水地区开采页岩气需要新的技术突破。笔者期待,高压可燃气体井筒爆炸压裂,能另辟蹊径,为我国达成开采页岩气的战略目标做出贡献。

参考文献:

[1] Paul Reig, Tianyi Luo and Jonathan N. Proctor, Global Shale Gas Development: Water Availability & Business Risks, Report of World Resources Institute, September 2014

[2] Noran, David, ERDA's enhanced-recovery program gathers momentum, Oil and Gas Journal, v 73, n 44, p77-81, Nov 3 1975

[3] M.Hanson, C.McKee, and R.Terhune, Explosive enhancemen of permeability, High-Pressure Science and Technology, 1979, p1439-1457

[4] Richard A. Schmidi, Rodrey R. Boade and Robert C. Bass, A New Perspective on Well Shooting-Behavior of Deeply Buried Explosions and Deflagrations, Journal of Petroleum Technology, 1981.7., p1305-1311

[5] Eakin and Miller,Explosives Research to Improve Flow Through Low Permeability Rock,SPE1715,Third SPE of AIME Drilling and Rock Mechanics Conference,1967

[6] 李传乐、王安仕等,国外油气井“层内爆炸”增产技术概述及分析,石油钻采工艺,第23卷,2001年第5期

[7] 丁雁生、陈力、谢燮、张盛宗、刘先贵、刘小萍、杨业敏、俞稼槃,低渗油气田“层内爆炸”增产技术研究,石油勘探与开发,第28卷第2期,2001年4月

[8] 吴晋军,低渗油田层内深度爆炸技术作用机理及工艺试验研究,西安石油大学学报(自然科学版),2011年第1期

[9] 季树培、李文魁,高能气体压裂在美国东部泥盆系页岩气藏中的应用,《断块油气田》1994年7月

[10] Jim Gilliat、Phillip M. Snider, Robert Haney, A Review of Field Perforating of New Propellant/Perforating Technology , SPE 56469(其摘要为Field Performance of New Perforating/Propellant Technology,SPE-0999-0072-jpt)

[11] J.C.Page, J.L.Miskimins, A Comparision of Hydraulic and Peopellant Fracture Propagation in a Shale Gas Reservoir, Journal of Canadian Petroleum Technology, May 2009, Vol.48, No.5

[12] 张廷汉、秦发动,高能气体压裂的初步研究,西安石油学院学报,1986年12月,第1卷第2期,

[13] 张强德等,高能气体压裂技术,断块油气田,1994年5月

[14] Andrzej Rogala, Jan Krzysiek, Maciej Bernaciak, Jan Hupka, Non-aqueous fracturing technologies for shale gas recovery, Physicochemcal Problems of Mineral Processing,49(1), 2013, 313-322

[15] 美国专利US5346015A

作者简介:丁雁生,中国科学院力学研究所研究员,长期以来一直致力于爆炸力学的研究,结合实际应用,研制了多项军、民用领域防爆、抗爆器材。曾参加或主持聚能射流侵彻、雷管撞击起爆、热塑失稳带、煤与瓦斯突出、炸药装药撞击起爆、炸药结构材料力学性质、层内爆炸增产石油等项研究.;陈 力,中国科学院力学研究所副研究员,从事爆炸力学研究。