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隨著頁巖氣開發熱潮的興起，“水力壓裂”這個原本專業性很強的術語也變得耳熟能詳。雖然水力壓裂技術已廣泛應用于常規油氣開采，但如何將該技術應用于吸附氣比重極大的頁巖氣、提高單井產量，仍是擋在頁巖氣“美好前景”面前的一道門檻。
不僅如此，在環保主義者眼中，水力壓裂不但浪費水資源，還會污染地下水，改變地應力誘發地震……在水資源匱乏、生態環境脆弱的中國，若要實現頁巖氣的大范圍開采，必須考慮并規避水力壓裂可能帶來的風險。
2004年，中國工程院院士、中國石油大學教授沈忠厚提出用超臨界二氧化碳代替水做壓裂液。當溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳氣體就變成超臨界態。超臨界二氧化碳擁有的神奇特性——密度接近于水；粘度非常低，接近于氣體；表面張力接近于零——幾乎可以解決水力壓裂帶來的所有難題。近日，沈忠厚院士的秘書、中國石油大學油氣井工程專業博士后王海柱向記者介紹了超臨界二氧化碳開采頁巖氣的大膽設想和研究進展，為頁巖氣開發提供了一種新的可能。
記者：和常規油氣相比，頁巖氣的儲層和開發有什么特點？
王海柱：常規油氣多是在裂縫、孔隙中，處于游離狀態，吸附含量非常少，很容易就能開采出來。而頁巖氣80%或更高則吸附于巖石顆粒和有機質表面，不解析采不出來。剩下的少量處于游離狀態（貯存于孔隙裂縫中）和溶解狀態（溶解在地層水和液態烴中）。
頁巖氣開發過程中，只有很少一部分游離氣先被開發出來。游離氣出完之后，剩下的吸附氣或溶解氣采出速度很慢。所以打井之后頭一年產量很高，但遞減的非常快，之后就是一段穩定期，一般頁巖氣井能采二三十年或更長時間。四川有的井頭一年產量高達幾萬方或十幾萬方，穩定之后一天就幾千方，這個特點決定了頁巖氣的投資回收期很長。
頁巖氣吸附量受有機碳含量、粘土礦物含量、地層壓力和溫度等多個因素的影響。其中粘土對吸附氣的影響很大。頁巖的百分之四十到五十是粒徑為5-63微米的粘土顆粒。顆粒越小，比表面積（表面積相對于體積的比值——編者注）越大，甲烷的吸附含量越高。所以粘土含量越高，每噸巖石的含氣量越大，開發價值就越高。
但這就出現了一個問題。頁巖的孔隙很小，粘土遇水一膨脹就完全堵死了流通通道，氣也出不來了。美國人在水力壓裂的水中加入防膨劑等很多藥劑，不但造成污染，而且無法從根本上避免膨脹。現在加拿大美國有研究用LNG或液態的烴類物質壓裂，但成本很高。此外，單口井壓裂需要1-2萬方水，水資源對我們國家來說也是非常大的負擔。
記者：所以你們開始探索新的壓裂手段？
王海柱：對，早在2000年，美國tempress公司做了先導性的超臨界二氧化碳射流破巖實驗，效果非常好，破巖門限壓力（使巖石破碎的最小噴射壓力——編者注）遠遠小于水的破巖門限壓力。這樣可以大幅提高鉆井速度，對于鉆井的意義非常大。
當溫度超過31.1攝氏度，壓力超過7.38兆帕，二氧化碳氣體就變成超臨界態。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特物理化學性——密度接近于水，能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強；黏度非常低，接近于氣體，易流動、摩阻系數低；擴散系數大于液體，傳熱、傳質性能良好；表面張力接近于零，可進入到任何大于超臨界流體分子的空間。
后來我們為了驗證結論，開始做實驗，發現效果非常好。超臨界二氧化碳進行破巖實驗的時候測得了兩個巖樣的壓力，我們在花崗巖中，用水的破巖壓力是75兆帕，超臨界二氧化碳是50兆帕，僅為水的67%，在頁巖中，水的破巖是124兆帕，超臨界二氧化碳壓力是55兆帕，只是水的44%。
其實常規二氧化碳驅油已經被應用在油田開采中，在吉林油田取得了良好的效果。2004年，沈忠厚院士提出用超臨界二氧化碳鉆井、完井、采油、壓裂、增產最后埋存的一體化的成套技術。目前沈院士帶領我們十幾人的團隊主要在做基礎理論工作，并逐漸把理論轉化為技術。我們做了一些實驗，也申請了幾項專利，鉆井效果肯定沒有問題，開發方面正在做機理研究。目前這個項目已被列為國家自然基金重點項目，也和中石油有合作，但要想實現完全商業化的應用，可能還需要幾年時間。
來源：中國能源報
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