页岩储层液态药爆炸压裂机理研究

杜芳利 ，景 旗

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.中国石油天然气集团公司油气藏改造重点实验室高能气体压裂分室，陕西西安 710065）

我国页岩气资源储量十分丰富，根据中国石油天然气集团有限公司评价指出我国页岩气地质资源量80×1012m3，探明地质储量 0.54×1012m3[1]。2017 年，我国天然气消费量2 373×108m3，同比增长15%，对外依存度39%，未来天然气消费量和缺口将进一步增加。页岩气作为常规油气的重要补充，加快页岩气商业开发利用，可缓解天然气供给不足的紧张局面。针对我国页岩储层岩性致密，较低的孔隙度和极低的渗透率特征的开发难题，开展了页岩储层液态药爆炸压裂机理研究。近多年来页岩气开发成为国内外专家学者攻关的重点对象。由于国内水资源短缺，且压裂液返排问题可能导致地层水污染等因素，致使美国大规模滑溜水压裂技术在国内实用性不强，因此液态药爆炸压裂有望成为打开中国页岩气资源的钥匙[2]。本文通过国内外页岩气开发的资料并结合液态药爆炸压裂技术的作用特点，对爆炸压裂技术用于页岩气开发从而产生复杂裂缝网机理进行研究。

1 液态药爆炸压裂储层特征

1.1 页岩储层结构弱面发育分析

结构弱面是指具有极低或没有抗拉强度的不连续面，它是具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面。储层中天然裂缝（结构弱面）或者基质中的薄弱点是实现复杂缝网改造的前提条件。由岩石动力学与爆破理论可知，爆炸作用过程首先由液态药爆炸产生的冲击波破碎天然裂缝壁面岩石，形成爆炸主裂缝；随着冲击波衰减为应力波，撕裂破碎区外的储层岩石，在岩石中产生大量初始微裂缝[3]。其次爆炸产生的高温高压气体楔入应力波产生的初始微裂缝中，当缝内气体压力达到裂缝起裂扩展条件时，微裂缝开始扩展，从而在爆炸主裂缝周围产生大量次生裂缝，由于整个过程加载率较高，次生裂缝形成复杂的缝网。因此液态药爆炸压裂的过程必然是天然裂缝优先开启并且相互连通，而天然裂缝是诱导复杂裂缝延伸的主要因素，天然裂缝越发育越容易形成复杂缝网[4]（见图1）。

图1 液态药爆炸压裂示意图

1.2 页岩储层脆性分析

在页岩储层宏微观破坏特征的基础上，认为脆性是岩石的综合力学特性，是在自身天然非均质性和外在特定加载条件下产生内部非均匀应力，并导致局部破坏，进而形成多维破裂面的能力。依据国内外对页岩储层可压性的评价经验，岩石的脆性指数可表示压裂的难易程度，同时也可以表明压裂后裂缝的复杂程度。国内外学者先后提出多种方法来建立特定的脆性因子，笔者采用Rickman提出的弹性模量归一化，泊松比归一化后加权平均来计算岩石脆性指数[5]。

式中：YM_BRIT-弹性模量所对应的脆性特征参数，无因次；PR_BRIT-泊松比所对应的特征参数，无因次；BRIT-总的脆性特征参数，无因次；YMS_C-页岩储层岩石综合测定的弹性模量，GPa；PR_C-岩石的泊松比，无因次。

我国龙马溪组A井页岩储层的弹性模量范围为8 GPa～40.9 GPa，均值为 22.2 GPa，泊松比为 0.1～0.25，均值为0.18[6]。根据Rickman提出计算岩石脆性指数的方法可计算出A井弹性模量所对应的脆性特征参数范围为100～570，均值为303，泊松比所对应的脆性特征参数范围为60～120，均值为88；总的脆性特征参数范围为80～345，均值为196。依据美国页岩气开采经验，岩石的脆性特征参数大于50后，储层的裂缝形态更容易形成网状，因此在该井压裂产生多裂缝网的机率较高，适合采用液态药爆炸压裂技术进行缝网压裂。

表1 页岩气无水/少水压裂新技术汇总

2 液态药爆炸压裂优势及特点

2.1 与滑溜水压裂比较

液态药爆炸压裂与滑溜水压裂形成的裂缝相比，爆炸压裂产生的裂缝相对较短，但容易形成相对复杂的裂缝网络，沟通更多的天然裂缝；液态药爆炸压裂裂缝起裂时不受储层原始地应力的影响，可以形成不同方位的裂缝；爆炸压裂会使地层剪切错动形成自支撑，无需支撑剂。页岩滑溜水压裂过程会使用大量水资源，在水资源紧缺地区可能限制页岩气大规模的开发，而液态药爆炸压裂并不需要，相对更加经济。

2.2 与其他无水/少水压裂新技术比较

液态药爆炸压裂技术在国内处于探索阶段，属于超前储备技术。它不需要其他无水/少水压裂的大型设备，无需支撑剂，施工简单，成本低，还可以形成不受地应力控制的复杂缝网。目前已有的无水/少水压裂新技术（见表1）。

3 液态药爆炸压裂实验

3.1 液态药的性能和特点

通过优化液态药 NH4NO3、C3H5N3O9、TNT、RDX、HMX等5种主要组分，由氧化剂、燃烧剂、悬浮剂和敏化剂组成的液态药。主要技术参数：爆热（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）。经抗冲击、静电、摩擦感度及热稳定性检测实验符合国家民爆标准，压裂药性能设计参数适中可控；可满足不同岩层爆炸压裂产生多裂缝缝网的工艺要求；低爆速爆燃降低了对页气气井地层的破坏性及爆炸后对页岩层可能产生的压实作用[7，8]。

3.2 爆炸压裂P-t动态测试方法

通过改进爆炸压裂模拟实验测试装置动态测试方法，揭示液态药爆炸压裂作用机理的爆速、爆压主控因素。室内爆燃压裂P-t动态模拟实验装置的改进及实验方法设计研究，建立了实验数据与P-t软件处理系统，优化了爆炸压裂模拟装置，满足了液态药爆炸性能的室外靶场测试与实验随机检测现场需要，简便快速、实用性强。动态P-t测试曲线（见图2），测试过程顺利正常，P-t曲线完整，能够达到设计的峰值压力，很好的反映出压力随时间完整作用过程。

图2 液态药爆炸压裂动态P-t测试曲线

3.3 地面靶裂缝扩展形态

通过地面模拟实验，结合主要控制参数爆速爆压及实验靶岩性参数等综合实验分析，裂缝趋势基本3～6随机产生，实验裂缝均为贯穿缝。实验产生的4条裂缝清晰规整，裂缝界面反映十分清晰。因此，采用一种大尺寸液态药爆炸压裂水泥靶实验，能够更真实模拟页岩储层形成多裂缝，对爆炸压裂产生多裂缝的形成与扩展规律研究有重要的指导意义（见图3）。

4 结论

（1）通过页岩储层结构弱面发育分析、液态药爆炸压裂水泥靶实验证明爆炸压裂可使页岩产生裂缝，同时也说明在页岩气井采用液态药爆炸压裂随机在页岩层中产生多条裂缝。

（2）液态药爆炸压裂技术与其他压裂技术相比较，其优势在于它可以形成不受地应力控制的复杂缝网，爆炸压裂会使地层剪切错动形成自支撑、无需支撑剂、对储层伤害极低。

图3 地面靶裂缝扩展形态

（3）页岩储层岩石的脆性可反映压裂复杂缝网的难易程度，通过对页岩储层脆性分析，我国龙马溪组A井压裂产生多裂缝网的机率较高，适合采用液态药爆炸压裂技术进行复杂缝网压裂。

（4）液态药爆炸压裂用于页岩储层的研究不仅为页岩气的开发提供新的研究思路，也对非常规天然气的开发具有指导意义。

乙醇汽油扩大推广亟须政策保障实施

日前召开的国务院常务会议决定，有序扩大车用乙醇汽油推广使用，除黑龙江、吉林、辽宁等11个试点省份外，今年进一步在北京、天津、河北等15个省市推广。

去年下发的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》提出，京津冀及周边、长三角、珠三角等大气污染防治重点区域2018年开始推广使用车用乙醇汽油；2019年，以上地区实现全覆盖；2020年，全国除新疆、西藏、青海外实现全覆盖。

当前，乙醇汽油推广尚存诸多难题，需要进一步引导与协调，政策保障仍是最主要因素。从市场供应角度来看，乙醇汽油分为两大组成部分——改性燃料乙醇和乙醇汽油调和组分油。其中，随着我国石化产业扩张，乙醇汽油调和组分油的供应来源相对广泛，结合调油技术手段可以满足后期所需。不过，改性燃料乙醇的供给问题一直为社会所关注。

目前我国燃料乙醇年产能在283万吨左右，年供应量约260万吨。据金联创统计，新建以及预期投建产能为480万吨。不过，2017年全国汽油表观消费量达到1.2亿吨，若按照10%的燃料乙醇添加比例，预计2020年燃料乙醇消费量将至少达到1 200万吨。这就意味着，即便新增产能顺利投产且高负荷运行，燃料乙醇仍有500万吨左右的供给缺口需要补充。

对此，国务院常务会议明确了生物燃料乙醇产业总体布局，即坚持控制总量、有限定点、公平准入，适量利用酒精闲置产能，适度布局粮食燃料乙醇生产，加快建设木薯燃料乙醇项目，开展秸秆、钢铁工业尾气等制燃料乙醇产业化示范。

（摘自中国石油报第7175期）