scCO2 强化页岩气开采与地下封存一体化展望

芦升彦，范鹏鹏

（长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100）

页岩气一般生长在泥质岩层中，其气藏在孔隙结构、渗流规律以及赋存形式等方面都与常规气藏有显著的差异，开采难度很大[1]。迄今为止，美国的页岩气革命成效显著，世界诸多国家相继对页岩气成功进行了商业性开发。中国油气对外依存度高，常规油气资源有限，因此，高效开发以页岩气为主的非常规天然气是我国缓解能源紧缺局势、改善能源结构最有效的方式。我国页岩气储量十分丰富，期望值可达134420 亿m3，其中当前可采储量占20%，具有良好的开发前景，但开采难度较大。开发现场多利用水力压裂技术对页岩储层实施人工改造，增大储层渗透率，进而实现其开发和稳产[2]。水力压裂对地层伤害较大，压裂体积改造效果差，单井产能和采收率低，导致页岩气的经济可采储量大幅度下降[3]。

scCO2-ESGR 技术不仅能够起到强化页岩气高效开采，代替水对页岩储层实施破岩和压裂，同时可实现将残余的CO2就地封存于页岩储层中，实现利用与封存共赢。尽管目前我国二氧化碳驱油技术，已在油田开发现场得到了广泛应用[4]，但关于scCO2-ESGR 技术的研究仍处于实验室研究和探索试验阶段，因此，需要加强对其机理与关键技术等多方面的分析和研究。

1 超临界CO2 特性

伴随scCO2-ESGR 技术的提出和应用，CO2在页岩气开发方面大显身手。CO2在常规情况下以气体的形式存在，无色、无毒且物理化学性质稳定，其密度是空气的1.53 倍。如图1 所示，CO2的三相点为－56.56℃（216.59K）、0.52MPa，临界点为31.10℃（304.25K）、7.38MPa。随着施加于CO2温压的不断增大，CO2不断液化，达到临界点后，CO2进入超临界态。

图1 CO2 相态图Fig.1 Phase diagram of carbon dioxide

在页岩储层高温高压的环境下，CO2处于超临界状态，物理性质极不稳定。scCO2既不同于气体又不同于液体，却兼顾两者的特性，是一种具有特殊性质的相态[5]。其具有许多独特的物理化学性质：密度接近于水，溶剂化能力强；黏度非常低，接近于气体；传质和传热性能良好；界面张力几乎为零，可迅速进入页岩储层微观孔隙中；易流动、摩阻系数低[6]。scCO2这些独特的物化性质决定了其在页岩气开发过程中必然起到重要的作用。

2 scCO2-ESGR 技术

scCO2-ESGR 技术以scCO2代替常规的压裂液，利用CO2驱替页岩层中的CH4，并同时对CO2实施封存，其关键技术包括scCO2破岩、致裂和增渗，CO2置换驱替页岩气及CO2封存。

2.1 射流破岩

scCO2射流破岩是将CO2输送到地层深处，使其进入超临界状态，应用CO2破岩阈压较低的特性实施破岩[7]。目前，对于scCO2射流破岩技术的研究，大多集中于采用实测和模拟方法对其携砂能力、破岩参数及冲击效果进行分析和评价。

Kollé[8]等首次将scCO2射流技术应用于破岩试验，结果表明，CO2的破岩阈压比水要低很多，其钻进速度是用水的3 倍以上。程宇雄[9]等开展了scCO2射流和水射流冲击压力对比实验，得出scCO2射流的冲击效果明显优于水射流。贺振国[10]等的实验结果表明，scCO2流体具有良好的颗粒携带能力，可有效进行高效冲蚀切割作业。黄飞[11]等对不同灌注压力下CO2射流破岩的效果进行研究，结果显示，经CO2冲蚀后，页岩呈大面积网格化层状破碎，其力学特性降低，微观结构发生变化，破岩效果显著。杜玉昆[12]等开展了scCO2破岩室内实验，得出scCO2破岩体积是水的1.73～6.51 倍，射流喷射后岩石强度降低。scCO2射流破岩技术在钻进速度、颗粒携带能力、破岩体积及冲击效果等方面都存在较大的技术优势。同时CO2射流冲击剪切力与剥蚀力更强，喷嘴压能损耗更低，热破裂作用更大，破岩范围更广。

2.2 压裂增渗

以scCO2为压裂液不会引起黏土矿物发生物性变化，可有效规避卡钻和孔隙喉道堵塞现象的发生。scCO2压裂与常规压裂技术的优缺点对比见表1。国内外研究学者大多结合室内实验、数值模拟及理论模型，对scCO2压裂页岩储层后的裂缝扩展、起裂压力及增渗效果等进行研究。

表1 scCO2-ESGR 技术与常用CO2 封存技术对比Tab.1 ScCO2-ESGR technology and commonly used CO2 storage technology comparison

Zhang[13]分别以scCO2、液态CO2及水对模拟页岩储层实施压裂，得出超临界CO2更易导致储层形成次生裂缝，裂缝延展效果最好。Bennour[14]基于声波监测装置，开展了高稠油、H2O 及液态CO2的储层压裂对照试验，对比了不同应力条件下地层压裂后的裂缝形态，结果表明，CO2压裂后裂缝的延伸范围最大。Li[15]等通过对CO2、H2O 和N2在页岩储层改造中的表现进行对比，结果显示CO2的造缝性更强，其压裂形成的裂缝表面粗糙程度最大。苏建政[16]等对scCO2压裂裂缝延伸与扩展机理进行了研究，得出scCO2可弱化地应力对裂缝的约束能力，大幅度降低裂缝的起裂压力。卢义玉[17]等通过室内实验，对比了真三轴scCO2与水力压裂后的裂缝延伸规律，结果显示scCO2压裂后储层有多次起裂，裂缝呈多条网格化分布。陈立强[18]等结合scCO2起裂压力模型，开展了H2O、液态CO2及scCO2起裂压力对比实验，发现scCO2的起裂压力最低。

综合以上研究，scCO2因其渗透性强、摩阻低、增压效果显著等特点，更易与天然裂缝连接，导致脆性岩石的剪切滑移，促使储层裂缝向四周延伸，大幅度提高储层的渗透率。当前超临界CO2压裂技术仍处于起步阶段，对裂缝的延伸规律尚没有全面系统的研究。目前，该技术仍面临加砂规模无法进一步扩展和管柱摩阻相对较大的技术难题。

2.3 置换驱替

超临界CO2置换驱替页岩气是一个复杂的动态过程，CO2和CH4的竞争吸附作用是CO2置换CH4的关键机理。页岩气储层中富含多种有机质，这些多孔无序的有机质微观结构复杂，孔隙表面极不平整，吸附能力极强。以超临界CO2为基液对地层进行压裂后，由于CO2的吸附能力更强，因此，可替换吸附于孔隙表面的CH4，同时在对页岩储层破岩和压裂后，会形成更为复杂的缝网结构，导致更多的页岩气被置换出来。目前，关于scCO2置换驱替页岩气机理的研究还没有系统性的综述性报道，本文对此进行了相关总结。

Sun[19]等建立了新型双孔隙数学模型，结合数值模拟对CO2开采页岩气的效果进行了探讨，结果显示，增大CO2的灌注压力不仅可提高CH4的置换率，同时可加快CO2的流动，减少穿透时间。Kim[20]等研发了CO2驱替CH4模型，并对比了CO2在Barnett 盆地、Marcellus 盆地的现场应用效果，得出与吞吐法相比，CO2驱替CH4置换率更高。Li[21]等构建了CO2与CH4双组分传输模型，对灌注压力对CO2驱替CH4效果的影响进行了剖析，发现灌注压力与CH4置换率呈正相关。史云清[22]等对低渗致密气藏注scCO2的驱替过程进行了研究，并从试验和数值模拟两方面论证了scCO2的驱替机理。王千[23]等对CO2驱替方式对储层物理性质变化的影响进行了研究，发现参与流动孔隙的大小、颗粒运移的能力及CO2与储层岩石和地层水的相互作用程度是导致驱替后岩石物性变化的主要原因。李毅[24]等结合瞬时吸附模型与时间依赖模型对CO2驱替CH4的效果进行了研究，得出吸附解吸的时间越长，页岩气的驱替量越低。

综合已有的研究结果，CO2的灌注压力、驱替方式及吸附解吸时间等都会对驱替效果产生一定的影响。由于有机质对CO2的选择性系数更大，且在相同压力梯度下，CO2的流动性比CH4低的多[25]，很容易促使CH4从页岩气有机质中驱替出来。

2.4 封存

与常规的CO2埋存相比，scCO2-ESGR 技术有明显的优势，在保证CO2长期稳定储存的前提下，实现CO2资源化处理，并带来直接的经济效益，同时大幅度降低了封存工艺的安全风险和环保压力。Tao[26]等研发了新型算法对Marcellus 盆地的CO2封存能力进行了估算，得出到2030 年，该地区页岩储层可储存10.4～18.4 亿t 的CO2。Sun[19]等基于克努森扩散和Fick 扩散原理，研发了CO2和CH4双重孔隙传递模型，对不同灌注压力下CO2开采页岩气的效果进行了研究，发现随着灌注压力的升高，CO2的封存量变大。

由表1 可以看出，scCO2-ESGR 与常用的CO2封存技术相比，优势明显。但也存在一定的操作风险和安全隐患，需要利用相关技术对其封存系统的完整性进行定性和定量的研究和分析，深挖封存过程中潜在的泄露风险。

3 技术评价

3.1 技术优越性

高效致裂页岩层，增加储层渗透性。scCO2具备类似液体的高密度，可实现对页岩储层实施压裂。scCO2流体储层伤害低污染小。以scCO2为介质，可节约大量的水资源，适合于我国的国情。scCO2的破岩门限压力很低，喷射钻井时可达到较高的机械钻速。

高效置换驱替页岩气，实现封存一体化。有机质对CO2的吸附能力是CH4的4～20 倍，可实现高效驱替储层中的CH4，显著提升气井单井产量。scCO2表面张力接近于零，黏度小，扩散性强，驱替页岩气效率高。节约水资源，实现CO2资源化处理，将残余的CO2就地封存于页岩储层中，可缓解温室效应，改善全球气候条件。

3.2 面临的挑战

相关机制和技术不够完善。至今仍未找到一种可对页岩储层进行精细表征的地球物理方法，对于优质页岩储层的预测和评价尚没有统一的标准。CO2压裂液的携沙能力较弱，低支撑剂浓度下裂缝易闭合，对页岩气开采极为不利。需要建立适用scCO2开采页岩气的安全评价-理论监测方法体系。

投资成本高，安全与环保压力大。超临界CO2作业设备的投资和建设成本比常规作业高的多，CO2的输送和保存过程中耗费资金较大。液态CO2的性质极不稳定，在高压传送过程操作不当会引起大面积泄露导致人员伤亡。一旦后期封存失败，泄露的CO2会造成埋存地区地下水、植被和土壤等生态系统的破坏[30]，加重温室效应。

4 展望

scCO2强化页岩气开采与地下封存一体化技术因其具有节能减排和高效开采页岩气的特点，已成为未来页岩气开采和发展的新方向。scCO2-ESGR技术以scCO2代替常规的水，利用CO2驱替储层中的CH4，并对残余的CO2就地埋存，达到了"封存与利用相融，减排与效益双赢"的目的。我国scCO2-ESGR 技术尚未成熟，许多关键技术有待解决，诸多专家和学者进行了大量超临界CO2钻井、破岩、压裂方面的理论与实验研究，取得了初步成果。但受技术设施不完善、储层表征模糊及诸多工程风险问题的限制，scCO2-ESGR 技术的研究步伐十分缓慢。建议积极开展scCO2射流、压裂、置换、驱替等方面的理论研究，同时加强现场的相关技术性和经济性评价，为该技术的规模商业化发展铺平道路。