超临界CO2压裂煤岩储层增产煤层气应用发展前景

王雅丽，李治刚，郭红光

(太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024)

我国煤层气资源储量丰富，仅次于俄罗斯与加拿大[1-2]，远高于美国和澳大利亚，但我国煤层气产量却始终较低。煤层气开发缓慢的主要限制因素在于我国煤层气储层普遍存在压力较低、饱和度低、渗透率低和吸附性高(“三低一高”)的属性。而煤层气开采技术的发展在提供清洁能源的同时又可以有效解决煤矿生产安全问题，具有十分重要的经济及社会意义。因此，我国煤层气资源可利用性的分析评价及有效的开发技术在未来能源消费战略中显得尤为重要。

据原国土资源部2018年数据显示[3]，全国埋深2 000 m以浅煤层气地质资源储量约为30.05×1012m3,可采资源量约为12.50×1012m3。其中，埋深未超过1 500 m的可采资源量占总可采资源量的70%左右，是当前乃至未来一段时间内主要开采对象；埋深分布在1 000～1 500 m的可采资源量占总量的34%左右，这部分资源地质埋深较高、煤层温度高、地应力大、渗透率低。而较低的渗透率不利于煤层中甲烷扩散与渗流，严重制约了煤层气开采技术发展。因此，如何增加储层渗透率已成为当前煤层气有效开采的重要研究方向。本文主要探讨了水力压裂、CO2/N2气相压裂、液态CO2压裂及超临界CO2压裂等渗透率强化技术的发展历程，分析了超临界CO2与其他压裂介质在压裂煤、岩体的实验研究结果，阐释了超临界CO2压裂技术在煤层气绿色高效开采领域的进一步发展趋势。

1 渗透率强化技术发展历程

目前，煤储层强化渗透率的方法主要借助人工诱导对矿体进行物理、化学或力学特性改造，促使煤岩体原始孔隙结构改变、孔裂隙度增加，进而提高渗透率，如水力压裂技术、泡沫压裂技术、水力割缝技术、CO2不同相态压裂技术等。此外，还可结合注气驱替技术增大甲烷的解吸速率，同时实现煤层气开采过程中的解吸、扩散与渗流。现主要探讨以常规水力压裂等为主的渗透率强化技术的发展历程。

1.1 水力压裂技术

20世纪中期，HUBBERT等[4]从力学角度阐明了水力压裂改性岩体结构的基本原理，认为高压泵组将压裂液经井筒不断注入储层的过程中，切向应力会最先达到岩石的抗拉强度，使得岩石破裂产生裂缝，最后在垂直于最小主应力的方向上逐渐形成系列裂缝，增大油气资源的运移通道。1947年，美国最早在堪萨斯州使用水力压裂技术试验油井成功[5]，之后在圣胡安盆地、黑勇士盆地等盆地的煤层气开采中应用并取得了显著的采收效果[6]。1965年，我国抚顺研究所首次采用地面钻孔的方式将水力压裂技术应用于煤层瓦斯治理，随后在山西阳泉、湖南红卫、辽宁北龙凤等煤矿先后进行现场试验，瓦斯治理效果显著；20世纪90年代后，开始逐步应用于开采油、煤层气等现场试验[7-8]。

近些年，水力压裂技术低成本、强适应性特点使其在油气资源开采中占据主导地位，但随之出现的水资源消耗与污染风险，储层“水锁、水敏”伤害及压裂造缝成网困难等问题也日益突出[9-10]，因此，现阶段水力压裂技术的发展主要着重于高性能压裂液与支撑剂的研究与应用[11-12]，以期减少储层伤害。

1.2 气相压裂技术

CO2气相压裂技术是指利用电加热设备使得液态CO2瞬间气化，体积膨胀、压力剧增时释放出的能量对储层进行压裂。20世纪30年代，利用CO2液气两相转化时释放的能量进行爆破的技术最早成为了煤矿安全开采的一项重要技术。由于该技术使用惰性气体爆破安全性能高，在爆破后可提供高产量的块煤且不会产生过多的细粉，直至20世纪90年代，其在世界范围内的应用仍十分广泛[13-14]。20世纪末，我国引入CO2气相压裂技术，2011年开始在山西潞安煤矿进行现场试验，用于增产煤层气[15]；此外，该技术在煤矿井下防突、煤层卸压、工作面快速掘进等一系列瓦斯综合治理工作中发挥着重要的作用[16]。

近年来，随着无水压裂流体在世界范围内的非常规天然气开采中成为了新的方向，N2气相压裂改造储层技术也渐渐受到了学者们的关注[17]。总体而言，气相压裂技术返排迅速、对储层无伤害，同时气体的强扩散性也可增强裂缝网络的复杂性，提高甲烷解吸能力，是一种环保、高效的渗透率强化技术。但由于其短期增渗效果较好，更多适用于煤矿井下局部瓦斯治理工作。

1.3 液态CO2压裂技术

1981年，美国学者最先提出使用液态CO2作为压裂液，协同支撑剂共同压裂地层、形成裂缝、驱替增产油气的工艺；同年7月，加拿大将其应用于油田增产作业，采收效果显著[18]。1982年，ALLEN等[19]详细的阐明了液态CO2压裂的工艺流程以及技术优势：压裂首先需要将支撑剂与液态CO2压裂液在特殊的混砂设备中混合，之后经高压泵泵送至井筒内对储层进行压裂，且相比于水基压裂液，液态CO2注入井筒后，几乎不会对水敏性地层造成伤害，同时压裂后的返排更加彻底迅速。21世纪初，我国引入该项技术，先后应用于石油、天然气、页岩气开采等众多领域[20]。2008年，首次在安徽淮北成功压裂煤层气井，实现了我国煤层气开采技术的又一次重大突破[21]。

液态CO2压裂技术的发展虽可在一定程度上缓解水资源压力、减少储层伤害，但也存在许多问题，如液态CO2摩擦阻力高、携砂性能差、滤失量大等，此外还需要专门的密闭混砂设备，投入成本较高。因此，近年来，如何增稠降阻仍是该技术主要研究与发展趋势[22]。

1.4 超临界CO2压裂技术

当CO2所处的温度与压力超过临界值后(T>31.060 ℃，P>7.390 MPa)，就会进入超临界状态。超临界CO2是介于气体和液体之间的一种流体，同时具有气体、液体的双重特点：其黏度较小近似于气体、而密度较高接近于液体、扩散系数较大、压缩性较强、表面张力接近于零[23]。

2010年，沈忠厚等[24]最先提出将超临界CO2流体用于连续钻井技术，并分析了该技术的可行性与技术优势，认为超临界流体独特的物理特性可加快破岩速度、增大携岩能力，同时能有效保护储层。2011年，王海柱等[25]提出了超临界CO2开发页岩气技术，指出CO2在井筒内很容易可以达到超临界状态，同时在渗流中可实现驱替置换微裂隙中甲烷的功效，从而达到增产的效果；该项技术的提出为煤层气储层的增透改性提供了又一新思路：将超临界CO2流体作为携砂液，混入支撑剂高压注入煤层后，其低黏度、强扩散性特性使得流体更易于进入微小孔裂隙结构中，形成较为复杂的裂缝网络结构，拓宽气体运移通道。此外，超临界CO2不仅能驱替煤层中甲烷，加快甲烷解吸速率，提高产出速率[26]；还可溶解萃取煤基质中的部分有机质，促使煤体孔隙结构进一步改善，煤层透气性增大[27-28]。超临界CO2压裂时除高压密闭混砂设备外，为保证CO2顺利泵入井内且在浅部煤层压裂时仍一直处于超临界状态，还需配备泵组降温装置及地面加热装置。2017年，该技术首次在我国陕西延安地区进行了现场测试，增产效果提高40%以上[29]。

采用超临界CO2压裂技术改造储层时，CO2成本低、来源广；压裂储层无伤害；造缝成网效果更佳；返排彻底，此外还可实现CO2的地质封存。但超临界CO2携砂性差、摩擦阻力高、压裂增产机理研究不足，缺乏多角度综合机理研究，因此，关于超临界CO2压裂储层的研究应多从物理、化学及力学多重角度入手，以期在综合改造的基础上提高煤储层渗透率和煤层气产量。

2 不同压裂介质增透改性煤岩储层研究进展

本文详细整理了近五年来有关于水力、液态CO2与新兴超临界CO2压裂煤、岩体的实验研究。并从起裂压力及时间变化规律，裂缝扩展延伸规律以及压裂前后试样渗透率变化规律等三个方面进行分析与探讨。

2.1 起裂压力及时间变化规律研究

由表1可以看出，以水作为压裂介质时，页岩与煤样的起裂压力值分别为30.80 MPa、17.07 MPa；起裂时间分别为150.00～600.00 s、36.46 s左右。以液态CO2作为压裂介质时，页岩与煤样的起裂压力值分别为17.68 MPa、11 MPa；起裂时间分别为600.00 s、50.00 s。以超临界CO2作为压裂介质时，页岩与煤样的起裂压力值分别分布在15.20 MPa左右以及10.33～12.05 MPa之间；起裂时间分别为700.00 s、69.65 s。

表1 不同压裂介质实验中起裂压力及时间变化规律Table 1 Change rule of initiation pressure and time for hydraulic,L-CO2 and Sc-CO2 fracturing

对比不同压裂介质的起裂压力，页岩超临界CO2压裂时起裂压力值比水、液态CO2分别低50.65%、14.03%；而煤样超临界CO2压裂时起裂压力值比水、液态CO2分别低39.48%、6.10%。因此，煤、岩水力压裂时起裂压力值最高，液态CO2压裂次之，超临界CO2压裂时起裂压力值最低。这主要是由于低黏度、强扩散性超临界CO2流体作用于页岩后，可有效地渗流到岩石的微小孔隙中，促使孔隙压力增大、有效应力值降低。而超临界CO2流体注入煤体过程中不仅能实现孔隙的增压，还可萃取部分有机质，改变煤体孔裂隙结构，降低了煤体的抗拉强度、弹性模量等力学特性，引起起裂压力值的降低。

对比不同压裂介质的起裂时间，页岩超临界CO2压裂时起裂时间为水的1.2～4.7倍，液态CO2的1.2倍；煤样超临界CO2压裂时起裂时间约为水的2.0倍，液态CO2的1.4倍。因此，煤、岩水力压裂时起裂时间最短，而超临界CO2压裂时起裂时间最长。这主要是由于超临界CO2比其他压裂介质的黏度更低、扩散性更强，压裂煤岩体初期有效渗透压较小，需要较长的时间增大孔隙压力，导致起裂时间相对延长。

2.2 裂缝扩展延伸规律研究

不同压裂介质压裂煤、岩储层时，裂缝扩展延伸规律主要可体现在主裂缝数量、长度及延展方向、衍生裂缝发育程度及延展性、裂缝表面粗糙与复杂程度等多方面。

2.2.1 页岩压裂后裂缝延伸规律

图1～图3分别为页岩水力压裂、液态CO2压裂、超临界CO2压裂后的CT扫描图像[30]。页岩实验规格为200 mm×200 mm×200 mm，温度分别设置为60 ℃、18 ℃、60 ℃，注入速率30 mL/min，应力条件(σv/σH/σh)为12 MPa、10 MPa、8 MPa。

图1 页岩水力压裂后层理面与垂直层理面的CT扫描图像Fig.1 CT scan images of the bedding plane andthe vertical bedding plane with hydraulicfracturing in shale

图2 页岩液态CO2压裂后层理面与垂直层理面的CT扫描图像Fig.2 CT scan images of the bedding plane andthe vertical bedding plane withliquid CO2 in shale

图3 页岩超临界CO2压裂后层理面与垂直层理面的CT扫描图像Fig.3 CT scan images of the bedding plane andthe vertical bedding plane withsupercritical CO2 in shale

关于压裂后主裂缝数量、长度及延展方向等的变化规律，从图1～图3可以看出，水力压裂后两个面均形成单一的贯穿性主裂缝，主裂缝长度为190～203 mm，沿垂直层理或平行层理方向扩展。液态CO2压裂后层理面形成了两条近乎平行的主裂缝(图2(a))，裂缝长度为188～212 mm，与最大水平主应力方向成一定的角度扩展；而垂直层理面(图2(b))形成了一条约为180 mm的主裂缝，与轴向方向成一定角度扩展。导致主裂缝扩展方向改变的原因主要是液态CO2流体在压裂过程中比水更易于渗入岩体的岩性弱面，致使主裂缝扩展方向不平行或不垂直于层理面。超临界CO2压裂后两个面均形成了两条相交的主裂缝，且裂缝长度最长可达280 mm左右(图3(a))。这可能是由于超临界CO2的强扩散性能使各孔隙之间的连通性加大，导致主裂缝扩展方向更为多样。因此，超临界CO2压裂后形成的贯穿性主裂缝数量最多、长度最长、扩展方向最丰富。

关于压裂后衍生裂隙的发育程度及延展性的变化规律可以看出，水力压裂后主要生成3条次生裂缝，且延展性最好的次生裂缝长度可达72 mm(图1(b))。液态CO2压裂后会形成数量较多的层理裂缝，长度在100～140 mm之间(图2(b))。而超临界CO2压裂后衍生裂隙数量最多，其中，层理裂缝的长度在50～60 mm之间，次生裂缝长度为20～30 mm(图3(b))。因此，水力压裂或液态CO2压裂后主要形成单一的延展性较好的次生裂缝或层理裂缝，而超临界CO2压裂后次生裂缝以及层理裂缝的延展性略差，但衍生裂隙总体发育程度较高。

此外，关于压裂后裂缝的扩展路径的曲折程度变化可以看出，水力压裂后，裂缝扩展路径较为平直(图1)。液态CO2压裂后，裂缝扩展过程中出现部分断开或更多弯折，致使裂缝扩展路径趋于曲折，裂缝表面粗糙度增大(图2(a))。超临界CO2压裂时，受低黏度流体强渗透性作用影响，裂缝扩展路径更为曲折，裂缝表面粗糙度最大(图3)。因此，水力压裂后裂缝扩展路径最平直，而超临界CO2流体压裂过程中更易于沟通原生微裂隙，致使裂缝扩展路径最为曲折。

综上所述，与其他压裂介质相比，页岩超临界CO2压裂后形成的主裂缝的数量最多、长度最长、扩展方向最丰富；衍生裂缝的数量最多，延展性较好；裂缝的扩展路径最为复杂曲折，最易于形成复杂的裂缝网络结构。

2.2.2 煤样压裂后裂缝延伸规律

图4分别为煤样水力压裂、液态CO2压裂、超临界CO2压裂后图像[32-33]。可以看出，水力压裂后仅形成单一的沿轴向断裂式主裂缝(图4(a))；液态CO2高流速(50 mL/min)注入煤体时，其单位时间的扩散能力会进一步加强，压裂较易于进入微孔裂隙中，最终形成了多条垂直或水平相交的复杂主裂缝(图4(b))；超临界CO2压裂后形成的主裂缝数量较多，且以沿平行层理方向扩展的裂缝为主(图4(c))。

图4 煤样不同介质压裂后图像Fig.4 Images of coal sample after fracturing with hydraulic,liquid CO2 and supercritical CO2

煤样压裂后主裂缝的长度普遍较长，部分可扩展至试样界面，甚至直接破裂。文虎等[34]的现场试验结果更是表明，液态CO2压裂后的裂缝半长是水力压裂的2倍左右，可达10～20 m；而王磊等[32]的实验结果表明，水力压裂后裂缝的宽度大部分位于0.45～0.85 mm之间，而超临界CO2压裂后表面裂缝宽度主要集中在0.05～0.45 mm之间。

煤样压裂后衍生裂隙发育程度及延展性变化规律与岩样相似，且随水平应力差改变呈现出较大的差异性影响。图5为4 MPa水平应力差条件下(14 MPa、16 MPa、12 MPa)，煤样水、超临界CO2压裂后垂直层理面图像[32]。可以看出，水力压裂后生成的次生裂缝数量较多(图5(a))；超临界CO2压裂后生成的层理裂缝数量较多且延展性较好，可扩展至试样界面(图5(b))；次生裂缝数量略少，且延展性不及层理裂缝，未能扩展至试样界面(图5(c))。因此，在较小水平应力差条件下，煤样超临界CO2压裂后衍生裂隙发育程度较高，且层理裂缝的延展性优于次生裂缝。这主要是由于在较小水平应力差条件下，层理弱面存在对衍生裂缝的形成起决定性作用。而超临界CO2流体扩散性能优于水，压裂时会优先沿着层理弱面性较大的裂缝进行渗流，形成更多延展性较好的层理裂缝。

图5 煤样4 MPa水平应力差条件下垂直层理面图像Fig.5 Images of vertical bedding plane under the conditionof 4 MPa horizontal stress difference of coal sample

图6为6 MPa水平应力差条件下(14 MPa/16 MPa/10 MPa)，煤样水、超临界CO2压裂后垂直层理面图像[32]。可以看出，随着水平应力差的增大，水力压裂及超临界CO2压裂后衍生裂缝发育程度均有所下降，主裂缝延伸过程中只形成少量次生裂缝，且次生裂缝的延展性较差。因此，煤样低水平应力差条件下衍生裂隙的发育程度较高、延展性较好，更易于形成的复杂裂缝网络。随着水平应力差的增大，衍生裂缝数量逐渐减少，延展性变差。

图6 煤样6 MPa水平应力差条件下垂直层理面图像Fig.6 Images of vertical bedding plane under the conditionof 6 MPa horizontal stress difference of coal sample

此外，压裂后裂缝扩展路径及裂缝表面粗糙程度受水平应力差的影响较大，在不同压裂介质作用下呈现出相似的变化规律。当水平应力差较小为4 MPa时，裂缝扩展路径受原始层理裂缝的存在会出现较多偏折(图5)。随着水平应力差继续增大到6 MPa时，水力压裂或超临界CO2压裂后裂缝主要沿轴向方向扩展，且主裂缝延伸过程中虽仍发生部分偏折，或生成较少的次生裂缝，但裂缝扩展路径总体趋于平直(图6)。而图7为液态CO2在不同水平应力差条件下裂缝扩展图[33]。可以看出，8 MPa水平应力差条件下压裂时(图7(b))，试件沿着平直的主裂缝直接破裂，且裂缝表面也比6 MPa水平应力差条件下更为平整(图7(a))。因此，煤样压裂后裂缝扩展路径会随水平应力差的增大而趋于平直，裂缝表面粗糙度随之下降。

图7 煤样液态CO2不同水平应力差压裂后图像Fig.7 Images of coal sample under differenthorizontal stress difference with liquid CO2

综上所述，煤样液态CO2高流速压裂及超临界CO2压裂后形成的主裂缝的数量较多、扩展方向丰富多样。低水平应力差条件下，超临界CO2压裂更利于层理裂缝及次生裂缝的扩展延伸；高水平应力差条件下，不同压裂介质作用后均以平直主裂缝的扩展为主，且裂缝表面粗糙度较小。

2.3 渗透率变化规律研究

渗透率变化作为储层增透效果最直观的体现，常以渗透率数量级变化进行表征。表2总结了部分水力压裂、超临界CO2压裂煤、岩储层前后渗透率变化情况。由表2可以看出，页岩水力压裂后渗透率提高了约2个数量级，超临界CO2压裂后渗透率提高了3～5个数量级；煤样水力压裂后渗透率提高了1～2个数量级；超临界CO2压裂后渗透率提高了2～3个数量级。

表2 水力压裂、超临界CO2压裂页岩、煤样前后渗透率变化规律Table 2 The change rule of permeability in shale or coal sample before and after fracturing by hydraulic and Sc-CO2 fracturing

这表明，煤岩储层超临界CO2压裂后渗透率数量级变化量总体大于水力压裂。其中，页岩超临界CO2压裂后渗透率数量级变化量是水力压裂的1.5～2.5倍；而煤样超临界CO2压裂后渗透率数量级变化是水力压裂后的1.5～3.0倍。因此，超临界CO2压裂在煤、岩储层中均可实现较好的增透效果。

3 结 论

1) 煤、岩水力压裂时起裂压力最高，起裂时间最短；超临界CO2压裂时渗透性极强，压裂前期主要致力于增加孔隙压力，降低了有效应力，进而导致了起裂压力比水、液态CO2低，起裂时间最长。

2) 煤、岩不同介质压裂后裂缝扩展规律差异明显：水力压裂后形成的裂缝数量有限，衍生裂隙发育程度略低，裂缝扩展形式单一；液态CO2压裂后裂缝主要以层理裂缝扩展为主，贯穿性主裂缝数量优于水力压裂，但次生裂隙数量较少，难以形成复杂的裂缝网络结构；超临界CO2压裂后裂缝数量多且分布广，裂隙宽度虽不及水力压裂，但贯穿性主裂缝数量多且衍生裂隙的延展性较好，层理裂缝及次生裂缝的复杂程度最高。

3) 煤、岩超临界CO2压裂后渗透率数量级的变化量分别约为水力压裂的1.5～3倍、1.5～2.5倍。特别是对于煤中有机质而言，由于超临界CO2对煤体的溶蚀作用，渗透率的强化效果更为显著。