摘　要：中国陆相页岩气资源潜力较大。与海相页岩相比，陆相页岩气层具有厚度薄、脆性矿物含量低、黏土矿物含量高、压力低等特点，海相页岩气的开发技术(特别是压裂技术)并不完全适用。为此，针对陆相页岩气层的储层特征和压裂改造难点，分析了CO2泡沫压裂技术、CO2增能压裂技术和液态CO2压裂技术的特点，并在鄂尔多斯盆地中生界延长组长7段页岩气层开展了液态CO2压裂、CO2增能压裂应用试验。结果表明：纯液态CO2在2.0m³／min排量下可压开长7段页岩气层，压后排液迅速，24h后即点火可燃；同时，CO2增能压裂能显著提高压裂液返排速度和返排率，缩短排液周期，有利于陆相页岩气的勘探开发。此外，根据目前国内压裂设备和技术现状以及环保问题，提出了陆相页岩气层CO2压裂技术今后的应用和发展思路。

关键词：页岩气  陆相页岩CO2增能压裂  液态CO2压裂  应用  试验  鄂尔多斯盆地

Application of CO2 fracturing technology for terrestrial shale gas reservoirs

Abstract：China boasts of abundant terrestrial shale gas resources．Compared with marine shale，terrestrial shale has smaller thickness，lower content of brittle minerals，higher content of clay minerals，and lower pressure．Hence，the development technology for marine shale gas，especially the fracturing technology，is not entirely applicable to terrestrial shale．To this end。aimed at the reservoir characteristics and fracturing difficulties，the features of liquid CO2 foam and CO2 energized fracturing technology were analyzed，and their application tests were carried out in the gas shale in the Chang-7 Member of Mesozoic Yangchang Fm in the Ordos Basin．The application results showed that pure liquid CO2 at a discharge rate of 2.0m³／min was capable of fracturing shale gas reservoirs in Chang-7 Member with a rapid liquid unloading，and ignition could be conducted after 24h．Meanwhile，CO2 energized fracturing greatly improved the fracturing fluid flowback speed and rate to shorten the liquid unloading period，which all benefited the terrestrial shale gas exploration and development．Moreover，based on the analysis of the state-of-the-art of fracturing technologies and facilities in China，the application prospect and development idea were presented of the CO2 fracturing technology applied in terrestrial shale gas development．

Keywords：shale gas，terrestrial shale，marine shale，CO2 energized fracturing，liquid CO2 fracturing，application，test，Ordos Basin

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气^[1]。近年来，随着世界各国对能源需求的不断攀升和美国在页岩气开发上的巨大成功，页岩气成了全球关注的焦点。与美国页岩气主要形成于海相富有机质泥页岩层系不同，我国沉积盆地在多旋回的构造演化过程中，发育了海相、陆相及海陆过渡相3类富含有机质的泥页岩层系^[2-3]。其中，华北地区、准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地和松辽盆地等广泛发育陆相页岩^[2-3]，面积(20～28)×10⁴km³，可采资源量约为7.9×10¹²m³，在鄂尔多斯盆地东南部三叠系延长组长7段^[4]和四川盆地建南地区下侏罗统自流井组东岳庙段、元坝地区侏罗系珍珠冲段^[5]等陆相页岩中压裂并产气，获得突破，表明陆相页岩气资源潜力较大。

美国开发页岩气的经验表明，水平井技术、压裂技术的突破是页岩气规模开发的关键^[6]。与美国海相页岩相比，我国的陆相页岩具有分布局限、厚度薄、脆性矿物含量低、黏土矿物含量高等特点^[7]，海相页岩气的开发技术(特别是压裂技术)并不完全适用，这是急需解决的技术问题。

1　陆相页岩气层特征及开发难点

1．1　陆相页岩气层特征

我国陆相页岩气层主要形成于湖泊沉积环境中，表现为与海相页岩相似的水进体系域沉积背景^[8]。与海相地层相比，在平面分布上受限于分隔性较强的陆相环境，总体上分布范围小，单层厚度薄；在纵向上岩性多为黑色泥页岩、粉砂质泥岩互层，相变快，非均质性强^[4]；矿物组成复杂，脆性矿物以石英、长石为主，碳酸盐含量少，黏土矿物含量较高^[9]；孔隙度相对较低，基质渗透率极低。

以鄂尔多斯盆地东南部中生界延长组长7段泥页岩(俗称张家滩页岩)为例，主要由黑色、灰黑色泥岩、页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩组成；碎屑成分主要为石英、长石、云母、黏土矿物等，石英平均含量27.75％、长石平均含量26.28％、黏土矿物平均含量42.11％，其中黏土矿物以伊／蒙混层矿物为主(平均含量为71.7％)，其次是绿泥石、伊利石、高岭石等；孔隙度平均值为1.82％，渗透率平均值为0.163mD；孔隙类型以微孔为主，其次为粒间孔、自生矿物晶间孔、溶蚀孔隙等；发育多组裂缝，分布范围广、稳定。

1．2　陆相页岩气压裂改造难点

目前，美国在海相页岩气层应用的压裂技术有：大型滑溜水压裂、多级分段压裂、同步压裂等^[10-11]，取得了很好的应用效果。我国陆相页岩气层在压裂改造方面存在以下技术难点。

1)储层脆性矿物少、泥质含量高，不易形成网状裂缝，同时支撑剂易嵌入裂缝壁面^[12]，对压裂改造技术提出更高的要求。

2)储层黏土矿物含量高，具有较强的水敏性，黏土稳定剂必不可少，且用量较大，同时常规压裂助排剂吸附性较强，作用距离短，普通滑溜水压裂液体系难以满足低成本、高效益的开发要求。

3)我国陆相页岩气多为常压或异常低压储层(如延长组长7段页岩的压力系数为0.6～0.8)，且泥页岩孔隙吼道小，排驱压力高，压裂液水锁效应明显，返排慢，投产时间长。

4)当前页岩气压裂工艺用水量大，对水资源缺乏地区来说，施工备水困难，同时压后大量的返排液处理难度大，处理不当则会造成环境污染。

这些因素都不同程度地增加了压裂施工难度，使得陆相页岩气层的压裂改造面临更大的挑战。

2　CO2压裂技术特点

基于CO2独特的物理化学性质，从20世纪60年代便开始用到油田开发中^[13]，如CO2驱油、CO2压裂等，取得了较好的应用效果。

CO2压裂技术是指以CO2作为压裂液添加剂或携砂液的压裂增产工艺，按照CO2在压裂液体系中所占的比例，可分为CO2增能压裂、CO2泡沫压裂、液态CO2压裂3种工艺技术^[14]，主要应用于低压力、低渗透率、水敏性储层的增产改造。

CO2泡沫压裂是以CO2气液两相泡沫流体为载体，通过合理优化CO2的泡沫质量和压裂液配方，减少入井液量、降低储层伤害，达到增产目的。设计CO2泡沫压裂时，需要注意两点：①CO2比例(泡沫质量)须保持在52％以上，现场应用多在52％～75％之间；②由于CO2溶于水显弱酸性(pH值在3～4之间)，压裂液为弱酸性或耐弱酸体系。

CO2增能压裂有前置段塞、拌注两种增产方式，主要目的是利用液态CO2在地层温度下受热气化膨胀，增加地层能量，提高压裂液的返排速度和返排率，降低压裂液对储层的伤害。CO2前置段塞增能是在施工泵注开始阶段注入一定量的液态CO2，然后再进行正常加砂压裂，该方式可以避免CO2对压裂液性能的影响；CO2拌注增能压裂，相对于CO2泡沫压裂而言，区别在于泡沫质量低于52％。

液态CO2压裂是以100％液态CO2作为携砂液进行压裂的一种增产方式，压后CO2变成气体完全从地层中排出，因此也被称为干法压裂^[15]。纯液态CO2压开地层，形成裂缝，对储层岩石无伤害，且与地层流体配伍，变成气体后完全从地层排出，无残留，是一种真正对储层几乎无伤害的压裂技术^[16]。

3　CO2压裂技术应用试验

通过以上分析可以看出，CO2压裂技术较为适合陆相页岩气层的压裂改造，尤其是液态CO2压裂技术，不需要水和化学助剂，压后无返排液需要处理，对黏土矿物含量较高的陆相页岩气层，几乎无伤害，是陆相页岩气理想的压裂技术。为此，对鄂尔多斯盆地东南部长7段页岩气层开展了液态CO2压裂、CO2增能压裂技术应用试验。

3．1　液态CO2压裂技术应用试验

YY-1井井深l600m，长7段岩性为黑色页岩，厚度65m，录井气测异常，具有较好的试气价值。2012年4月，采用液态CO2压裂工艺对该井长7段页岩气层进行压裂，有明显破压显示，施工压力平稳(图1)，施工顺利。关井24h后开井放喷排液，24h后点火可燃。

目前国内缺乏液态CO2压裂的关键设备——密闭混砂车，且施工排量受限，此次试验未能实现加砂。通过YY-l井CO2压裂试验可以看出，液态CO2在2.0m³／min以上的泵注排量下可以压开页岩层，并形成裂缝，同时压后返排速度快，返排彻底，试气、投产周期短，为今后陆相页岩气井液态CO2压裂设计提供了参数依据。

3．2　CO2增能压裂技术应用试验

页岩气层要获得高产，需要通过压裂沟通天然微裂缝，形成较大体积的缝网系统。前期陆相页岩气井均采用了“大液量、大排量”滑溜水压裂工艺，取得了较好的试气效果，但压裂液返排慢，投产周期长。因此，在陆相页岩气井开展了6井次CO2增能压裂技术应用试验。

6口试验井均位于陕西延长石油(集团)有限责任公司下寺湾页岩气示范基地，目的层段为长7段页岩气层，埋深l400～1600m。为简化施工工艺，均采用CO2前置增能压裂技术，即先压开地层，注入40～120m³液态CO2，然后进行加砂压裂，压裂液为滑溜水或活性水体系，液量800～1600m³、排量8～12m³／min、加砂量40～80m³。6口井压裂施工顺利，压裂后即开始放喷排液，试验数据如图2所示。

从图2可以看出，采用CO2增能压裂后，页岩气井的压裂液放喷返排率提高了17％、最终返排率提高35％，同时排液周期从之前的平均45d缩短到25d左右，效果非常明显。

4　结论及建议

1)陆相页岩气层岩性致密，基质渗透率极低，脆性矿物含量低、黏土矿物含量高，对压裂增产工艺提出了更高的技术要求。

2)从技术原理和试验结果看，CO2压裂技术低伤害、易返排的特点较为适合陆相页岩气勘探开发。

3)CO2增能压裂技术可以显著提高压裂液的返排速度和返排率，减少压裂液滞留和水锁伤害，提高改造效果。国内具备了开展此项技术设备和配套工艺，可以在陆相页岩气井开展相应的试验推广工作。另外，还应结合陆相页岩气层特征参数，如压力系数等，优化CO2的最佳注入量，达到既能降低成本、又能提高压裂液返排率的目的。

4)液态CO2压裂技术是一种无水压裂工艺，对储层几乎无伤害，压裂施工后无返排液需要处理，是陆相页岩气最具前景的增产措施。目前国内受CO2密闭混砂车、CO2增压泵车等压裂设备限制，尚不能开展大排量、大规模液态CO2加砂压裂。今后，随着国内引进或研制这些压裂设备，液态CO2加砂压裂将在陆相页岩气井上规模应用。

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本文作者：王香增  吴金桥  张军涛

作者单位：陕西延长石油(集团)有限责任公司

  陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院