杜芳利 ，景 旗

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能氣體壓裂分室，陜西西安 710065）

我國(guó)頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量十分豐富，根據(jù)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司評(píng)價(jià)指出我國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量80×1012m3，探明地質(zhì)儲(chǔ)量 0.54×1012m3[1]。2017 年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量2 373×108m3，同比增長(zhǎng)15%，對(duì)外依存度39%，未來(lái)天然氣消費(fèi)量和缺口將進(jìn)一步增加。頁(yè)巖氣作為常規(guī)油氣的重要補(bǔ)充，加快頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)利用，可緩解天然氣供給不足的緊張局面。針對(duì)我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性致密，較低的孔隙度和極低的滲透率特征的開(kāi)發(fā)難題，開(kāi)展了頁(yè)巖儲(chǔ)層液態(tài)藥爆炸壓裂機(jī)理研究。近多年來(lái)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者攻關(guān)的重點(diǎn)對(duì)象。由于國(guó)內(nèi)水資源短缺，且壓裂液返排問(wèn)題可能導(dǎo)致地層水污染等因素，致使美國(guó)大規(guī)?；锼畨毫鸭夹g(shù)在國(guó)內(nèi)實(shí)用性不強(qiáng)，因此液態(tài)藥爆炸壓裂有望成為打開(kāi)中國(guó)頁(yè)巖氣資源的鑰匙[2]。本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的資料并結(jié)合液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)的作用特點(diǎn)，對(duì)爆炸壓裂技術(shù)用于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)從而產(chǎn)生復(fù)雜裂縫網(wǎng)機(jī)理進(jìn)行研究。

1 液態(tài)藥爆炸壓裂儲(chǔ)層特征

1.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)弱面發(fā)育分析

結(jié)構(gòu)弱面是指具有極低或沒(méi)有抗拉強(qiáng)度的不連續(xù)面，它是具有一定方向、延展較大而厚度較小的二維面狀地質(zhì)界面。儲(chǔ)層中天然裂縫（結(jié)構(gòu)弱面）或者基質(zhì)中的薄弱點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)改造的前提條件。由巖石動(dòng)力學(xué)與爆破理論可知，爆炸作用過(guò)程首先由液態(tài)藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波破碎天然裂縫壁面巖石，形成爆炸主裂縫；隨著沖擊波衰減為應(yīng)力波，撕裂破碎區(qū)外的儲(chǔ)層巖石，在巖石中產(chǎn)生大量初始微裂縫[3]。其次爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體楔入應(yīng)力波產(chǎn)生的初始微裂縫中，當(dāng)縫內(nèi)氣體壓力達(dá)到裂縫起裂擴(kuò)展條件時(shí)，微裂縫開(kāi)始擴(kuò)展，從而在爆炸主裂縫周圍產(chǎn)生大量次生裂縫，由于整個(gè)過(guò)程加載率較高，次生裂縫形成復(fù)雜的縫網(wǎng)。因此液態(tài)藥爆炸壓裂的過(guò)程必然是天然裂縫優(yōu)先開(kāi)啟并且相互連通，而天然裂縫是誘導(dǎo)復(fù)雜裂縫延伸的主要因素，天然裂縫越發(fā)育越容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)[4]（見(jiàn)圖1）。

圖1 液態(tài)藥爆炸壓裂示意圖

1.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性分析

在頁(yè)巖儲(chǔ)層宏微觀破壞特征的基礎(chǔ)上，認(rèn)為脆性是巖石的綜合力學(xué)特性，是在自身天然非均質(zhì)性和外在特定加載條件下產(chǎn)生內(nèi)部非均勻應(yīng)力，并導(dǎo)致局部破壞，進(jìn)而形成多維破裂面的能力。依據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性的評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，巖石的脆性指數(shù)可表示壓裂的難易程度，同時(shí)也可以表明壓裂后裂縫的復(fù)雜程度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出多種方法來(lái)建立特定的脆性因子，筆者采用Rickman提出的彈性模量歸一化，泊松比歸一化后加權(quán)平均來(lái)計(jì)算巖石脆性指數(shù)[5]。

式中：YM_BRIT-彈性模量所對(duì)應(yīng)的脆性特征參數(shù)，無(wú)因次；PR_BRIT-泊松比所對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)，無(wú)因次；BRIT-總的脆性特征參數(shù)，無(wú)因次；YMS_C-頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石綜合測(cè)定的彈性模量，GPa；PR_C-巖石的泊松比，無(wú)因次。

我國(guó)龍馬溪組A井頁(yè)巖儲(chǔ)層的彈性模量范圍為8 GPa～40.9 GPa，均值為 22.2 GPa，泊松比為 0.1～0.25，均值為0.18[6]。根據(jù)Rickman提出計(jì)算巖石脆性指數(shù)的方法可計(jì)算出A井彈性模量所對(duì)應(yīng)的脆性特征參數(shù)范圍為100～570，均值為303，泊松比所對(duì)應(yīng)的脆性特征參數(shù)范圍為60～120，均值為88；總的脆性特征參數(shù)范圍為80～345，均值為196。依據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，巖石的脆性特征參數(shù)大于50后，儲(chǔ)層的裂縫形態(tài)更容易形成網(wǎng)狀，因此在該井壓裂產(chǎn)生多裂縫網(wǎng)的機(jī)率較高，適合采用液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)進(jìn)行縫網(wǎng)壓裂。

表1 頁(yè)巖氣無(wú)水/少水壓裂新技術(shù)匯總

2 液態(tài)藥爆炸壓裂優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

2.1 與滑溜水壓裂比較

液態(tài)藥爆炸壓裂與滑溜水壓裂形成的裂縫相比，爆炸壓裂產(chǎn)生的裂縫相對(duì)較短，但容易形成相對(duì)復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，溝通更多的天然裂縫；液態(tài)藥爆炸壓裂裂縫起裂時(shí)不受儲(chǔ)層原始地應(yīng)力的影響，可以形成不同方位的裂縫；爆炸壓裂會(huì)使地層剪切錯(cuò)動(dòng)形成自支撐，無(wú)需支撐劑。頁(yè)巖滑溜水壓裂過(guò)程會(huì)使用大量水資源，在水資源緊缺地區(qū)可能限制頁(yè)巖氣大規(guī)模的開(kāi)發(fā)，而液態(tài)藥爆炸壓裂并不需要，相對(duì)更加經(jīng)濟(jì)。

2.2 與其他無(wú)水/少水壓裂新技術(shù)比較

液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于探索階段，屬于超前儲(chǔ)備技術(shù)。它不需要其他無(wú)水/少水壓裂的大型設(shè)備，無(wú)需支撐劑，施工簡(jiǎn)單，成本低，還可以形成不受地應(yīng)力控制的復(fù)雜縫網(wǎng)。目前已有的無(wú)水/少水壓裂新技術(shù)（見(jiàn)表1）。

3 液態(tài)藥爆炸壓裂實(shí)驗(yàn)

3.1 液態(tài)藥的性能和特點(diǎn)

通過(guò)優(yōu)化液態(tài)藥 NH4NO3、C3H5N3O9、TNT、RDX、HMX等5種主要組分，由氧化劑、燃燒劑、懸浮劑和敏化劑組成的液態(tài)藥。主要技術(shù)參數(shù)：爆熱（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）。經(jīng)抗沖擊、靜電、摩擦感度及熱穩(wěn)定性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)符合國(guó)家民爆標(biāo)準(zhǔn)，壓裂藥性能設(shè)計(jì)參數(shù)適中可控；可滿足不同巖層爆炸壓裂產(chǎn)生多裂縫縫網(wǎng)的工藝要求；低爆速爆燃降低了對(duì)頁(yè)氣氣井地層的破壞性及爆炸后對(duì)頁(yè)巖層可能產(chǎn)生的壓實(shí)作用[7，8]。

3.2 爆炸壓裂P-t動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

通過(guò)改進(jìn)爆炸壓裂模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，揭示液態(tài)藥爆炸壓裂作用機(jī)理的爆速、爆壓主控因素。室內(nèi)爆燃?jí)毫裀-t動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)研究，建立了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與P-t軟件處理系統(tǒng)，優(yōu)化了爆炸壓裂模擬裝置，滿足了液態(tài)藥爆炸性能的室外靶場(chǎng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)隨機(jī)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)需要，簡(jiǎn)便快速、實(shí)用性強(qiáng)。動(dòng)態(tài)P-t測(cè)試曲線（見(jiàn)圖2），測(cè)試過(guò)程順利正常，P-t曲線完整，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的峰值壓力，很好的反映出壓力隨時(shí)間完整作用過(guò)程。

圖2 液態(tài)藥爆炸壓裂動(dòng)態(tài)P-t測(cè)試曲線

3.3 地面靶裂縫擴(kuò)展形態(tài)

通過(guò)地面模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合主要控制參數(shù)爆速爆壓及實(shí)驗(yàn)靶巖性參數(shù)等綜合實(shí)驗(yàn)分析，裂縫趨勢(shì)基本3～6隨機(jī)產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)裂縫均為貫穿縫。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的4條裂縫清晰規(guī)整，裂縫界面反映十分清晰。因此，采用一種大尺寸液態(tài)藥爆炸壓裂水泥靶實(shí)驗(yàn)，能夠更真實(shí)模擬頁(yè)巖儲(chǔ)層形成多裂縫，對(duì)爆炸壓裂產(chǎn)生多裂縫的形成與擴(kuò)展規(guī)律研究有重要的指導(dǎo)意義（見(jiàn)圖3）。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)頁(yè)巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)弱面發(fā)育分析、液態(tài)藥爆炸壓裂水泥靶實(shí)驗(yàn)證明爆炸壓裂可使頁(yè)巖產(chǎn)生裂縫，同時(shí)也說(shuō)明在頁(yè)巖氣井采用液態(tài)藥爆炸壓裂隨機(jī)在頁(yè)巖層中產(chǎn)生多條裂縫。

（2）液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)與其他壓裂技術(shù)相比較，其優(yōu)勢(shì)在于它可以形成不受地應(yīng)力控制的復(fù)雜縫網(wǎng)，爆炸壓裂會(huì)使地層剪切錯(cuò)動(dòng)形成自支撐、無(wú)需支撐劑、對(duì)儲(chǔ)層傷害極低。

圖3 地面靶裂縫擴(kuò)展形態(tài)

（3）頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石的脆性可反映壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)的難易程度，通過(guò)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性分析，我國(guó)龍馬溪組A井壓裂產(chǎn)生多裂縫網(wǎng)的機(jī)率較高，適合采用液態(tài)藥爆炸壓裂技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂。

（4）液態(tài)藥爆炸壓裂用于頁(yè)巖儲(chǔ)層的研究不僅為頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)提供新的研究思路，也對(duì)非常規(guī)天然氣的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

乙醇汽油擴(kuò)大推廣亟須政策保障實(shí)施

日前召開(kāi)的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，有序擴(kuò)大車用乙醇汽油推廣使用，除黑龍江、吉林、遼寧等11個(gè)試點(diǎn)省份外，今年進(jìn)一步在北京、天津、河北等15個(gè)省市推廣。

去年下發(fā)的《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》提出，京津冀及周邊、長(zhǎng)三角、珠三角等大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域2018年開(kāi)始推廣使用車用乙醇汽油；2019年，以上地區(qū)實(shí)現(xiàn)全覆蓋；2020年，全國(guó)除新疆、西藏、青海外實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

當(dāng)前，乙醇汽油推廣尚存諸多難題，需要進(jìn)一步引導(dǎo)與協(xié)調(diào)，政策保障仍是最主要因素。從市場(chǎng)供應(yīng)角度來(lái)看，乙醇汽油分為兩大組成部分——改性燃料乙醇和乙醇汽油調(diào)和組分油。其中，隨著我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張，乙醇汽油調(diào)和組分油的供應(yīng)來(lái)源相對(duì)廣泛，結(jié)合調(diào)油技術(shù)手段可以滿足后期所需。不過(guò)，改性燃料乙醇的供給問(wèn)題一直為社會(huì)所關(guān)注。

目前我國(guó)燃料乙醇年產(chǎn)能在283萬(wàn)噸左右，年供應(yīng)量約260萬(wàn)噸。據(jù)金聯(lián)創(chuàng)統(tǒng)計(jì)，新建以及預(yù)期投建產(chǎn)能為480萬(wàn)噸。不過(guò)，2017年全國(guó)汽油表觀消費(fèi)量達(dá)到1.2億噸，若按照10%的燃料乙醇添加比例，預(yù)計(jì)2020年燃料乙醇消費(fèi)量將至少達(dá)到1 200萬(wàn)噸。這就意味著，即便新增產(chǎn)能順利投產(chǎn)且高負(fù)荷運(yùn)行，燃料乙醇仍有500萬(wàn)噸左右的供給缺口需要補(bǔ)充。

對(duì)此，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議明確了生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)總體布局，即堅(jiān)持控制總量、有限定點(diǎn)、公平準(zhǔn)入，適量利用酒精閑置產(chǎn)能，適度布局糧食燃料乙醇生產(chǎn)，加快建設(shè)木薯燃料乙醇項(xiàng)目，開(kāi)展秸稈、鋼鐵工業(yè)尾氣等制燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化示范。

（摘自中國(guó)石油報(bào)第7175期）