隨著溫度和壓力的變化，任何一種物質都存在三種狀態：氣態、液態和固態。三相成平衡態共存的點叫三相點，液，氣兩相成平衡狀態的點叫臨界點；任何一種氣體均有一個“臨界點”，氣體在臨界點時所對應的溫度和壓力稱為臨界溫度和臨界壓力。溫度和壓力均高于臨界點時，這種狀態叫超臨界。

超臨界二氧化碳是一種稠密的氣態，即使提高壓力也不會液化的非凝聚性氣體，具有和液體相近的密度，黏度雖高于氣體但明顯低于液體。在自然界中，最常見的是超臨界二氧化碳流體，其臨界溫度為31.06℃，臨界壓力為7.38Mpa，如圖1。

超臨界二氧化碳的石油工業用途

超臨界二氧化碳在石油工業中會有什么用途呢？

一般油藏開發經過注水開發的“二次采油”階段，要想再提高采收率，只有通過注蒸汽、注聚合物或混相驅等“三次采油”。其中混相驅是導入一種能與石油相混溶的介質，如二氧化碳氣體、液體丙烷和丁烷?；煜囹尩牟墒章士蛇_90%以上，見圖2。

我國低滲、特低滲油藏投入開發后采收率均較低。從國外發展趨勢看，氣驅特別是CO2混相驅將是提高我國低滲透油藏采收率最有前景的方法之一。二氧化碳在超臨界狀態下的這些特殊性質也引起石油天然氣行業的極大興趣，首次提出將超臨界二氧化碳應用于致密油氣藏、頁巖氣開發的是中國工程院院士、中國石油大學沈忠厚教授。

沈忠厚教授提出，利用超臨界CO2噴射鉆井能夠在頁巖層中獲得較高的機械鉆速．同時不會使頁巖層產生黏土膨脹、水鎖等效應；利用超臨界CO2流體進行儲層壓裂改造，能使儲層產生更多微小裂縫，有助于頁巖氣生產。最重要的是CO2與頁巖的吸附強度，高于甲烷氣，能置換吸附在頁巖上的甲烷氣，在提高產量和生產速率的同時，實現CO2永久埋存。

本文提出利用二氧化碳在超臨界狀態下可以進行如下現場試驗研究與應用：1.超臨界二氧化碳有壓縮機、無壓縮機氣體欠平衡鉆井現場試驗；2.超臨界二氧化碳井下空氣螺桿鉆具、空氣錘提高機械鉆速現場試驗；3.超臨界二氧化碳氣體常規隨鉆儀器的信號傳輸現場試驗；4.超臨界二氧化碳分段壓裂、混相驅現場試驗；5.老井側鉆水平井高效低成本開發頁巖氣現場試驗。

以上現場試驗可以先在普通油氣藏中進行，取得效果后亦可在頁巖氣或致密油氣藏進行，而最終目的就是利用其特性解決頁巖氣目前開發中存在的技術難點和瓶頸，盡快使我國頁巖氣資源得以高效、低成本、快速規?；_發利用。

應該認識到，頁巖氣發育具有廣泛的地質意義，存在于幾乎所有的盆地中，過去由于理論認識不足和技術不到位，有大量的頁巖油氣層被我們所忽略。我國有超過40萬口已鉆油氣井，過去這幾十萬口油氣井中有大量的頁巖油氣層被我們忽略。因此，如何利用這些既有現成地下管柱，又有配套地面管網的老井實施“老井側鉆水平井”措施（見圖3），高效低成本開發頁巖氣也是本文重點探索的技術問題之一。

但需要注意的是，這幾十萬口油氣井分布在全國幾十個油氣田中，如何出臺更為優惠的地方政策、實施體制及政策監管，包括：地方政府在頁巖氣不同發展階段所采取的政策支持、頁巖氣開發體制及監管機制等，以便就近吸引更多的當地民間資本投資頁巖氣開發，都是目前急盼解決的重大問題和熱點問題。

北美頁巖氣成功開發基本經驗

美國開發頁巖氣的成功經驗是什么呢？主要是依靠技術、規模和裝備這三大因素（見圖4），它們決定著未來的商業發展模式。

裝備是頁巖氣開發成功的基礎  裝備包括批次水平井鉆井裝備、高精度隨鉆測量裝備、高造斜率旋轉導向裝備、套管及裸眼井分段壓裂完井工具裝備、大型地面壓裂裝備、支撐劑及壓裂特殊化學劑、連續管及連續管作業機。

規模是頁巖氣經濟開發成功的關鍵  頁巖氣開發產業鏈的各個環節會有不同的專業公司(如地震公司、鉆井公司等)介入作業，某專業公司在完成本環節相應服務后即可退出，后續工作由下一環節的服務公司接替。鉆井、測井、隨鉆測量完井、 壓裂等作業批次施工，由于高度分工，頁巖氣開采的單個環節投入小、效率高、作業周期短、資金回收快。

技術是頁巖氣開發成功的核心  技術包括：常規二氧化碳壓裂技術；連續油管壓裂技術；高造斜率的旋轉導向技術（高造斜率依托旋轉導向技術的目的是，在鉆進中確保一個平滑的井眼，為今后多次重復壓裂作業提供平滑井眼軌跡）；批次水平井鉆進技術，見圖5（主要技術參數：水平段長1000～2000m；分10～24段，間距約為90m；排量10 m3/min以上。平均砂比：3%～5%，每段液量1000～2000m3，每段支撐劑量100～200t；壓裂液體系：滑溜水+線性膠組合方式，以40/70 目支撐劑為主）；大液量、大排量、大砂量、小粒徑、低砂比的多級分段壓裂技術，見圖6；高造斜率的旋轉導向技術，見圖7【單彎螺桿或渦輪、旋轉導向鉆具使軌跡光滑的水平井眼更適合完井后的多次壓裂作業，高精度的隨鉆測量儀器確保水平井儲層的最大鉆遇率。在表層段定向造斜5°后鉆斜直井，鉆至目的層前采用（8°～12°）／30ｍ的大曲率造斜著陸，造斜段長度在240～360ｍ左右，既減少鉆井進尺，又降低了資源浪費。】

合理借鑒美國頁巖氣開發模式

美國開發頁巖氣存在的主要問題包括以下幾點：

污染問題  結合我國實際，目前存在的主要問題是大型壓裂工藝的用水與水污染問題。頁巖氣水力壓裂主要使用含砂的水，其中砂作為支撐劑，此外還有2%或更少的化學增強劑。每口井的壓裂需要4000m3，甚至超過 22000m3的水，目前美國頁巖氣鉆探中，70%的水來自水力壓裂回收的水。大型壓裂裝備多，成本高也將制約我國的頁巖氣開發戰略。

大型低砂比的分段壓裂用水問題   壓裂液中99%是水和砂，1%是潤滑劑、防腐劑等添加劑，每口井的壓裂約需7000噸水和1200噸砂。根據美國能源部統計，每一個頁巖氣鉆井平均用水量甚至高達1.5萬立方米。

頁巖氣特性導致開發難度加大  頁巖氣充填于頁巖裂隙、微細孔隙及層面內，其儲層滲透率極低、氣流阻力比傳統天然氣大得多，導致其生產的速度和效率均較低。頁巖氣20%～85%以吸附狀態存在，降壓開采解析程度有限，單井產量低，亟待尋找一種新的開發方法。

壓裂可使游離氣減壓釋放，仍然無法驅替出吸附在頁巖上的甲烷氣  可以通過水平井貫穿儲層裂縫，增加儲層最大鉆遇率；通過壓裂再造儲層，驅出游離甲烷氣，但即使通過水力加砂壓裂仍然無法分離出吸附在頁巖上的甲烷氣。有實驗指出，即使通過粉碎機也無法分離出吸附在頁巖上的甲烷氣，見圖8。

二氧化碳壓裂技術解決“三低”油氣田開發難題，但在頁巖中驅替效果有限  如何高效開發我國“三低”油氣田，吉林、長慶等油田探索利用二氧化碳壓裂技術解決“三低”油氣田開發難題。二氧化碳壓裂技術是一項適合“三低”油氣藏開高效發的新型技術，它能在改造地層的同時減少對油氣層的傷害，加快返排速度，增加油氣產量。CO2壓裂工藝在天然氣井高壓注入CO2氣時，由于氣體攜砂困難，撐開地層裂縫有限，再造“儲層”效果有限。

常規CO2混相驅仍然無法驅替出吸附在頁巖上的甲烷氣，增產效果有限  CO2混相驅在北美等國家已成為一項重要且成熟的提高原油采收率方法。美國試驗經驗：二氧化碳用量為40%循環利用，60%埋存于地下。在國內中國科學院滲流流體力學所李孟濤等人研究結果表明，在混相壓力下,處于超臨界狀態的CO2可以降低所波及油水的界面張力,從而可以提高采收率，所以說，常規CO2混相驅仍然無法驅替出吸附在頁巖上的甲烷氣，增產效果有限，見圖9。

超臨界CO2氣體鉆井試驗由來

既然美國采用的行之有效的水力分段壓裂存在諸多問題，是否還有不經過壓裂增加、低壓低滲油氣藏的工藝措施呢？我國在天然氣氣體欠平衡鉆井實踐中得到如下啟示。 

一、四川油田白淺111H井天然氣氣體鉆井啟示。

白淺106、白淺108、白淺109H和白淺111H是位于同一構造的叢式井組，通過天然氣欠平衡水平井的實施，在未經任何壓裂后續作業的情況下，白淺111H水平井產量明顯高于鄰近直井白淺106、定向井白淺108壓裂和常規水平白淺109H壓裂后產量，見圖10。 

白淺106、白淺108、白淺109H和白淺111H是位于同一構造的叢式井組，天然氣欠平衡水平井的產量，在未經任何壓裂后續作業的情況下，明顯高于鄰近常規水平壓裂后產量。 

二、長慶油田欠平衡天然氣氣體鉆井啟示。

長慶油田自2000～2003年進行了4 口欠平衡鉆井試驗，見圖11。

陜242井氣體欠平衡鉆進井段3030～3190m, 進尺157m，純鉆時13 h22min，平均機械鉆速為11.77m/h。

蘇35-18井氣體欠平衡鉆進井段3230～3335m，進尺105m,純鉆時5 h50 min, 平均機械鉆速為18m/h。

蘇39-14-1井欠平衡鉆進段: 1309～2092.7m，進尺783.7m，純鉆時37.5h,，平均機械鉆速達到20.99 m/h，全井段平均機械鉆速5.84m/h。鉆井周期37d，完井周期48d。

蘇39-14-4 井設計井深3410m, 于2003年5月30日～6月3日進行了天然氣欠平衡鉆井現場試驗，進尺783.7m，平均機械鉆速20.87m/h，最高鉆速達30.3m/h。是鄰井（81/2″井眼）的2倍左右，是同井下部6″井眼泥漿鉆井的7.77倍。 

長慶油田欠平衡天然氣氣體鉆井啟示：啟示一，如改用超臨界二氧化碳作為循環介質，所需工藝、裝備等同；啟示二，如氣源井壓力超過8Mpa，則可實現超臨界二氧化碳鉆進。 

超臨界二氧化碳氣體鉆井、壓裂、混相驅現場試驗的可行性

臨界點易于控制：（超臨界流體由于液體與氣體界面消失，即使提高壓力也不會液化的非凝聚性氣體）,只要注入井下二氧化碳氣體滿足高于臨界點溫度、壓力即可（臨界溫度：31.06℃；臨界壓力：7.38Mpa ）。

利用其“密度與液體相近”（超臨界二氧化碳是一種稠密的氣態，其“密度與液體接近”）的特性，可進行超臨界二氧化碳氣體鉆井下常規隨鉆儀器在空氣（超臨界二氧化碳流體）信號傳輸現場試驗和超臨界二氧化碳氣體鉆井井下螺桿鉆具、空氣錘提高扭矩快速鉆井的現場試驗以及氣體（超臨界二氧化碳氣態）攜砂現場試驗。

利用“密度近于液體，粘度近于氣體，擴散系數為液體的100倍，因而具有驚人的溶解能力”的特性，可進行超臨界二氧化碳分段壓裂、二氧化碳吞吐、混相驅現場試驗以及利用老井側鉆水平井，高效低成本開發頁巖氣現場試驗。以上現場試驗的重點是利用超臨界二氧化碳的這種特性，以求解決頁巖氣藏中20%～85%的吸附氣驅替問題。

這些現場試驗的所需裝備、工具、工藝、參數基本與常規天然氣氣體欠平衡鉆井、常規二氧化碳壓裂、二氧化碳混相驅相當，僅需注意二氧化碳腐蝕問題即可。 

現場試驗中二氧化碳腐蝕問題：試驗中只要不遇水其腐蝕問題可以忽略不計，此外，長期現場實踐，使吉林、長慶油田具有成熟實用的防腐經驗和配套技術。 

二氧化碳資源豐富。江蘇泰興CO2氣田的儲量為全國之最，黃橋地區勘探面積40平方公里，氣層厚300ｍ，最高純度達99.88％，儲量613億ｍ3，目前最高日產5萬ｍ3；可以開采40多年。該氣田氣源狀態為8～8.2Ｍpa的常溫液體。此外，黃驊、濟陽、吉林、南海都發現了豐富的CO2氣田。 

工藝、裝備相似，有豐富的現場試驗實踐經驗。

研究試驗的方法、技術路線以及工藝流程性

一、超臨界CO2氣體欠平衡鉆井技術。工藝與天然氣氣體欠平衡鉆井技術工藝基本一樣，具體工藝流程見圖12。

現場試驗的技術難點包括：

地層出水鉆進問題  地層出水超過一定量時，可及時改為泡沫鉆進，水小時，可以加入一定吸濕劑解決。

進入儲層后頁巖氣與超臨界二氧化碳（氣態）的分離問題  預案有兩個：一是利用膜分離技術； 二是利用超臨界二氧化碳的特性，維持超臨界二氧化碳的臨界壓力和溫度即可將頁巖氣分離出來。對循環出井的氣液固混合物進行有效分離，液體和巖屑排放掉，而凈化后的氣體再次進入壓縮機、增壓機循環利用。如果是采用二氧化碳氣鉆井，也可以將分離后的氣體直接注回氣源管線進行回收。

為驗證氮氣循環鉆井新工藝可行性，北京科技信息大學曾經與中石化合作，在四川大邑101井成功進行了開環現場試驗。分離前排砂口有明顯水流，分離后排砂口無水無塵，分離效果明顯。圖13是排砂口分離前后的對比圖。超臨界CO2氣體鉆井試驗循環回收工藝流程見圖14。 

 二、超臨界CO2吞吐現場試驗。

“二氧化碳吞吐”的含義是，將一定量的二氧化碳注入油井，然后關井一段時間，使注入的二氧化碳進入地層，達到增強原油流動性，提高原油驅動力，以及降低原油粘度的作用。二氧化碳驅油技術在吉林油田、華東石油局等的應用，已經取得了良好的效果，特別是對于敏感儲層，二氧化碳驅比水驅具有更明顯的技術優勢，可以大幅提高原油采收率。已被國外廣泛應用于油田開發增產，我國大氣、吉林、蘇北、長慶、冀東、勝利、中原等右圖都早已推廣試驗。

實施工藝時，注入排量、壓力、燜井時間、注入速度、注入周期等參素以及所用裝備、工具等與重量級二氧化碳吞吐相當，只是需要特別注意確保高于臨界點壓力、溫度。

三、超臨界CO2混相驅現場試驗。

CO2混相驅是把二氧化碳注入油層中以提高采油率?；煜囹屩兄饕远趸简層蜑橹鳌Ｓ捎诙趸际且环N在油和水中溶解度都很高的氣體，當它大量溶解于原油中時，可以使原油體積膨脹、黏度下降，還可以降低油水間的界面張力。與其他驅油技術相比，二氧化碳驅油具有適用范圍大、驅油成本低、采油率提高顯著等優點。這項技術不僅能滿足油田開發需求，還能解決二氧化碳的封存問題，保護大氣環境。 

二氧化碳驅油是一項成熟的采油技術。據不完全統計，目前全世界正在實施的二氧化碳驅油項目有近80個。美國是二氧化碳驅油項目開展最多的國家，每年注入油藏的二氧化碳量約為2000萬～3000萬噸，其中300萬噸來自煤氣化工廠和化肥廠的廢氣。

在CO2與原油進行混相驅實驗中，如進行不同壓力下的CO2驅油實驗，驅替壓力越高，采收率越高。如果在現場試驗時，把注入壓力提高到超臨界二氧化碳的壓力值，則可使界面張力接近零，達到驅替頁巖氣中20%～85%吸附氣的目的。

超臨界CO2吞吐現場試驗、超臨界CO2混相驅現場試驗是工藝、裝備最為成熟，效果可能最為顯著的現場試驗方案，應首先在吉林、江蘇、長慶等地實施。

四、超臨界二氧化碳壓裂現場試驗。

CO2壓裂工藝在國內已較為成熟，但在天然氣井高壓注入CO2氣時，由于氣體攜砂困難，撐開地層裂縫有限，再造“儲層”效果有限。如果采用超臨界二氧化碳壓裂工藝進行現場試驗，在壓裂前注入液態二氧化碳, 燜井蹩壓一段時間，待充分氣化和混相后, 再實施壓裂改造，起到補充地層能量和提高壓裂后助排效果的目的。

具體實施時，最好選一口已經壓裂過的二輪壓裂井進行對比試驗，現場試驗的目的是，此井第一輪壓裂后已建立縱橫交錯的立體裂縫，實現了溝通儲層與井眼的目的，但此時僅能使地層中的絕大部分游離氣釋壓排出，但對于絕大部分吸附氣仍然無法排出，所以當進行第二輪超臨界二氧化碳作業時，先加壓使二氧化碳超過其臨界點，然后燜井一段時間，此時超臨界二氧化碳“密度與液體相近，粘度比液體小，近于氣體，擴散系數為液體的100倍”，使界面張力接近零，達到驅替頁巖氣中20%～85%吸附氣的目的。

隨后的壓裂工藝、裝備與常規二氧化碳壓裂無異，分段壓裂技術屬于典型的體積壓裂，應用于儲層能夠建立縱橫交錯的立體裂縫，達到溝通儲層與井眼的目的，而超臨界二氧化碳壓裂在建立縱橫交錯的立體裂縫，達到溝通儲層與井眼的同時，利用其“密度與液體相近，粘度比液體小，近于氣體，擴散系數為液體的100倍”的特性，使界面張力接近零，達到驅替頁巖氣中20%～85%吸附氣的目的。

對于釋放產能降低滲流阻力，在二氧化碳氣體介質中，作業中攜砂困難，如果是在超臨界二氧化碳介質中，則利用其“密度近于液體”的特性，雖是氣態，但卻可以像液態一樣攜砂壓裂。

五、超臨界二氧化碳進行井下空氣螺桿鉆具、空氣錘提高機械鉆速現場試驗。

在空氣介質中，螺桿鉆具扭矩力將明顯不如液體介質下的扭矩力，但二氧化碳在超臨界狀態下，其“密度近于液體，粘度近于氣體”就可利用這一特性提高其扭矩力，從而大幅提高機械鉆速。

空氣錘提高機械鉆速的現場試驗同理。值得一提的是，空氣錘是目前各種鉆井工藝中鉆速最快的下部鉆具組合。

六、超臨界二氧化碳進行氣體常規隨鉆測量信號傳輸現場試驗。

目前在鉆井工程上常采用的數據傳輸方式主要有：有線電纜，電磁波，聲波和泥漿脈沖傳輸。其他方式都還未商業化應用，尚處于理論研究和功能性實驗階段。 

在氣體鉆井條件下，隨鉆測量數據傳輸技術十分昂貴且不太成熟，已商業化應用在常規鉆井條件下的傳輸方式，因自身的限制不能滿足氣體鉆井的需要。因此，如何高速可靠地進行數據傳輸成為氣體鉆井的重要課題。

超臨界二氧化碳進行氣體常規隨鉆測量信號傳輸現場試驗，也是利用超臨界二氧化碳“密度近于液體”的特性，雖是氣態，但卻有接近液態的密度，達到在超臨界二氧化碳流體（氣態）的情況下，傳輸常規隨鉆儀器信號的目的。

七、超臨界二氧化碳老井側鉆水平井，高效低成本開發頁巖氣現場試驗。

全國有幾十所鉆井院、采油院、鉆采院，分布在全國各油田，具有地質工程一體化、鉆井完井一體化設計、施工能力。對本油田老井情況較為熟悉。熟悉地面管網，輸配設備，熟悉老井的生產層位構造。此外遼河、大港、華北、大慶、長慶油田每年完成千余口側側鉆鉆定向井、水平井，工藝成熟裝備配套，只要政策和管理辦法到位，短期內就會大有作為。

迎接歷史機遇，加快我國頁巖氣開發

本文的研究試驗方法、技術路線以及工藝流程如圖15。 

氣體（空氣、氮氣、尾氣、二氧化碳氣、超臨界二氧化碳氣）鉆井的成套裝備有：長慶、大慶、川慶鉆探公司自行研制除空壓機、注氮設備以外全套氣體鉆井裝備和工具，包括旋轉防噴器、增壓機、空氣螺桿、空氣震擊器、空氣減震器、空氣錘、霧化泵等、分離器、節流管匯、可燃氣體監測儀、硫化氫監測儀、空壓機、循環回收裝備等，同時具備10口12-1/4英寸井眼實施空氣鉆井的能力。天然氣、超臨界二氧化碳氣體欠平衡鉆井配套裝備詳見表1。 

超臨界二氧化碳氣體欠平衡鉆井、壓裂、混相驅等現場試驗具備的條件、難點及目的見圖16。盡管頁巖氣技術還有諸多需要解決的問題，頁巖氣是否會最終改變我國能源供需格局還有許多不定因素，但這也許是歷史交給我們石油人的一次難得機遇，盡快行動起來恐怕是我們最好的回答。而加快我國頁巖氣開發，對改變整個能源結構、緩解油氣資源短缺、保障國家能源安全、促進經濟社會發展，都有著極為重要的意義。