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隨著溫度和壓力的變化，任何一種物質(zhì)都存在三種狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。三相成平衡態(tài)共存的點(diǎn)叫三相點(diǎn)，液，氣兩相成平衡狀態(tài)的點(diǎn)叫臨界點(diǎn)；任何一種氣體均有一個(gè)“臨界點(diǎn)”，氣體在臨界點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度和壓力稱(chēng)為臨界溫度和臨界壓力。溫度和壓力均高于臨界點(diǎn)時(shí)，這種狀態(tài)叫超臨界。

超臨界二氧化碳是一種稠密的氣態(tài)，即使提高壓力也不會(huì)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(jiàn)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(yè)用途

超臨界二氧化碳在石油工業(yè)中會(huì)有什么用途呢？

一般油藏開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)注水開(kāi)發(fā)的“二次采油”階段，要想再提高采收率，只有通過(guò)注蒸汽、注聚合物或混相驅(qū)等“三次采油”。其中混相驅(qū)是導(dǎo)入一種能與石油相混溶的介質(zhì)，如二氧化碳?xì)怏w、液體丙烷和丁烷。混相驅(qū)的采收率可達(dá)90%以上，見(jiàn)圖2。

我國(guó)低滲、特低滲油藏投入開(kāi)發(fā)后采收率均較低。從國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)看，氣驅(qū)特別是CO2混相驅(qū)將是提高我國(guó)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(tài)下的這些特殊性質(zhì)也引起石油天然氣行業(yè)的極大興趣，首次提出將超臨界二氧化碳應(yīng)用于致密油氣藏、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的是中國(guó)工程院院士、中國(guó)石油大學(xué)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(yè)巖層中獲得較高的機(jī)械鉆速．同時(shí)不會(huì)使頁(yè)巖層產(chǎn)生黏土膨脹、水鎖等效應(yīng)；利用超臨界CO2流體進(jìn)行儲(chǔ)層壓裂改造，能使儲(chǔ)層產(chǎn)生更多微小裂縫，有助于頁(yè)巖氣生產(chǎn)。最重要的是CO2與頁(yè)巖的吸附強(qiáng)度，高于甲烷氣，能置換吸附在頁(yè)巖上的甲烷氣，在提高產(chǎn)量和生產(chǎn)速率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)CO2永久埋存。

本文提出利用二氧化碳在超臨界狀態(tài)下可以進(jìn)行如下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究與應(yīng)用：1.超臨界二氧化碳有壓縮機(jī)、無(wú)壓縮機(jī)氣體欠平衡鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；2.超臨界二氧化碳井下空氣螺桿鉆具、空氣錘提高機(jī)械鉆速現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；3.超臨界二氧化碳?xì)怏w常規(guī)隨鉆儀器的信號(hào)傳輸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；4.超臨界二氧化碳分段壓裂、混相驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；5.老井側(cè)鉆水平井高效低成本開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以先在普通油氣藏中進(jìn)行，取得效果后亦可在頁(yè)巖氣或致密油氣藏進(jìn)行，而最終目的就是利用其特性解決頁(yè)巖氣目前開(kāi)發(fā)中存在的技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸，盡快使我國(guó)頁(yè)巖氣資源得以高效、低成本、快速規(guī)模化開(kāi)發(fā)利用。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，頁(yè)巖氣發(fā)育具有廣泛的地質(zhì)意義，存在于幾乎所有的盆地中，過(guò)去由于理論認(rèn)識(shí)不足和技術(shù)不到位，有大量的頁(yè)巖油氣層被我們所忽略。我國(guó)有超過(guò)40萬(wàn)口已鉆油氣井，過(guò)去這幾十萬(wàn)口油氣井中有大量的頁(yè)巖油氣層被我們忽略。因此，如何利用這些既有現(xiàn)成地下管柱，又有配套地面管網(wǎng)的老井實(shí)施“老井側(cè)鉆水平井”措施（見(jiàn)圖3），高效低成本開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣也是本文重點(diǎn)探索的技術(shù)問(wèn)題之一。

但需要注意的是，這幾十萬(wàn)口油氣井分布在全國(guó)幾十個(gè)油氣田中，如何出臺(tái)更為優(yōu)惠的地方政策、實(shí)施體制及政策監(jiān)管，包括：地方政府在頁(yè)巖氣不同發(fā)展階段所采取的政策支持、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)體制及監(jiān)管機(jī)制等，以便就近吸引更多的當(dāng)?shù)孛耖g資本投資頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，都是目前急盼解決的重大問(wèn)題和熱點(diǎn)問(wèn)題。

北美頁(yè)巖氣成功開(kāi)發(fā)基本經(jīng)驗(yàn)

美國(guó)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的成功經(jīng)驗(yàn)是什么呢？主要是依靠技術(shù)、規(guī)模和裝備這三大因素（見(jiàn)圖4），它們決定著未來(lái)的商業(yè)發(fā)展模式。

裝備是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成功的基礎(chǔ)  裝備包括批次水平井鉆井裝備、高精度隨鉆測(cè)量裝備、高造斜率旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xué)劑、連續(xù)管及連續(xù)管作業(yè)機(jī)。

規(guī)模是頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵  頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)有不同的專(zhuān)業(yè)公司(如地震公司、鉆井公司等)介入作業(yè)，某專(zhuān)業(yè)公司在完成本環(huán)節(jié)相應(yīng)服務(wù)后即可退出，后續(xù)工作由下一環(huán)節(jié)的服務(wù)公司接替。鉆井、測(cè)井、隨鉆測(cè)量完井、 壓裂等作業(yè)批次施工，由于高度分工，頁(yè)巖氣開(kāi)采的單個(gè)環(huán)節(jié)投入小、效率高、作業(yè)周期短、資金回收快。

技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成功的核心  技術(shù)包括：常規(guī)二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)；連續(xù)油管壓裂技術(shù)；高造斜率的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)（高造斜率依托旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的目的是，在鉆進(jìn)中確保一個(gè)平滑的井眼，為今后多次重復(fù)壓裂作業(yè)提供平滑井眼軌跡）；批次水平井鉆進(jìn)技術(shù)，見(jiàn)圖5（主要技術(shù)參數(shù)：水平段長(zhǎng)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(xiàn)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(jí)分段壓裂技術(shù)，見(jiàn)圖6；高造斜率的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，見(jiàn)圖7【單彎螺桿或渦輪、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(yè)，高精度的隨鉆測(cè)量?jī)x器確保水平井儲(chǔ)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(zhǎng)度在240～360ｍ左右，既減少鉆井進(jìn)尺，又降低了資源浪費(fèi)。】

合理借鑒美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)模式

美國(guó)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣存在的主要問(wèn)題包括以下幾點(diǎn)：

污染問(wèn)題  結(jié)合我國(guó)實(shí)際，目前存在的主要問(wèn)題是大型壓裂工藝的用水與水污染問(wèn)題。頁(yè)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(xué)增強(qiáng)劑。每口井的壓裂需要4000m3，甚至超過(guò) 22000m3的水，目前美國(guó)頁(yè)巖氣鉆探中，70%的水來(lái)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(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略。

大型低砂比的分段壓裂用水問(wèn)題   壓裂液中99%是水和砂，1%是潤(rùn)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(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，每一個(gè)頁(yè)巖氣鉆井平均用水量甚至高達(dá)1.5萬(wàn)立方米。

頁(yè)巖氣特性導(dǎo)致開(kāi)發(fā)難度加大  頁(yè)巖氣充填于頁(yè)巖裂隙、微細(xì)孔隙及層面內(nèi)，其儲(chǔ)層滲透率極低、氣流阻力比傳統(tǒng)天然氣大得多，導(dǎo)致其生產(chǎn)的速度和效率均較低。頁(yè)巖氣20%～85%以吸附狀態(tài)存在，降壓開(kāi)采解析程度有限，單井產(chǎn)量低，亟待尋找一種新的開(kāi)發(fā)方法。

壓裂可使游離氣減壓釋放，仍然無(wú)法驅(qū)替出吸附在頁(yè)巖上的甲烷氣  可以通過(guò)水平井貫穿儲(chǔ)層裂縫，增加儲(chǔ)層最大鉆遇率；通過(guò)壓裂再造儲(chǔ)層，驅(qū)出游離甲烷氣，但即使通過(guò)水力加砂壓裂仍然無(wú)法分離出吸附在頁(yè)巖上的甲烷氣。有實(shí)驗(yàn)指出，即使通過(guò)粉碎機(jī)也無(wú)法分離出吸附在頁(yè)巖上的甲烷氣，見(jiàn)圖8。

二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)解決“三低”油氣田開(kāi)發(fā)難題，但在頁(yè)巖中驅(qū)替效果有限  如何高效開(kāi)發(fā)我國(guó)“三低”油氣田，吉林、長(zhǎng)慶等油田探索利用二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)解決“三低”油氣田開(kāi)發(fā)難題。二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)是一項(xiàng)適合“三低”油氣藏開(kāi)高效發(fā)的新型技術(shù)，它能在改造地層的同時(shí)減少對(duì)油氣層的傷害，加快返排速度，增加油氣產(chǎn)量。CO2壓裂工藝在天然氣井高壓注入CO2氣時(shí)，由于氣體攜砂困難，撐開(kāi)地層裂縫有限，再造“儲(chǔ)層”效果有限。

常規(guī)CO2混相驅(qū)仍然無(wú)法驅(qū)替出吸附在頁(yè)巖上的甲烷氣，增產(chǎn)效果有限  CO2混相驅(qū)在北美等國(guó)家已成為一項(xiàng)重要且成熟的提高原油采收率方法。美國(guó)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)：二氧化碳用量為40%循環(huán)利用，60%埋存于地下。在國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)所李孟濤等人研究結(jié)果表明，在混相壓力下,處于超臨界狀態(tài)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(shuō)，常規(guī)CO2混相驅(qū)仍然無(wú)法驅(qū)替出吸附在頁(yè)巖上的甲烷氣，增產(chǎn)效果有限，見(jiàn)圖9。

超臨界CO2氣體鉆井試驗(yàn)由來(lái)

既然美國(guó)采用的行之有效的水力分段壓裂存在諸多問(wèn)題，是否還有不經(jīng)過(guò)壓裂增加、低壓低滲油氣藏的工藝措施呢？我國(guó)在天然氣氣體欠平衡鉆井實(shí)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(gòu)造的叢式井組，通過(guò)天然氣欠平衡水平井的實(shí)施，在未經(jīng)任何壓裂后續(xù)作業(yè)的情況下，白淺111H水平井產(chǎn)量明顯高于鄰近直井白淺106、定向井白淺108壓裂和常規(guī)水平白淺109H壓裂后產(chǎn)量，見(jiàn)圖10。 

白淺106、白淺108、白淺109H和白淺111H是位于同一構(gòu)造的叢式井組，天然氣欠平衡水平井的產(chǎn)量，在未經(jīng)任何壓裂后續(xù)作業(yè)的情況下，明顯高于鄰近常規(guī)水平壓裂后產(chǎn)量。 

二、長(zhǎng)慶油田欠平衡天然氣氣體鉆井啟示。

長(zhǎng)慶油田自2000～2003年進(jìn)行了4 口欠平衡鉆井試驗(yàn)，見(jiàn)圖11。

陜242井氣體欠平衡鉆進(jìn)井段3030～3190m, 進(jìn)尺157m，純鉆時(shí)13 h22min，平均機(jī)械鉆速為11.77m/h。

蘇35-18井氣體欠平衡鉆進(jìn)井段3230～3335m，進(jìn)尺105m,純鉆時(shí)5 h50 min, 平均機(jī)械鉆速為18m/h。

蘇39-14-1井欠平衡鉆進(jìn)段: 1309～2092.7m，進(jìn)尺783.7m，純鉆時(shí)37.5h,，平均機(jī)械鉆速達(dá)到20.99 m/h，全井段平均機(jī)械鉆速5.84m/h。鉆井周期37d，完井周期48d。

蘇39-14-4 井設(shè)計(jì)井深3410m, 于2003年5月30日～6月3日進(jìn)行了天然氣欠平衡鉆井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)尺783.7m，平均機(jī)械鉆速20.87m/h，最高鉆速達(dá)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(zhǎng)慶油田欠平衡天然氣氣體鉆井啟示：?jiǎn)⑹疽唬绺挠贸R界二氧化碳作為循環(huán)介質(zhì)，所需工藝、裝備等同；啟示二，如氣源井壓力超過(guò)8Mpa，則可實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳鉆進(jìn)。 

超臨界二氧化碳?xì)怏w鉆井、壓裂、混相驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可行性

臨界點(diǎn)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(huì)液化的非凝聚性氣體）,只要注入井下二氧化碳?xì)怏w滿(mǎn)足高于臨界點(diǎn)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(tài)，其“密度與液體接近”）的特性，可進(jìn)行超臨界二氧化碳?xì)怏w鉆井下常規(guī)隨鉆儀器在空氣（超臨界二氧化碳流體）信號(hào)傳輸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和超臨界二氧化碳?xì)怏w鉆井井下螺桿鉆具、空氣錘提高扭矩快速鉆井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及氣體（超臨界二氧化碳?xì)鈶B(tài)）攜砂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

利用“密度近于液體，粘度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍，因而具有驚人的溶解能力”的特性，可進(jìn)行超臨界二氧化碳分段壓裂、二氧化碳吞吐、混相驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及利用老井側(cè)鉆水平井，高效低成本開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的重點(diǎn)是利用超臨界二氧化碳的這種特性，以求解決頁(yè)巖氣藏中20%～85%的吸附氣驅(qū)替問(wèn)題。

這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的所需裝備、工具、工藝、參數(shù)基本與常規(guī)天然氣氣體欠平衡鉆井、常規(guī)二氧化碳?jí)毫选⒍趸蓟煜囹?qū)相當(dāng)，僅需注意二氧化碳腐蝕問(wèn)題即可。 

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中二氧化碳腐蝕問(wèn)題：試驗(yàn)中只要不遇水其腐蝕問(wèn)題可以忽略不計(jì)，此外，長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，使吉林、長(zhǎng)慶油田具有成熟實(shí)用的防腐經(jīng)驗(yàn)和配套技術(shù)。 

二氧化碳資源豐富。江蘇泰興CO2氣田的儲(chǔ)量為全國(guó)之最，黃橋地區(qū)勘探面積40平方公里，氣層厚300ｍ，最高純度達(dá)99.88％，儲(chǔ)量613億ｍ3，目前最高日產(chǎn)5萬(wàn)ｍ3；可以開(kāi)采40多年。該氣田氣源狀態(tài)為8～8.2Ｍpa的常溫液體。此外，黃驊、濟(jì)陽(yáng)、吉林、南海都發(fā)現(xiàn)了豐富的CO2氣田。 

工藝、裝備相似，有豐富的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

研究試驗(yàn)的方法、技術(shù)路線(xiàn)以及工藝流程性

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

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的技術(shù)難點(diǎn)包括：

地層出水鉆進(jìn)問(wèn)題  地層出水超過(guò)一定量時(shí)，可及時(shí)改為泡沫鉆進(jìn)，水小時(shí)，可以加入一定吸濕劑解決。

進(jìn)入儲(chǔ)層后頁(yè)巖氣與超臨界二氧化碳（氣態(tài)）的分離問(wèn)題  預(yù)案有兩個(gè)：一是利用膜分離技術(shù)； 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(yè)巖氣分離出來(lái)。對(duì)循環(huán)出井的氣液固混合物進(jìn)行有效分離，液體和巖屑排放掉，而凈化后的氣體再次進(jìn)入壓縮機(jī)、增壓機(jī)循環(huán)利用。如果是采用二氧化碳?xì)忏@井，也可以將分離后的氣體直接注回氣源管線(xiàn)進(jìn)行回收。

為驗(yàn)證氮?dú)庋h(huán)鉆井新工藝可行性，北京科技信息大學(xué)曾經(jīng)與中石化合作，在四川大邑101井成功進(jìn)行了開(kāi)環(huán)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。分離前排砂口有明顯水流，分離后排砂口無(wú)水無(wú)塵，分離效果明顯。圖13是排砂口分離前后的對(duì)比圖。超臨界CO2氣體鉆井試驗(yàn)循環(huán)回收工藝流程見(jiàn)圖14。 

 二、超臨界CO2吞吐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

“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(guān)井一段時(shí)間，使注入的二氧化碳進(jìn)入地層，達(dá)到增強(qiáng)原油流動(dòng)性，提高原油驅(qū)動(dòng)力，以及降低原油粘度的作用。二氧化碳驅(qū)油技術(shù)在吉林油田、華東石油局等的應(yīng)用，已經(jīng)取得了良好的效果，特別是對(duì)于敏感儲(chǔ)層，二氧化碳驅(qū)比水驅(qū)具有更明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以大幅提高原油采收率。已被國(guó)外廣泛應(yīng)用于油田開(kāi)發(fā)增產(chǎn)，我國(guó)大氣、吉林、蘇北、長(zhǎng)慶、冀東、勝利、中原等右圖都早已推廣試驗(yàn)。

實(shí)施工藝時(shí)，注入排量、壓力、燜井時(shí)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(jí)二氧化碳吞吐相當(dāng)，只是需要特別注意確保高于臨界點(diǎn)壓力、溫度。

三、超臨界CO2混相驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

CO2混相驅(qū)是把二氧化碳注入油層中以提高采油率。混相驅(qū)中主要以二氧化碳驅(qū)油為主。由于二氧化碳是一種在油和水中溶解度都很高的氣體，當(dāng)它大量溶解于原油中時(shí)，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(qū)油技術(shù)相比，二氧化碳驅(qū)油具有適用范圍大、驅(qū)油成本低、采油率提高顯著等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)不僅能滿(mǎn)足油田開(kāi)發(fā)需求，還能解決二氧化碳的封存問(wèn)題，保護(hù)大氣環(huán)境。 

二氧化碳驅(qū)油是一項(xiàng)成熟的采油技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界正在實(shí)施的二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目有近80個(gè)。美國(guó)是二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目開(kāi)展最多的國(guó)家，每年注入油藏的二氧化碳量約為2000萬(wàn)～3000萬(wàn)噸，其中300萬(wàn)噸來(lái)自煤氣化工廠(chǎng)和化肥廠(chǎng)的廢氣。

在CO2與原油進(jìn)行混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，如進(jìn)行不同壓力下的CO2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替壓力越高，采收率越高。如果在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，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(dá)到驅(qū)替頁(yè)巖氣中20%～85%吸附氣的目的。

超臨界CO2吞吐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、超臨界CO2混相驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是工藝、裝備最為成熟，效果可能最為顯著的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，應(yīng)首先在吉林、江蘇、長(zhǎng)慶等地實(shí)施。

四、超臨界二氧化碳?jí)毫熏F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

CO2壓裂工藝在國(guó)內(nèi)已較為成熟，但在天然氣井高壓注入CO2氣時(shí)，由于氣體攜砂困難，撐開(kāi)地層裂縫有限，再造“儲(chǔ)層”效果有限。如果采用超臨界二氧化碳?jí)毫压に囘M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在壓裂前注入液態(tài)二氧化碳, 燜井蹩壓一段時(shí)間，待充分氣化和混相后, 再實(shí)施壓裂改造，起到補(bǔ)充地層能量和提高壓裂后助排效果的目的。

具體實(shí)施時(shí)，最好選一口已經(jīng)壓裂過(guò)的二輪壓裂井進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的是，此井第一輪壓裂后已建立縱橫交錯(cuò)的立體裂縫，實(shí)現(xiàn)了溝通儲(chǔ)層與井眼的目的，但此時(shí)僅能使地層中的絕大部分游離氣釋壓排出，但對(duì)于絕大部分吸附氣仍然無(wú)法排出，所以當(dāng)進(jìn)行第二輪超臨界二氧化碳作業(yè)時(shí)，先加壓使二氧化碳超過(guò)其臨界點(diǎn)，然后燜井一段時(shí)間，此時(shí)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(kuò)散系數(shù)為液體的100倍”，使界面張力接近零，達(dá)到驅(qū)替頁(yè)巖氣中20%～85%吸附氣的目的。

隨后的壓裂工藝、裝備與常規(guī)二氧化碳?jí)毫褵o(wú)異，分段壓裂技術(shù)屬于典型的體積壓裂，應(yīng)用于儲(chǔ)層能夠建立縱橫交錯(cuò)的立體裂縫，達(dá)到溝通儲(chǔ)層與井眼的目的，而超臨界二氧化碳?jí)毫言诮⒖v橫交錯(cuò)的立體裂縫，達(dá)到溝通儲(chǔ)層與井眼的同時(shí)，利用其“密度與液體相近，粘度比液體小，近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍”的特性，使界面張力接近零，達(dá)到驅(qū)替頁(yè)巖氣中20%～85%吸附氣的目的。

對(duì)于釋放產(chǎn)能降低滲流阻力，在二氧化碳?xì)怏w介質(zhì)中，作業(yè)中攜砂困難，如果是在超臨界二氧化碳介質(zhì)中，則利用其“密度近于液體”的特性，雖是氣態(tài)，但卻可以像液態(tài)一樣攜砂壓裂。

五、超臨界二氧化碳進(jìn)行井下空氣螺桿鉆具、空氣錘提高機(jī)械鉆速現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

在空氣介質(zhì)中，螺桿鉆具扭矩力將明顯不如液體介質(zhì)下的扭矩力，但二氧化碳在超臨界狀態(tài)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(jī)械鉆速。

空氣錘提高機(jī)械鉆速的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jìn)行氣體常規(guī)隨鉆測(cè)量信號(hào)傳輸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

目前在鉆井工程上常采用的數(shù)據(jù)傳輸方式主要有：有線(xiàn)電纜，電磁波，聲波和泥漿脈沖傳輸。其他方式都還未商業(yè)化應(yīng)用，尚處于理論研究和功能性實(shí)驗(yàn)階段。 

在氣體鉆井條件下，隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)十分昂貴且不太成熟，已商業(yè)化應(yīng)用在常規(guī)鉆井條件下的傳輸方式，因自身的限制不能滿(mǎn)足氣體鉆井的需要。因此，如何高速可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為氣體鉆井的重要課題。

超臨界二氧化碳進(jìn)行氣體常規(guī)隨鉆測(cè)量信號(hào)傳輸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，也是利用超臨界二氧化碳“密度近于液體”的特性，雖是氣態(tài)，但卻有接近液態(tài)的密度，達(dá)到在超臨界二氧化碳流體（氣態(tài)）的情況下，傳輸常規(guī)隨鉆儀器信號(hào)的目的。

七、超臨界二氧化碳老井側(cè)鉆水平井，高效低成本開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

全國(guó)有幾十所鉆井院、采油院、鉆采院，分布在全國(guó)各油田，具有地質(zhì)工程一體化、鉆井完井一體化設(shè)計(jì)、施工能力。對(duì)本油田老井情況較為熟悉。熟悉地面管網(wǎng)，輸配設(shè)備，熟悉老井的生產(chǎn)層位構(gòu)造。此外遼河、大港、華北、大慶、長(zhǎng)慶油田每年完成千余口側(cè)側(cè)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(nèi)就會(huì)大有作為。

迎接歷史機(jī)遇，加快我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)

本文的研究試驗(yàn)方法、技術(shù)路線(xiàn)以及工藝流程如圖15。 

氣體（空氣、氮?dú)狻⑽矚狻⒍趸細(xì)狻⒊R界二氧化碳?xì)猓┿@井的成套裝備有：長(zhǎng)慶、大慶、川慶鉆探公司自行研制除空壓機(jī)、注氮設(shè)備以外全套氣體鉆井裝備和工具，包括旋轉(zhuǎn)防噴器、增壓機(jī)、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(jié)流管匯、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀、硫化氫監(jiān)測(cè)儀、空壓機(jī)、循環(huán)回收裝備等，同時(shí)具備10口12-1/4英寸井眼實(shí)施空氣鉆井的能力。天然氣、超臨界二氧化碳?xì)怏w欠平衡鉆井配套裝備詳見(jiàn)表1。 

超臨界二氧化碳?xì)怏w欠平衡鉆井、壓裂、混相驅(qū)等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具備的條件、難點(diǎn)及目的見(jiàn)圖16。盡管頁(yè)巖氣技術(shù)還有諸多需要解決的問(wèn)題，頁(yè)巖氣是否會(huì)最終改變我國(guó)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(jī)遇，盡快行動(dòng)起來(lái)恐怕是我們最好的回答。而加快我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，對(duì)改變整個(gè)能源結(jié)構(gòu)、緩解油氣資源短缺、保障國(guó)家能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，都有著極為重要的意義。