爆炸壓裂簡史與當前的發展方向
來源：西安閃光能源科技有限公司 發布時間：2020-11-27爆炸壓裂簡史
（一）早期的探索
爆炸采油曾經風行幾十年。1860年，因為打井后不出油，美國有人憤怒地向井底開槍，居然出了油。很快，1864年有人申請了用爆炸方法激勵油井的專利。那個時候主要靠自然產能出油，出不來就炸一下，看看是不是能出點兒油。爆炸激勵油井，到1940年代已經成為主流技術，但是爆炸效果時好時壞，而且容易傷人毀井。在1947年美國首次現場試驗水力壓裂，當時雖然沒有出油，但證明在地面用液壓泵向井筒注水是可以壓裂地層的。從此水力壓裂興起，明顯優于爆炸激勵。
從那時一直到1970年代，搞爆炸的人想了許多爆炸方案搞壓裂，仍然沒有取得好效果，水力壓裂取代爆炸方法成為大勢所趨。美國70年代有一個由企業集資的提高采收率的研究項目ERDA[2]，其中包含水力壓裂和爆炸壓裂。他們在一個頁巖地層里用炸藥放了三炮，前兩炮各用炸藥6.8噸，沒有明顯效果，甚至產液還有點兒下降，第三炮用炸藥4.5噸略有提升。這個試驗再一次證實，用集中藥包的爆炸沒有明顯效果。ERDA項目還在地下核爆過的巖層壓裂（1963年美國和蘇聯簽訂了禁止大氣層核試驗的條約，兩國大力做地下核爆，順帶研究了采油采氣）。
他們在1973年做過核爆炸、2000英尺厚的頁巖氣地層用氮氣泡沫壓裂。在第一段注液457m3（用氮24m3/min），注砂181噸，實驗以后平均日產氣180萬方。另外一段注液和注砂都加倍，平均日產氣540萬方。這么厚的地層被核爆炸出大量裂縫，再用壓裂的方法疏通它的裂縫，產氣量大得驚人。證明頁巖氣開采潛力非常大，但是核爆炸是臟的，社會不容忍，未推廣應用。
Lawrence Livermore實驗室1979年報道[3]了核爆以后滲透率變化的實測結果。兩倍爆坑半徑處的地層，滲透率比原始的大兩個量級，更遠處則對數線性地衰減，與無量綱距離（測點到爆心距離與爆坑半徑之比）的α次方成反比。有一個核爆地層的，另一個試驗地層的。地下核爆的爆坑是一個煙筒樣的腔體，孔壁附近被壓實，滲透率猛的下降，一直降到比正常值還要低。
Sandia實驗室1981年發表文章[4]，對爆炸壓裂問題做了結論，說集中藥包爆炸后爆坑擴大，壁面附近有一個壓實圈，密度很大，切向殘留很大的壓應力，使得滲透率顯著減少，叫做“應力籠”。爆炸的對稱性不是那么好，所以偶然有裂縫會貫穿了密實區，一貫穿就透氣了，不貫穿就不透氣，所以它時好時壞。
該文提出消除應力籠、改進爆炸壓裂的條件是，改善裝藥幾何狀態，就是炸藥分布鋪放；或者，削弱炸藥激發的激波幅值。由這兩個條件引申出三個發展爆炸壓裂的方向：第一是層內爆炸壓裂，就是不采用集中藥包，使炸藥分布在面積很大的一層；第二是固體推進劑爆燃壓裂；第三是液體火藥爆炸壓裂。爆炸有爆轟、爆燃兩種形態。爆轟的時候壓力非常高，爆燃的時候壓力顯著降下來。后面兩個方向都是把爆炸壓力降下來。用于火箭的固體推進劑也可以爆轟。發射火箭的時候，如果推進劑爆轟，火箭就掉下來了。但做得好，推進劑可以按照指定的速度燃燒，就能把火箭送上天。要做到這一點，就要深刻的掌握推進劑釋放能量的形態。
（二）當前爆炸壓裂的三個方向
上世紀80年代一直到現在，對爆炸壓裂的探索，基本上沿著以下三個方向：第一個方向。1967年，美國人在SPE——石油界的一個大會上發表文章討論巖石縫內爆炸機制[5]。70年代有人用硝基甲烷作為主要成分，做成液體炸藥，擠到地層進行層內爆炸[6]。當時他們找到有可能把這個炸藥擠進去的特殊地層。第一炮炸用1.8噸的液體炸藥，產量提高十倍。第二炮用272公斤液體炸藥，80%擠進地層，日產量由0.2噸提高到6.2噸。據報道，美國和加拿大做過八次層內爆炸實驗，其中三個油井產量增加1.5到7倍，還有五個氣井產量增加1.5到14倍。
中國科學院力學所在1996年針對低滲油氣田提出層內爆炸壓裂的建議[7]。找到能在縫內爆炸的炸藥，是實現層內爆炸產油的關鍵。壓裂縫是五毫米左右，遠處也就是兩三毫米，可用炸藥起爆的臨界尺度大概一毫米多。這種藥大約可以分兩類，一類敏感液體基，比如說用硝化甘油、硝基甲烷。但是硝化甘油太危險，用硝基甲烷不是那么敏感。另一類用鈍感液體基（水或油）。力學所提出的乳狀炸藥方案需要解決四個問題，第一是乳狀炸藥怎樣注入到壓裂縫，第二是乳狀炸藥在壓裂狹縫內能不能持續爆炸，第三是狹縫爆炸對巖層作用，第四是爆炸安全。力學所圍繞第二、第三個問題，做了一些基礎性工作：（1）和滲流所合作做了30克藥量小尺度模擬實驗；
（2）和廊坊壓裂中心合作做了三百克中尺度模擬實驗；（3）和中國石油大學合作研究巖石爆炸開裂和滲流強化；（5）鄭哲敏先生指導兩位博士先后研究沖擊開裂和乳狀炸藥在縫中爆炸的可持續性。結論是原則上有可能實現。另外西安石油大學研制了液體炸藥，到大慶做了層內爆炸現場實驗[8]。有文章報道，但是沒有明顯的增產效果，實驗以后的結論是具備進一步實驗的條件。
從國內的進展看，層內爆炸壓裂原理可行，技術難度大，尚未突破。
第二個方向，用推進劑爆燃壓裂。美國人發現了應力籠以后就開始走固體推進劑爆燃這條路。Sandia實驗室先在一口深180多米的頁巖井做了推進劑爆燃實驗，原來這口井氣流很小，爆裂以后日產氣28方。又在一口千米深頁巖井試驗，施工前產氣量為日產142 方，施工后達到日產614方。美國人發展推進劑爆燃壓裂，到了80年代已經壓了4千多口井，最深的4000米。前蘇聯做了200多口井，都是有增產效果的[9]。1983年美國有人提出射孔-推進劑壓裂聯合作業。90年代有一篇SPE報告，講的是射孔彈爆炸只打了一個孔，與推進劑聯動，戲劇性地提高了射孔與儲層的聯通性[10]。進入新世紀，美國人又在射孔-推進劑壓裂聯合作業之后，接著做水力壓裂[11]，發現顯著降低了水力壓裂的起裂壓力。
但是如果射孔-推進劑壓裂聯合作業一年后再去做水力壓力，起裂壓力就不降低了，換句話說推進劑壓裂的縫閉合了。國內1984年開始研究井筒內推進劑爆燃壓裂，1986年現場試驗初步成功，命名“高能氣體壓裂”[12]。2000年中石油在西安石油大學建了油藏改造重點實驗室——高能氣體壓裂重點研究室，發展了很多項技術。高能氣體壓裂的缺點是裂縫不夠長，它可以在近井壓裂，遠處作用不大，原因是推進劑的用量不能大。井筒是密閉環境，強約束，推進劑藥量大，燃燒就會發展成爆轟，毀傷井筒。
第三個方向——前蘇聯走的是液體火藥的路子。到了1986年，蘇聯人研制出液體火藥 ，實現了液體火藥爆炸壓裂。它是把氧化劑硝酸銨和可燃劑甘油混到水里面，硝酸銨、甘油都可以與水任意比例混合，再加一些添加劑（尿素、乙酸等）。硝酸銨的分解溫度是攝氏210度，甘油分解溫度是攝氏290度，因為有水，在常壓下怎么都點不著。但是在高壓條件下，水的汽化點大大升高，再強點火，這個混合液就變成了炸藥。所以它非常安全，只在特定條件下爆炸。它的爆容達到每公斤40~50摩爾氣體，跟炸藥接近，但爆溫只有1千多度，使得液體火藥爆炸，達不到高能炸藥那個爆炸程度，恰好可以將上噸的下到井里面去炸。1993年俄羅斯人到中國來推廣這項技術[13]，每口井的效果都非常好。
（三）創新的思路：高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂
頁巖含有黏土質，黏土質遇水就會膨脹，黏土質多的頁巖不宜用水壓裂。為抑制黏土質膨脹，美國人往壓裂液里放了添加劑，導致環境污染，被社會垢病。特別是，很多頁巖氣儲量在沒有水、缺水的地方。因此，開采頁巖氣需要一種新的技術——無水壓裂。
目前已經發展了多種無水壓裂，如液態二氧化碳壓裂、液氮壓裂、液化天然氣壓裂[14]，但是沒有像水力壓裂那樣成為主流。
前文所說的液體炸藥壓裂仍然有水，層內爆炸壓裂尚未突破，推進劑爆燃壓裂作用尺度太小，不能滿足開采頁巖氣的需要。針對這一局面，中國科學院力學研究所2013年開始探討高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂問題。
高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂示意圖
高壓可燃氣典型的成分是甲烷加空氣，甲烷與空氣中的氧生成二氧化碳和水，釋放熱導致爆炸。爆炸反應后的壓力是初始壓力的若干倍，調控初始壓力就能控制爆炸壓力。
高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂的特點是什么呢？
第一，是它滿足生成縫網的力學條件。巖石爆炸壓裂的條件，一是爆炸造成的巖石應力要高于其動態拉伸強度，造成的油井套管應力要低于套管動態強度；二是壓力上升速率要足夠高；三是爆炸做功的能力足夠大。高壓可燃氣體爆炸壓力上升快，壓力大小容易控制，做功能力大，滿足這三個條件，特別適合縫網壓裂。第二，是它環境友好，對地層沒有傷害，對環境也沒有傷害。
第三，是價格低廉，經濟可行。空氣不要錢，需要的是把空氣壓縮了。甲烷比液態二氧化碳、液氮等便宜。第四，是比較容易操作，容易實現分段壓裂和重復壓裂。第五，是裝備規模比水力壓裂小許多，較易實現和實施。
爆炸壓裂不能攜帶支撐劑，這是它最大的缺點。頁巖氣滲流縫隙尺度可以顯著小于原油滲流的縫隙尺度，剪切裂縫和巖屑的自支撐作用，這兩種效應是否能彌補無支撐劑對頁巖氣滲流的影響？有待實驗和工程檢驗。另外一個缺點，爆炸產物含水。這個水是高溫高壓的蒸汽，化學當量比是18%。隨溫度下降，爆炸氣體壓力逐漸下降，蒸汽將凝結成水。如果在氣壓降到比巖石的強度還要低的時候趕緊返排，水蒸汽的問題也許可以解決。
再一個問題就是爆炸安全，需要研制適應爆炸的專用技術裝備。由于氣體爆炸壓力限制在套管強度許可范圍內，套管是安全的，但須注意固井水泥界面是否會開裂。另外，還要嚴格遵守爆炸安全規程，不遵守規程肯定要被懲罰。
美國人1994年提出過氣體爆炸專利，方案是把可燃氣體壓到地縫里面去起爆[15]。可燃氣體爆炸，臨界尺度較大，小尺度炸不了。實現地縫這樣小尺度可燃氣體爆炸，需要非常高的初始壓力，所以那個專利難以實現。力學所的方案是在井筒里面炸，初始壓力容易控制到合理值，應當是一個可行的方案。
可以說，可燃氣體爆炸是發展爆炸壓裂的第四個研究方向，迄今尚無成功先例。研發高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂，肯定會遇到目前不知的困難。需求呼喚創新，采油的人和搞爆炸的人緊密合作是創新成功的要素。在缺水地區開采頁巖氣需要新的技術突破。筆者期待，高壓可燃氣體井筒爆炸壓裂，能另辟蹊徑，為我國達成開采頁巖氣的戰略目標做出貢獻。
