液態(tài)CO2壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

吳金橋，高志亮，孫曉，梁小兵

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

壓裂改造是開發(fā)低滲、特低滲致密油氣資源最主要的增產(chǎn)技術(shù)[1]。近幾年，美國頁巖氣的成功開發(fā)，使得其開發(fā)過程中應(yīng)用的“大排量、大液量”的體積壓裂技術(shù)在致密油氣、頁巖油氣勘探開發(fā)中得到迅速推廣[2,3]，但壓裂液巨大的耗水量、對地下水及地表環(huán)境潛在的污染是使用該技術(shù)的一大弱點[4]。因此，尋找一種能替代水作為壓裂液的低傷害壓裂技術(shù)成為石油工程技術(shù)人員的研究熱點。由于液態(tài)CO2壓裂技術(shù)采用無水相的液態(tài)CO2作為壓裂液，壓裂后CO2變成氣體從地層中完全排出，對儲層幾乎無傷害，因而在低滲、低壓、水敏性儲層開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，迄今為止累計實施2000井次以上[5]。為此，筆者對液態(tài)CO2壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景進(jìn)行了詳盡分析，以便為油氣田的壓裂改造提供參考。

1 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)特點

液態(tài)CO2壓裂是指采用純液態(tài)CO2作為壓裂液進(jìn)行增產(chǎn)改造的工藝技術(shù)。CO2臨界溫度、壓力分別為31.0℃、7.38MPa，易于液化，在實際壓裂工況條件下，液態(tài)CO2的密度與水接近且黏度約為水的1/10，因而具備了壓裂液的基本性能[6]；壓裂時，液態(tài)CO2作為壓裂無水相進(jìn)入地層，壓裂施工結(jié)束后，當(dāng)溫度升高、壓力降低時，液態(tài)CO2變成氣態(tài)，快速、徹底地從地層排出，不留殘渣，因而是一種真正意義上的無傷害壓裂工藝[7]。

1.1 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的優(yōu)勢

1)對儲層傷害小 CO2是一種非極性分子，與地層巖石、流體配伍性好。CO2溶于原油，顯著降低原油黏度，有利于原油流動。此外，CO2溶于水，生成弱酸性碳酸，能抑制黏土膨脹。同時，當(dāng)?shù)貙又袦囟瘸^31.1℃時，液態(tài)CO2氣化變成氣體，無殘留，完全避免了對裂縫導(dǎo)流能力的損害。

2)返排迅速徹底 當(dāng)溫度升高后，液態(tài)CO2在地層中氣化膨脹(1m3液態(tài)CO2約變成540m3氣態(tài)CO2)，大大增加了地層能量，可以完全不依靠地層壓力并在2～4d內(nèi)實現(xiàn)迅速徹底的返排，從而縮短投產(chǎn)周期。

3)容易形成網(wǎng)縫 液態(tài)CO2黏度低，較凍膠壓裂液更容易進(jìn)入微小裂縫，進(jìn)而增加網(wǎng)縫的形成[8]。同時，壓裂后具有較高的基質(zhì)滲透率恢復(fù)值和較高的導(dǎo)流能力，儲層基質(zhì)、裂縫端面及人工裂縫滲透性好。

4)綜合作業(yè)成本低，經(jīng)濟(jì)效益好 實施液態(tài)CO2壓裂技術(shù)時需要的化學(xué)添加劑少，壓裂后沒有壓裂廢液，既避免了環(huán)境污染，又節(jié)約了生產(chǎn)成本。此外，與常規(guī)壓裂措施井相比，使用液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的油氣產(chǎn)量高且穩(wěn)產(chǎn)期長，因而經(jīng)濟(jì)效益好。

1.2 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)劣勢

1)攜砂能力差 由于液態(tài)CO2的黏度低，因而攜砂能力差。為保證施工安全，砂濃度要低，支撐劑尺寸要小一些。同時，液態(tài)CO2在地層濾失速度快，泵注排量要大，因而需要動用較多的壓裂設(shè)備。

2)加砂規(guī)模受限 由于施工中必須保持CO2處于液態(tài)，因此需要在較高的壓力條件下才能實現(xiàn)CO2與支撐劑的混合，因而不能使用常規(guī)混砂車，必須采用專用的CO2密閉混砂設(shè)備。此外，加砂規(guī)模受密閉混砂設(shè)備尺寸的限制，因而不適合加砂規(guī)模較大的壓裂改造，如致密氣、頁巖氣井的體積壓裂等。

2 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 純液態(tài)CO2加砂壓裂技術(shù)階段

從20世紀(jì)60年代開始，液態(tài)CO2作為壓裂液的增能助排劑在油氣井增產(chǎn)改造中得到應(yīng)用[9]。1981年，美國首次采用100%液態(tài)CO2作為壓裂液對低滲氣層進(jìn)行加砂壓裂改造，獲得了良好的增產(chǎn)效果[10,11]。純液態(tài)CO2加砂壓裂是采用100%液態(tài)CO2(無水或其他添加劑)作為攜砂液進(jìn)行壓裂施工的工藝技術(shù)。該技術(shù)施工流程如下：作業(yè)前，將支撐劑裝入密閉混砂車并加入液態(tài)CO2預(yù)冷，然后利用N2驅(qū)動液態(tài)CO2與支撐劑混合后經(jīng)壓裂泵車增壓注入地層。作業(yè)完成后，關(guān)井一段時間，確保CO2完全氣化，然后開井排液，將氣態(tài)CO2排出井筒。1986年，Setlari等[12]開展了液態(tài)CO2壓裂數(shù)值模擬研究，探討了低溫低黏液體對壓裂裂縫形態(tài)、濾失、攜砂性能的影響。Campbell等[13]介紹了液態(tài)CO2加砂壓裂的地面設(shè)備流程和壓裂設(shè)計的摩阻-排量圖版。1993至1994年，美國、加拿大等國家石油公司開展了超過1200井次以上液態(tài)CO2加砂壓裂作業(yè)，井深700～5000m、CO2用量87～337t、加砂量5.7～54.4t，施工后油氣井產(chǎn)量增加了幾倍至十幾倍，尤其是針對Lewis、Devonian等頁巖氣層進(jìn)行了幾十井次的應(yīng)用對比，增產(chǎn)效果明顯好于鄰近N2壓裂、N2泡沫壓裂井[14-15]。

2.2 液態(tài)CO2/N2壓裂技術(shù)階段

1994年，Mazza[16]發(fā)明了在液態(tài)CO2中添加一定比例的N2進(jìn)行攜砂壓裂的工藝技術(shù)，即液態(tài)CO2/N2壓裂技術(shù)，其施工流程與液態(tài)CO2加砂壓裂類似，首先對支撐劑加壓預(yù)冷，然后液態(tài)CO2與支撐劑混合并經(jīng)壓裂泵車增壓，在井口與N2按一定比例混合后泵入地層，N2的體積比例一般為50%～70%。Tudor等[17]提出了液態(tài)CO2、液態(tài)CO2/N2低黏流體的臨界攜砂流速準(zhǔn)則和管流摩阻計算公式。Samuel等[18]對液態(tài)CO2/N2壓裂進(jìn)行了模擬計算，研究了N2比例等因素對摩阻、壓裂成本等影響。Meier等[19]首次利用現(xiàn)場和實驗室數(shù)據(jù)測定了液態(tài)CO2、液態(tài)CO2/N2的濾失系數(shù)，結(jié)果顯示液態(tài)CO2可以降低含水飽和度并提高氣井產(chǎn)量。截至1997年為止，液態(tài)CO2/N2壓裂技術(shù)在加拿大淺層氣井成功應(yīng)用了200井次，井深194～1670m，液態(tài)CO2泵注排量為2.0～5.5m3/min，N2比例為50%～67%，加砂2.5～11.9t，與液態(tài)CO2壓裂相比，增產(chǎn)效果相當(dāng)，而平均單井成本降低23%[20]。

2.3 液態(tài)CO2/N2泡沫壓裂技術(shù)階段

1998年，BJ公司開發(fā)了液態(tài)CO2/N2泡沫壓裂技術(shù)[21]，即在液態(tài)CO2中加入一種能完全溶解的氫氟醚類起泡劑(如HFE-7100)，通過調(diào)節(jié)N2的摻入比例(一般在75%～80%)，使整個體系形成一種穩(wěn)定性好、黏度高的非常規(guī)泡沫流體，并以此作為攜砂液的壓裂工藝，其施工流程與純液態(tài)CO2壓裂類似。1999至2003年，利用液態(tài)CO2/N2泡沫壓裂技術(shù)成功實施了350多次壓裂作業(yè)，井深1000～1200m，泵注排量2～3m3/min，最高砂濃度可達(dá)400kg/m3，主要用于低滲、低壓水敏性氣藏壓裂改造[22]。另外，該技術(shù)在煤層氣井上的壓裂應(yīng)用效果也很好。從2005年開始，長慶油田在低滲致密氣藏上開展了4～5井次純液態(tài)CO2(不加砂)壓裂，取得了初步的認(rèn)識[23-24]。2008年，陸友蓮等[25]對純液態(tài)CO2壓裂的非穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，了解其井底壓力、溫度隨時間的變化規(guī)律；2009年，孫曉等[26-27]采用高溫高壓泡沫循環(huán)回路測試了“液態(tài)CO2/N2/起泡劑”壓裂液體系的流變特性和摩阻特性，初步建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)擬合公式。2011年，延長石油在陸相頁巖氣井上完成了1井次純液態(tài)CO2(不加砂)壓裂試驗，取得成功，同時將液態(tài)CO2壓裂與大型滑溜水體積壓裂結(jié)合，應(yīng)用20多井次，增能助排效果良好[28]。

3 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)類型對比分析

液態(tài)CO2壓裂技術(shù)包括純液態(tài)CO2加砂壓裂技術(shù)、液態(tài)CO2/N2壓裂技術(shù)和液態(tài)CO2/N2泡沫壓裂技術(shù)3種類型。采用純液態(tài)CO2加砂壓裂技術(shù)時，由于純液態(tài)CO2黏度低，攜砂能力差，泵注排量大，作業(yè)成本高，但其工藝簡單，易于操作且技術(shù)成熟，因而應(yīng)用井次最多。采用液態(tài)CO2/N2壓裂技術(shù)時，由于N2的加入增強(qiáng)液態(tài)CO2的湍流效應(yīng)，攜砂能力有所提高，泵注排量和液態(tài)CO2用量減少，這樣使得作業(yè)成本較低。采用液態(tài)CO2/N2泡沫壓裂技術(shù)時，由于壓裂液為非常規(guī)液態(tài)CO2/N2泡沫流體，其黏度高、攜砂能力強(qiáng)、濾失低，只需使用很小的泵注排量和液態(tài)CO2用量，因而作業(yè)成本最低。不同液態(tài)CO2壓裂技術(shù)施工參數(shù)比較如表1所示。

4 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)展望

4.1 進(jìn)一步提高液態(tài)CO2攜砂能力

為擴(kuò)大液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的適用范圍，提高液態(tài)CO2的攜砂能力并降低施工摩阻尤為關(guān)鍵。國內(nèi)外通常的方法是提高液態(tài)CO2的黏度，如采用液態(tài)CO2/N2泡沫，但摩阻較高；或添加能溶于液態(tài)CO2中的含氟高分子聚合物等[18]，但存在聚合物殘渣，因而需要加強(qiáng)提高液態(tài)CO2攜砂能力的方法研究。

4.2 優(yōu)化液態(tài)CO2壓裂工藝參數(shù)

液態(tài)CO2壓裂工藝參數(shù)的優(yōu)化內(nèi)容包括液態(tài)CO2流動特性(如黏度、摩阻等)、對流換熱特性、濾失特性、攜砂能力等工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究。通過優(yōu)化液態(tài)CO2壓裂工藝參數(shù)，可以為液態(tài)CO2壓裂施工壓力預(yù)測、壓裂管柱和支撐劑(尺寸、密度)優(yōu)選、施工排量和加砂濃度等工藝參數(shù)優(yōu)化提供設(shè)計依據(jù)。

4.3 研制液態(tài)CO2壓裂專用設(shè)備

高壓密閉混砂設(shè)備是實施液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的核心部件之一，因而需要加強(qiáng)該設(shè)備的水力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。另外，應(yīng)開展連續(xù)式密閉加砂系統(tǒng)的研制，這對于實現(xiàn)大規(guī)模液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用尤為重要。

4.4 加強(qiáng)液態(tài)CO2壓裂增產(chǎn)機(jī)理的探討

液態(tài)CO2壓裂增產(chǎn)機(jī)理包括液態(tài)CO2破巖、裂縫延伸及增滲機(jī)理，弄清液態(tài)CO2壓裂增產(chǎn)機(jī)理，能夠為預(yù)測液態(tài)CO2壓裂裂縫形態(tài)提供可靠的理論依據(jù)。

5 結(jié)語

目前，隨著“體積壓裂、水平井分段壓裂技術(shù)”在致密氣、頁巖氣井上的規(guī)模應(yīng)用，壓裂過程中水資源的浪費和污染引起了人們的重視，亟需開發(fā)一種可替代水的低傷害壓裂技術(shù)。液態(tài)CO2易液化，特別是煤化工企業(yè)的CO2減排回收成本較低，可以采用液態(tài)CO2替代水基壓裂液進(jìn)行增產(chǎn)改造，減少水的用量，同時對儲層基本無傷害，無需其他化學(xué)劑，無返排液處理，潛在環(huán)境污染風(fēng)險小。因此，液態(tài)CO2壓裂技術(shù)在低滲致密油氣、頁巖油氣開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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