CO2干法壓裂新技術(shù)在頁(yè)巖氣藏的應(yīng)用實(shí)踐

張軍濤，孫 曉，吳金橋

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西西安 710075)

延長(zhǎng)石油的頁(yè)巖氣藏黏土礦物含量高、孔隙度低，滲透率低、壓力低，常用頁(yè)巖氣壓裂改造技術(shù)適應(yīng)性差。CO2干法壓裂是一種以純液態(tài)CO2作為攜砂液進(jìn)行壓裂施工的工藝技術(shù)，可消除儲(chǔ)層水敏和水鎖傷害，增加儲(chǔ)層壓力，提高壓裂改造效果，有利于頁(yè)巖氣、致密氣和煤層氣吸附天然氣的解吸，在低滲、低壓、水敏性?xún)?chǔ)層開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，液態(tài)CO2壓裂存在的最大問(wèn)題是自身黏度低(約為0.1 mPa·s)，攜砂能力差，導(dǎo)致需要較大的泵注排量，造成井筒摩阻高、施工壓力高，施工難度和成本增加；而且由于液態(tài)CO2壓裂施工時(shí)溫度極低，低溫導(dǎo)致現(xiàn)有壓裂液體系中的提高壓裂液黏度的物質(zhì)應(yīng)用于液態(tài)CO2壓裂時(shí)基本起不到增黏效果，因此，一般液態(tài)CO2壓裂時(shí)要使用專(zhuān)用增黏劑，但專(zhuān)用增黏劑存在價(jià)格高和傷害儲(chǔ)層等問(wèn)題。

1 頁(yè)巖氣藏壓裂地質(zhì)特征和現(xiàn)狀

延長(zhǎng)東部云巖區(qū)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育，埋深2 400～2 800 m，巖性主要為深灰色、灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖，夾淺灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖，局部發(fā)育鋁土質(zhì)泥巖及薄煤層。巖屑組分主要以變質(zhì)巖巖屑為主，其次為云母和火成巖巖屑。泥頁(yè)巖脆性礦物含量較低，黏土礦物含量高，石英+長(zhǎng)石平均含量為14.2%，黏土礦物含量平均為69.4%，碳酸鹽巖及其他礦物含量為16.4%；泥頁(yè)巖中黏土礦物以伊利石(26.6%)和高嶺石(48%)為主，壓力系數(shù)為0.7～0.9[1]。

從頁(yè)巖地質(zhì)特征看，頁(yè)巖氣層孔隙度低，滲透率極低，無(wú)自然產(chǎn)能，壓裂改造是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的主要增產(chǎn)措施。在壓裂工藝選擇上，首先根據(jù)該區(qū)頁(yè)巖的礦物組成，由巖石脆性指數(shù)公式[2]計(jì)算可知，該區(qū)頁(yè)巖的脆性指數(shù)在40%～50%，優(yōu)選出了滑溜水或滑溜水/線(xiàn)性膠的低黏壓裂液體系；其次結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣的增產(chǎn)改造經(jīng)驗(yàn)[3]，應(yīng)用了大排量(8～12 m3/min)、大液量(1 000～2 000 m3/級(jí))、大砂量(40～80 m3/級(jí))的體積壓裂工藝，在8口直井、2口水平井中開(kāi)展增產(chǎn)實(shí)踐，壓裂成功并均獲得頁(yè)巖氣流。

由于本區(qū)頁(yè)巖氣藏地層壓力低(壓力系數(shù)0.7～0.9)，頁(yè)巖孔隙喉道小，排驅(qū)壓力高(大于8.5 MPa)，壓裂液返排慢、返排率低(一般在40%～60%)、排液周期長(zhǎng)(一般在40～50 d)。因此，需要優(yōu)化壓裂工藝，增加地層能量，提高壓裂液的返排速度和返排率。

2 CO2干法壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

采用CO2作為攜砂液的干法壓裂技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代由北美最先提出并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，迄今為止已完成3 000井次的壓裂施工，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果上看，采用CO2干法壓裂能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)能增加3～5倍，增產(chǎn)效率在50%以上[4-6]。國(guó)內(nèi)初期主要受制于沒(méi)有配套的CO2密閉加砂設(shè)備，技術(shù)體系主要處于探索階段。長(zhǎng)慶油田在2005年7月底用CO2干法壓裂新技術(shù)在榆32-16井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，并取得了成功，從壓裂施工到測(cè)試結(jié)束僅用了14 d，只有常規(guī)水力壓裂生產(chǎn)周期的1/3，創(chuàng)造了新的施工紀(jì)錄。通過(guò)自主研發(fā)，川慶工程院以及山東杰瑞相繼開(kāi)發(fā)出CO2密閉加砂設(shè)備，2010年，川慶工程院開(kāi)展了1例液態(tài)CO2加砂壓裂試驗(yàn)，壓后排液僅用60 h，獲得2×104m3/d的無(wú)阻流量[7-10]。2012年，延長(zhǎng)石油集團(tuán)在頁(yè)巖氣井進(jìn)行CO2干法壓裂初步嘗試，并見(jiàn)到了較好的效果。2014年，吉林油田開(kāi)展了1井次，2015—2016年川慶工程院開(kāi)展了6井次，均取得了產(chǎn)量突破，并大幅度提高了液體返排率。CO2干法壓裂展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[11]。

3 CO2干法壓裂新技術(shù)

由于液態(tài)CO2懸砂能力差，導(dǎo)致施工加砂成功率低，常用的支撐劑陶粒的視密度為2.6～2.9 g/cm3，體積密度為1.5～1.7 g/cm3。新型自懸浮超低密度支撐劑的視密度為0.95～1.05 g/cm3，體積密度為0.63 g/cm3，可直接在清水中懸浮，而液態(tài)CO2的密度為1.0 g/cm3左右，與清水相近，因此，采用新型自懸浮超低密度支撐劑替代陶粒，可實(shí)現(xiàn)支撐劑在純液態(tài)CO2中的懸浮。本文的研究將新型自懸浮超低密度支撐劑與液態(tài)CO2相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了“液態(tài)CO2+自懸浮超低密度支撐劑”壓裂工藝新技術(shù)，不使用增黏劑，避免了增黏劑對(duì)儲(chǔ)層的傷害和返排時(shí)對(duì)環(huán)境的污染，進(jìn)一步降低了壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，解決了CO2干法壓裂懸砂能力差這一難題，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的純液態(tài)CO2壓裂。

3.1 自懸浮超低密度支撐劑性能評(píng)價(jià)

自懸浮超低密度支撐劑是一種納米材料增強(qiáng)的聚合物小球，其圓度和球度可達(dá)到0.9，強(qiáng)度高，不易破碎。與常規(guī)支撐劑相比，該支撐劑具有以下優(yōu)勢(shì)：①在裂縫中單層分布，鋪砂濃度低，能夠使裂縫保持長(zhǎng)期良好的導(dǎo)流能力；②材料輕，其密度接近攜砂液滑溜水的密度，不但減小了對(duì)地層的傷害，而且可以有效地避免支撐劑在裂縫中的沉降；③不會(huì)產(chǎn)生破碎、凹陷和碎屑，即使在變形狀態(tài)下，它也可以保持油藏巖石裂縫張開(kāi)；④因具有優(yōu)異的光滑度和圓球度(圖1)，使其運(yùn)移到位后易鎖定在目標(biāo)位置上。

3.1.1 自懸浮超低密度支撐劑與石英砂及陶粒支撐劑的常規(guī)性能對(duì)比

根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》，將20/40目自懸浮支撐劑與20/40目石英砂及陶粒支撐劑的常規(guī)物性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 自懸浮支撐劑與石英砂及陶粒支撐劑的常規(guī)物性對(duì)比Table 1 Physical properties comparison of flow-levitation proppant and quartz sand and ceramsite

圖1 支撐劑圓度、球度顯微照片(放大100倍)Fig.1 Sphericity micrograph of proppant (100 times)

由表1可知，自懸浮支撐劑的密度及破碎率均明顯優(yōu)于石英砂和陶粒支撐劑，能夠滿(mǎn)足CO2干法壓裂的需求。

3.1.2 自懸浮超低密度支撐劑耐低、高溫性能檢測(cè)

CO2干法壓裂時(shí)地面溫度低至-17 ℃，進(jìn)入氣層后溫度高達(dá)100 ℃。自懸浮超低密度支撐劑是由聚合物制成，聚合物的耐溫性能與陶粒和石英砂不同，為了防止支撐劑遇到液態(tài)CO2或進(jìn)入地層后破碎率等特性發(fā)生變化，需要在低溫和高溫兩種條件下對(duì)自懸浮超低密度支撐劑的破碎率等基本性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 自懸浮支撐劑耐溫性能檢測(cè)結(jié)果Table 2 Temperature resistance properties of flow-levitation proppant

3.2 CO2干法壓裂新技術(shù)施工步驟

CO2干法壓裂新技術(shù)主要是通過(guò)以下3個(gè)施工程序?qū)崿F(xiàn)的：①前置降濾失劑處理；②CO2干法壓裂施工；③壓后控制放噴返排(圖2)。

主要壓裂施工參數(shù)如下：①施工排量：1.0～5.0 m3/min；②前置降濾失劑比例：10%～50%；③支撐劑類(lèi)型：超低密度支撐劑，主要使用40/70目和20/40目支撐劑；④加砂濃度：50～200 kg/m3。

CO2干法壓裂新技術(shù)具體施工步驟如下：①預(yù)先前置降濾失劑處理，排量低于液態(tài)CO2壓裂施工排量；②液態(tài)CO2壓裂施工：重新起泵后，以較高排量泵注液態(tài)CO2，破裂地層，延伸裂縫，然后打開(kāi)密閉混砂設(shè)備，以一定比例混入支撐劑，支撐劑加完后，進(jìn)行頂替，直到支撐劑剛好完全進(jìn)入地層，停泵；③壓后關(guān)井：壓裂施工結(jié)束后，關(guān)井2～4 h，控制放噴。

圖2 CO2干法壓裂流程示意Fig.2 Schematic diagram of CO2 dry fracturing progress

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

云頁(yè)X井，目的層段2 594.30～2 657.80 m，為黑色含氣頁(yè)巖夾灰白色含氣細(xì)砂巖長(zhǎng)7段黑色頁(yè)巖，錄井氣測(cè)顯示明顯，射孔后無(wú)產(chǎn)能。該井采用液態(tài)CO2加砂壓裂，壓裂管柱為P110鋼級(jí)的5.5英寸套管。

在CO2干法壓裂前先行以1.0～4.0 m3/min排量注入40 m3降濾失劑，以降低液態(tài)CO2在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的濾失。以4.0 m3/min排量注入100 m3純液態(tài)CO2造縫并延伸裂縫，然后以4.0 m3/min排量注入150 m3攜砂液，加入10 m3自懸浮超低密度支撐劑(視密度為0.95～1.05 g/cm3)，施工壓力平穩(wěn)，最高砂比達(dá)到了10%，用純液態(tài)CO2頂替30 m3后停泵(圖3)。關(guān)井12 h，采用3 mm油嘴放噴6 h，換8 mm油嘴放噴2 h，然后敞放12 h后即點(diǎn)火可燃，火焰高度2～4 m。

圖3 云頁(yè)X井CO2干法加砂壓裂施工曲線(xiàn)Fig.3 CO2 dry fracturing construction curves of well Yunye X

圖4 云頁(yè)X井CO2干法加砂壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 CO2 dry fracturing construction site of well Yunye X

該技術(shù)在云頁(yè)X井實(shí)現(xiàn)了CO2干法壓裂技術(shù)在頁(yè)巖氣井的成功應(yīng)用，并取得了較好的效果。液態(tài)CO2無(wú)增黏攜砂的方法開(kāi)辟了CO2干法加砂壓裂的新思路，可在同類(lèi)氣藏進(jìn)行推廣應(yīng)用，在環(huán)保要求越來(lái)越高的情況下具有廣闊的應(yīng)用前景(圖4)。

5 結(jié)論

(1)延長(zhǎng)頁(yè)巖氣藏地層壓力低(壓力系數(shù)0.7～0.9)、儲(chǔ)層易傷害，采用CO2干法壓裂新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)壓后快速返排，避免水基壓裂液對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害，為頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層改造開(kāi)辟了新的思路。

(2)自懸浮超低密度支撐劑的視密度為0.95～1.05 g/cm3，在純液態(tài)CO2中就可以實(shí)現(xiàn)自懸浮，各項(xiàng)性能指標(biāo)可以滿(mǎn)足CO2干法壓裂的需求，在CO2干法壓裂時(shí)不使用液態(tài)CO2增黏劑等添加劑就可以實(shí)現(xiàn)攜砂，進(jìn)一步降低了儲(chǔ)層的傷害。

(3)“液態(tài)CO2+自懸浮超低密度支撐劑”壓裂工藝新技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，在液態(tài)CO2不增黏的情況下最高砂比達(dá)到了10%，提高了CO2干法加砂壓裂的技術(shù)水平。

(4)雖然本文的純液態(tài)CO2加砂壓裂新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了成功，但由于密閉混砂裝備體積小，無(wú)法開(kāi)展大砂量純液態(tài)CO2加砂試驗(yàn)，導(dǎo)致儲(chǔ)層改造程度受限，后期還需要開(kāi)展大砂量純液態(tài)CO2加砂試驗(yàn)。