CO2增能壓裂在低滲透儲(chǔ)層的應(yīng)用

張 朔，謝 軍，趙 勖，孫 蒙，陳彥楠，王志民

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283）

在頁巖油氣藏的壓裂儲(chǔ)層改造過程中，由于儲(chǔ)層致密能量傳遞慢導(dǎo)致壓后返排率較低降低裂縫的導(dǎo)流能力，影響了儲(chǔ)層改造效果[1，2]。目前我國(guó)頁巖油氣藏滲透率一般低于10×10-3μm2，孔隙度小于10%，由于CO2具有較好的物理特性和儲(chǔ)層增產(chǎn)效果，往往被用于增能壓裂提高儲(chǔ)層改造效果。CO2具有來源廣泛、擴(kuò)散能力強(qiáng)、儲(chǔ)層保護(hù)效果好、增加返排能量等優(yōu)點(diǎn)，可以作為壓裂液的組成成分或者作為前置段塞增能使用。20世紀(jì)60 年代，美國(guó)首先進(jìn)行了CO2壓裂技術(shù)研究，并在70 年代現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[3]。在80 年代CO2壓裂技術(shù)在北美得到較快的發(fā)展，到了90 年代，北美80%的氣井和30%的油井采用了CO2增產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造，并且增產(chǎn)效果在50%以上。新世紀(jì)，隨著我國(guó)頁巖油藏的開發(fā)，CO2由于其優(yōu)良增產(chǎn)效果得到較快的發(fā)展和應(yīng)用[4，5]。CO2的物理特性和增產(chǎn)作用機(jī)理主要由以下幾個(gè)方面:

（1）氣化膨脹:液態(tài)CO2擠入地層之后，在井下高溫條件下迅速氣化膨脹，在不同的溫度和壓力下體積可膨脹100～500 倍。氣化后的CO2與前置液中的表面活性劑可以形成泡沫，極大的降低壓裂液的濾失。

（2）液態(tài)CO2進(jìn)入近井地帶形成具有較高可壓縮性的氣體，提供返排的能量，有利于降低儲(chǔ)層損害，提高地層儲(chǔ)量。

（3）CO2在擴(kuò)散過程中會(huì)溶解于原油當(dāng)中，發(fā)生傳質(zhì)作用，大大增加原油的流動(dòng)性。

（4）CO2與水溶液結(jié)合后呈弱酸性，從而降低地層水的pH 值抑制儲(chǔ)層黏土礦物的膨脹性，溶解部分儲(chǔ)層中的碳酸巖，從而提高儲(chǔ)層滲透率。

1 CO2-原油體系PVT 相態(tài)分析

為了考察CO2對(duì)油藏原油的物性產(chǎn)生的影響，采用高溫高壓可視地層PVT 流體相態(tài)分析儀（比萊石油儀器公司）進(jìn)行CO2-地層原油相態(tài)分析。試驗(yàn)步驟如下:

（1）將冀東油田NAB280-43 井沙河街組III 段油藏原油樣品放入PVT 分析儀中，在油藏溫度90 ℃，20 MPa 壓力下測(cè)試原油體積，然后降低壓力至飽和壓力后測(cè)量油樣體積。

（2）在飽和壓力下在PVT 分析儀中注入一定量的CO2，然后升壓至CO2全部溶解在原油當(dāng)中，達(dá)到新的飽和壓力。

（3）對(duì)CO2-原油體系的物性參數(shù)（密度、黏度、組分、飽和壓力、體積膨脹系數(shù)等）進(jìn)行測(cè)量后，改變壓力和溫度，在達(dá)到新的飽和點(diǎn)后測(cè)量新的CO2-原油體系的物性參數(shù)（見表1）。

由表1 可以看出，注入CO2后CO2-原油體系的飽和壓力逐步變大且隨著注入量的增加，飽和壓力的增加幅度也在增加，當(dāng)注入30 mol/mol%的CO2時(shí)，CO2-原油體系的飽和壓力從15.6 MPa 增加至26.93 MPa；當(dāng)注入50 mol/mol%的CO2時(shí)，CO2-原油體系的飽和壓力從19.8 MPa 增加至33.85 MPa。當(dāng)CO2注氣比例為20 mol/mol%的時(shí)候，原油的膨脹因子為1.061，CO2-原油體系的膨脹比例為1.068；當(dāng)CO2注氣比例為50 mol/mol%的時(shí)候，原油的膨脹因子為1.318，CO2-原油體系的膨脹比例為1.345，由此可見，CO2-原油體系膨脹因子也隨著注入比例的增大而增大，說明注入氣增容膨脹驅(qū)油效果明顯。當(dāng)CO2注氣比例為30 mol/mol%的時(shí)候，原油的溶解氣油比為315.2，CO2-原油體系的溶解氣油比為725.6；當(dāng)CO2注氣比例為50 mol/mol%的時(shí)候，原油的溶解氣油比為412.8，CO2-原油體系的溶解氣油比為997.6。在高溫條件下，CO2-原油體系溶解氣油比也隨著注入比例的增大而明顯增加，CO2更多地溶解于原油形成單相。綜上所述，CO2-原油體系飽和壓力、氣油比、膨脹因子均高于原油體系，在壓力變低的條件下，氣體對(duì)原油明顯的增能膨脹作用，適合于致密油的返排并提高壓裂效果。

2 CO2 前置增能壓裂

該產(chǎn)層CO2增能壓裂工藝以液態(tài)CO2和滑溜水壓裂液組成的壓裂液體系，優(yōu)化CO2用量來達(dá)到降低儲(chǔ)層損害，增加返排能量，提高儲(chǔ)層改造效果的目的，壓裂過程（見圖1）。CO2增能壓裂設(shè)備除了常規(guī)壓裂設(shè)備外還需要增加液態(tài)CO2儲(chǔ)存、緩沖、泵注等設(shè)備，主要分為以下幾個(gè)步驟:

（1）井場(chǎng)準(zhǔn)備。將CO2儲(chǔ)存罐、緩沖罐、壓裂車、壓裂液等設(shè)備如圖1 所示在井場(chǎng)準(zhǔn)備完畢。

（2）連接設(shè)備。連接管匯，對(duì)高壓管匯及井口試壓35 MPa。

表1 CO2 對(duì)原油物性的影響

圖1 液態(tài)CO2 增能壓裂示意圖

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井壓裂效果對(duì)比

（3）泵注。按照壓裂施工設(shè)計(jì)，依次泵注前置液，液態(tài)CO2，壓裂液。

（4）測(cè)壓降。壓裂結(jié)束后，測(cè)量48 h 之內(nèi)井筒壓力變化情況。

為了充分發(fā)揮CO2與井底原油的傳質(zhì)作用，并結(jié)合井底溫度及儲(chǔ)存巖石物性，管井三天后放噴。CO2壓裂設(shè)計(jì)采用三維壓裂設(shè)計(jì)軟件FracproPT 進(jìn)行參數(shù)模擬計(jì)算，主要考慮因素壓裂液流變性、濾失量、流速場(chǎng)、井筒溫度和裂縫溫度分布，支撐劑加量等因素，確定液態(tài)CO2排量0.5～1 m3/min，加量200～300 m3，壓裂液排量在3.0～4.0 m3/min，加砂量40～50 m3，砂比20%～30%，設(shè)計(jì)縫高35～40 m，縫長(zhǎng)90～120 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該技術(shù)在冀東、大港、長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果（見表2）。從表2 可以看出CO2具有較好的增產(chǎn)效果。使用CO2增能以后，六口試驗(yàn)井返排率均達(dá)到88%以上，原油增產(chǎn)最高達(dá)到68 t，投入產(chǎn)出比在1:2.5以上，具有較好的壓裂效果，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）CO2可以有效降低原油黏度、抑制黏土膨脹、增加地層流體流動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，能夠增加致密油藏的壓裂儲(chǔ)層改造效果。

（2）對(duì)CO2-原油體系PVT 相態(tài)進(jìn)行分析可以看出，注入后CO2-原油體系的飽和壓力、氣油比、膨脹因子均高于原油體系，氣體對(duì)原油明顯的增能膨脹作用，適合于致密油的返排并提高壓裂效果。

（3）使用CO2增能以后，六口試驗(yàn)井返排率均達(dá)到88%以上，原油增產(chǎn)最高達(dá)到68 t，投入產(chǎn)出比在1:2.5以上，具有較好的壓裂效果，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。