液態CO2壓裂技術研究現狀與展望

吳金橋，高志亮，孫曉，梁小兵

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

壓裂改造是開發低滲、特低滲致密油氣資源最主要的增產技術[1]。近幾年，美國頁巖氣的成功開發，使得其開發過程中應用的“大排量、大液量”的體積壓裂技術在致密油氣、頁巖油氣勘探開發中得到迅速推廣[2,3]，但壓裂液巨大的耗水量、對地下水及地表環境潛在的污染是使用該技術的一大弱點[4]。因此，尋找一種能替代水作為壓裂液的低傷害壓裂技術成為石油工程技術人員的研究熱點。由于液態CO2壓裂技術采用無水相的液態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、水敏性儲層開發中得到廣泛應用，迄今為止累計實施2000井次以上[5]。為此，筆者對液態CO2壓裂技術研究現狀與應用前景進行了詳盡分析，以便為油氣田的壓裂改造提供參考。

1 液態CO2壓裂技術特點

液態CO2壓裂是指采用純液態CO2作為壓裂液進行增產改造的工藝技術。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CO2作為壓裂無水相進入地層，壓裂施工結束后，當溫度升高、壓力降低時，液態CO2變成氣態，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CO2壓裂技術的優勢

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，當地層中溫度超過31.1℃時，液態CO2氣化變成氣體，無殘留，完全避免了對裂縫導流能力的損害。

2)返排迅速徹底 當溫度升高后，液態CO2在地層中氣化膨脹(1m3液態CO2約變成540m3氣態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內實現迅速徹底的返排，從而縮短投產周期。

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

4)綜合作業成本低，經濟效益好 實施液態CO2壓裂技術時需要的化學添加劑少，壓裂后沒有壓裂廢液，既避免了環境污染，又節約了生產成本。此外，與常規壓裂措施井相比，使用液態CO2壓裂技術的油氣產量高且穩產期長，因而經濟效益好。

1.2 液態CO2壓裂技術劣勢

1)攜砂能力差 由于液態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備。

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

2 液態CO2壓裂技術的研究進展

2.1 純液態CO2加砂壓裂技術階段

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

2.2 液態CO2/N2壓裂技術階段

1994年，Mazza[16]發明了在液態CO2中添加一定比例的N2進行攜砂壓裂的工藝技術，即液態CO2/N2壓裂技術，其施工流程與液態CO2加砂壓裂類似，首先對支撐劑加壓預冷，然后液態CO2與支撐劑混合并經壓裂泵車增壓，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CO2、液態CO2/N2低黏流體的臨界攜砂流速準則和管流摩阻計算公式。Samuel等[18]對液態CO2/N2壓裂進行了模擬計算，研究了N2比例等因素對摩阻、壓裂成本等影響。Meier等[19]首次利用現場和實驗室數據測定了液態CO2、液態CO2/N2的濾失系數，結果顯示液態CO2可以降低含水飽和度并提高氣井產量。截至1997年為止，液態CO2/N2壓裂技術在加拿大淺層氣井成功應用了200井次，井深194～1670m，液態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CO2壓裂相比，增產效果相當，而平均單井成本降低23%[20]。

2.3 液態CO2/N2泡沫壓裂技術階段

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

3 液態CO2壓裂技術類型對比分析

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

4 液態CO2壓裂技術展望

4.1 進一步提高液態CO2攜砂能力

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

4.2 優化液態CO2壓裂工藝參數

液態CO2壓裂工藝參數的優化內容包括液態CO2流動特性(如黏度、摩阻等)、對流換熱特性、濾失特性、攜砂能力等工程應用基礎研究。通過優化液態CO2壓裂工藝參數，可以為液態CO2壓裂施工壓力預測、壓裂管柱和支撐劑(尺寸、密度)優選、施工排量和加砂濃度等工藝參數優化提供設計依據。

4.3 研制液態CO2壓裂專用設備

高壓密閉混砂設備是實施液態CO2壓裂技術的核心部件之一，因而需要加強該設備的水力學、結構、材質及控制系統的優化設計。另外，應開展連續式密閉加砂系統的研制，這對于實現大規模液態CO2壓裂技術的推廣應用尤為重要。

4.4 加強液態CO2壓裂增產機理的探討

液態CO2壓裂增產機理包括液態CO2破巖、裂縫延伸及增滲機理，弄清液態CO2壓裂增產機理，能夠為預測液態CO2壓裂裂縫形態提供可靠的理論依據。

5 結語

目前，隨著“體積壓裂、水平井分段壓裂技術”在致密氣、頁巖氣井上的規模應用，壓裂過程中水資源的浪費和污染引起了人們的重視，亟需開發一種可替代水的低傷害壓裂技術。液態CO2易液化，特別是煤化工企業的CO2減排回收成本較低，可以采用液態CO2替代水基壓裂液進行增產改造，減少水的用量，同時對儲層基本無傷害，無需其他化學劑，無返排液處理，潛在環境污染風險小。因此，液態CO2壓裂技術在低滲致密油氣、頁巖油氣開發中具有廣闊的應用前景。

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