超臨界二氧化碳在非常規油氣藏開發中的應用

張 馳，陳 航

（長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

近年來，我國所發現的油氣資源每年都在不斷的增長，但是其中有70 %～80 %都是非常規油氣藏。在開發非常規油氣藏的過程中，主要有以下三個難點：（1）低滲的油氣藏堅硬、難鉆，滲透率很低。（2）低滲氣藏或者非常規天然氣藏，空置率一般在50 %左右，滲透率極低。低滲率導致在鉆井的過程中儲層損害嚴重，而且其恢復過程也不像常規中、高滲透氣藏，對開采流程提出了嚴格要求。（3）低滲氣藏的豐度低，單井產量低，采收率低，開采周期長。國內外很多油田采用超臨界二氧化碳技術很好的解決了這些難點，為今后非常規油氣藏的開采找到了一種切實可行的方法。

1 超臨界二氧化碳的性質

在標準狀況下，二氧化碳為無色無味的氣體，其水溶性呈弱酸性。二氧化碳氣體不能燃燒但易被液化[1]。二氧化碳的臨界點為31.1 ℃、7.38 MPa。當溫度和壓力大于臨界點溫度和壓力時，二氧化碳達到超臨界狀態。

超臨界二氧化碳具有許多不同于氣體也不同于液體的獨特性質：隨著溫度和壓力逐漸升高，二氧化碳從氣態變為液態，同時密度也逐漸增加；當溫度和壓力高于臨界點后，呈現為超臨界狀態（見圖1）。其最大密度可達1 200 kg/m3。隨著相態的變化，二氧化碳氣體的粘度變化范圍也較大，總體介于液態和氣態之間。在超臨界條件下，其擴散系數為液體的100 倍，因而具有很強的溶解能力。除此之外，超臨界二氧化碳還具有良好的傳熱、傳遞性能，表面張力為0，可以進入到任何大于超臨界二氧化碳分子的空間[2]。

圖1 二氧化碳相態圖

2 超臨界二氧化碳技術研究現狀及應用

2.1 超臨界二氧化碳鉆井技術

超臨界二氧化碳鉆井技術適用用于一些特殊的油氣藏，如非常規油氣藏、壓力衰竭型油氣藏等，并且多配合連續管技術使用在鉆井施工中；現超臨界二氧化碳鉆井流體已在國外油田二次開發的側鉆井中成功應用。

超臨界二氧化碳鉆井液的優勢主要有以下幾個方面：（1）超臨界二氧化碳與液體類似的較高密度特性既能為連續管井底動力鉆具提供推動力。又有利于射流破巖；（2）國外研究發現超臨界二氧化碳射流相比于水射流而言，其破巖深度深、破碎范圍更大而且破巖的門限壓力較低，能夠獲得更好的破巖效果[3]；（3）超臨界二氧化碳能有效的清潔鉆頭，同時經過鉆頭水眼后所產生的焦耳－湯姆遜溫度效應使鉆頭得到充分的冷卻，二者協同作用大大延長了鉆頭的使用壽命[4]；（4）超臨界二氧化碳所具有低粘度，易實現井底紊流狀態，具有優良的井眼清潔能力；（5）當超臨界二氧化碳經過鉆頭噴嘴，進入環空并上升后，由于壓力和溫度的變化，超臨界二氧化碳可相變為氣相，從而維持較低的井底壓力和較低的循環壓耗，易實現控制壓力鉆井；（6）無固相可以很好的保護儲層，實現對儲層的低傷害[5]。除此以外，二氧化碳還具有環保、來源廣、成本低等優勢。

我國已對超臨界二氧化碳鉆井技術展開了初步的研究。李良川等人通過數模及物模實驗研究了二氧化碳鉆井流體的攜巖特性，研究表明：當溫度和井斜不變時，隨著壓力增加，二氧化碳攜巖能力增加。當壓力和井斜不變時，隨著溫度增加，二氧化碳攜巖能力降低[6]。邱正松等人建立了考慮井筒流體與地層換熱對井筒流體溫度影響的井筒傳熱模型，根據能量守恒原理，推導出了井筒流體溫度計算模型，并考慮到鉆井過程中可能鉆遇水層的情況，對該計算模型進行了修正；利用有限元方法，推導出了井筒內二氧化碳鉆井流體的壓力計算公式[7]。類似的基礎研究為我國超臨界二氧化碳鉆井技術的深入研究提供了理論支撐。

2.2 超臨界二氧化碳壓裂技術

在超臨界二氧化碳鉆井技術中，了解到超臨界二氧化碳作為入井液所具有的獨特的優勢。但是在運用到壓裂技術中，超臨界二氧化碳還面臨著粘度太低的問題，粘度太低意味著超臨界二氧化碳壓裂液體系攜巖能力不強、造縫能力不足，給現場施工帶來困難。

國外采用超臨界二氧化碳泡沫的方法進行壓裂施工，通過在超臨界二氧化碳中加入發泡劑，形成氮氣泡沫，既增加了壓裂液體系的粘度同時保持了二氧化碳的非破壞性[8]。超臨界二氧化碳/氮氣泡沫壓裂體系主要具備以下幾個優勢：（1）粘度高：氮氣泡沫的產生有效的提高了壓裂液體系的粘度，有利于產生裂縫；（2）低傷害：支撐劑泵入地層中不加其他攜砂液、增黏劑或其他化學物質，可以消除毛管力引起的流體滯留和黏土膨脹現象，不會引起地層傷害；（3）易返排：與常規壓裂相比，其返排時間短且返排時占用的設備費用相對較低[9]；（4）殘渣少：壓裂施工過后，儲層中的超臨界二氧化碳由于熱量交換氣化成氣態快速返排到地面，大大減少了壓裂液殘渣的存在。

我國超臨界二氧化碳壓裂的研究還處于起步階段，相關的研究報道較少。近年來，隨著國內對頁巖氣開采的不斷重視，超臨界二氧化碳流動性強，可以進入很小的孔隙置換和驅替油藏中吸附氣的特點，使超臨界二氧化碳壓裂展現出很好的發展前景，成為國內壓裂研究的熱點。

2.3 超臨界二氧化碳混相驅油

二氧化碳混相驅技術由于其具有降低原油粘度、實現混相驅、萃取原油中的輕質烴等作用，在國內外的油氣開采中得到了廣泛的運用[10]。在生產過程中，可以利用二氧化碳易于達到超臨界狀態的特點實現超臨界二氧化碳混相驅油。超臨界二氧化碳驅油不僅具有二氧化碳驅油的優勢，還具備超臨界流體的特點。超臨界時溶質溶解度增加有利于提高總的傳質速率，而油層的結構有利于增加內擴散與外擴散，使二氧化碳與原油增加接觸機會而易于混相。

國內近年來也對此展開了初步的研究，李孟濤等人針對大慶榆林樹油田原油組分性質展開了超臨界二氧化碳混相驅油機理研究[11]，研究發現：（1）超臨界狀態的二氧化碳可以降低所波及油水的界面張力；（2）原油中C20以下成份越高，越易達到最小混相壓力；（3）水氣交替注入時，水對混相有不利的影響。調整注入氣體的段塞易于形成混相，從而可以提高原油采收率。

2.4 超臨界二氧化碳開采煤層氣

我國的煤層普遍屬于低滲透性煤層，瓦斯采收率非常低。超臨界流體萃取技術是一種新興的工業技術，通過向煤層中注入超臨界二氧化碳，超臨界二氧化碳溶解能力強的特點能夠溶解煤基質中部分有機質，如酯、醚、內酯類、環氧化合物等，從而有效擴增了煤體孔隙、裂隙，提高煤體滲透性，使得甲烷能夠更加順暢的流出，有利于煤層瓦斯解吸，提高煤層氣產量[12]。

國內針對超臨界二氧化碳開采煤層氣的機理展開了進一步的研究，馬志宏等人通過物模實驗進一步研究了超臨界二氧化碳驅替煤層氣過程中壓力及溫度對驅替過程的影響[13]；崔永君等人研究了不同煤級對二氧化碳的吸附量[14]。在各項理論研究的基礎上，超臨界二氧化碳技術開采煤層氣現已在我國得到了廣泛的運用，提高了瓦斯的采收率，提高了油田的經濟效益。

3 超臨界二氧化碳技術的展望

我國針對超臨界二氧化碳相關技術已經進行了大量的理論研究，但是還未能大規模投入到現場的施工中去。主要面臨著以下問題：

（1）超臨界二氧化碳由超臨界狀態轉換為氣態的過程極短，體積急劇膨脹，容易產生事故，在鉆井作業時需要采用專門的井控裝備。

（2）由于二氧化碳水溶液呈酸性，會對設備造成嚴重的腐蝕。

（3）超臨界二氧化碳施工需要嚴格控制溫度、壓力，對設施要求較高，增加了現場施工作業的成本。

（4）二氧化碳是溫室氣體，現場施工需要專門的設備進行回收或處理，增加了成本。

超臨界二氧化碳在開采頁巖氣、煤層氣和在節能環保中所展現的巨大優勢吸引了大量學者對此展開研究。如何借鑒國外成功經驗，并且在現場的施工中解決上述問題將成為未來超臨界二氧化碳開發非常規油氣藏的研究重點。

4 結語

（1）國外不少油田采用超臨界二氧化碳相關技術現場施工取得成功，為我國非常規油氣藏的開發提供了一種新的思路。

（2）我國對超臨界二氧化碳在鉆井、壓裂、混相驅油以及驅替煤層氣等方面的應用展開了理論研究，并將不少技術投入到現場試驗中去，取得了很好的效果。為今后對超臨界二氧化碳進一步的研究以及現場運用提供了理論支撐。

（3）超臨界二氧化碳在開發非常規油氣藏方面展現出了特有的優勢，但是現階段運用于現場施工還是會面臨著許多問題。如何解決這些問題，使超臨界二氧化碳得到更為廣泛的運用，將成為我國石油工作者今后研究的重點。

［1］ 朱自強.超臨界流體技術原理和應用［M］.北京：化學工業出版社，2000.

［2］ 秦大偉. 超臨界CO2鉆井技術研究［J］. 西部探礦工程，2012，24（12）：69-71.

［3］ J.J. Kolle. Coiled-tubing drilling with supercritical carbon dioxide［R］.SPE 65534，2000.

［4］ GeorgeH.Medley，孫莉，胡淑娟.欠平衡作業（UBO）促進水平井技術的發展［J］.國外油田工程，2000，（1）：23-26.

［5］ 張琳，胥豪，牛洪波，等.超臨界二氧化碳鉆井技術［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2014，41（4）：10-13.

［6］ 李良川，王在明，邱正松，等.超臨界二氧化碳鉆井流體攜巖特性實驗［J］.石油學報，2011，32（2）：355-359.

［7］ 邱正松，謝彬強，王在明，等.超臨界二氧化碳鉆井流體關鍵技術研究［J］.石油鉆探技術，2012，40（2）：1-7.

［8］ D.V.S. Gupta. Field Application of Unconventional Foam Technology：Extension of Liquid CO2Technology［R］. SPE 84119，2003.

［9］ 張健，徐冰，崔明明.純液態二氧化碳壓裂技術研究綜述［J］.綠色科技，2014，（4）：200-206.

［10］ 李士倫，周守信，杜建芬，等.國內外注氣提高石油采收率技術回顧與展望［J］.油氣地質與采收率，2002，9（2）：1-5.

［11］ 李孟濤，單文文，劉先貴，等.超臨界二氧化碳混相驅油機理實驗研究［J］.石油學報，2006，27（3）：80-83.

［12］ 李得飛.超臨界二氧化碳驅替煤層瓦斯研究［D］.太原理工大學，2012.

［13］ 馬志宏，郭勇義，吳世躍.注入二氧化碳及氮氣驅替煤層氣機理的實驗研究［J］.太原理工大學學報，2001，32（4）：335-337.

［14］ 崔永君，張群，張泓，等.不同煤級對CH4，N2和CO2單組分氣體的吸附［J］.天然氣工業，2005，26（1）：61-65.