純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)研究綜述

張健　徐冰　崔明明

摘要：指出了無水壓裂工藝技術(shù)基本不使用水，緩解了對水資源的需求壓力，目前國內(nèi)還沒有廣泛應(yīng)用。介紹了純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)的主要發(fā)展歷史、優(yōu)缺點、增產(chǎn)原理、室內(nèi)實驗、施工設(shè)計及流程、地面工藝及安全性。結(jié)合國外純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)的應(yīng)用實例和效果評價，分析了其適用性和應(yīng)用難點。研究認(rèn)為，純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)無水相無殘渣易返排，不僅可以提高壓裂增產(chǎn)效果，還可以利用二氧化碳減少環(huán)境污染、降低水資源的使用量，對于油氣藏的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無水壓裂；技術(shù)；二氧化碳

中圖分類號：TE357.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2014）04-0200-05

1、引言

降低壓裂液對地層的傷害是壓裂工藝設(shè)計的基本要求。常規(guī)壓裂液包含水或各種化學(xué)試劑，當(dāng)壓裂液破膠不徹底，在儲層表面形成濾餅堵塞孔喉或孔隙，在裂縫中殘留導(dǎo)致裂縫滲透率傷害，從而降低了壓裂增產(chǎn)效果。為了減小常規(guī)壓裂液對地層特別是低滲透、低壓、水敏性油氣藏的傷害，純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)隨之而興起。國外已經(jīng)在很多油氣藏中成功地應(yīng)用了該項技術(shù)，證實了其無水相無殘渣易返排的特性，同時可有效地提高油氣藏的增產(chǎn)效果。

2、液態(tài)二氧化碳主要發(fā)展歷史回顧

19世紀(jì)60年代初期，液態(tài)二氧化碳開始在石油與天然氣工業(yè)上使用。1963年，Crawford開始進(jìn)行二氧化碳的性質(zhì)研究。1981年，學(xué)者首次提出純液態(tài)二氧化碳作為100%唯一的壓裂液進(jìn)行壓裂施工，即“純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)”。1981年7月16日，該項技術(shù)首次應(yīng)用于加拿大Glauconite砂巖油藏。1982年，美國、加拿大和德國就該項技術(shù)申請了專利。1985年，學(xué)者開始研究純液態(tài)二氧化碳壓裂數(shù)值模擬。此前，加拿大Fracmater公司進(jìn)行了近1年的室內(nèi)實驗研究，主要研究二氧化碳的粘性等物性特征。1986年，Garbis對二氧化碳物性特征進(jìn)行了詳細(xì)描述。1987年5月1日之前，加拿大純液態(tài)二氧化碳壓裂共實施450次，應(yīng)用于超過30種類型的地層，其中95%為氣井，其余為油井。1993年，美國GRI（天然氣研究局）報告天然氣的產(chǎn)能平均下降5.2%，為了維持并提高氣井產(chǎn)能，選擇壓裂作為增產(chǎn)措施；1995年，美國國家能源局通過一份DOE（能源文件），開始在Galbraith儲層進(jìn)行3口井的增產(chǎn)試驗，利用純液態(tài)二氧化碳干法壓裂且取得成功。1998年以前，國外共有超過1200次壓裂作業(yè)利用了純液體二氧化碳。

到目前為止，國外在室內(nèi)實驗、理論研究和現(xiàn)場試驗對純液態(tài)二氧化碳干法壓裂的增產(chǎn)機(jī)理、適應(yīng)性和工藝技術(shù)已進(jìn)行了很多總結(jié)性研究，并應(yīng)用于油氣藏的改造中取得了顯著的增產(chǎn)效果。2013年9月1日，國內(nèi)第1口純液態(tài)二氧化碳壓裂試驗井位于長慶蘇里格氣田，加入陶粒2.8m³。日前，延長油田在我國鄂爾多斯盆地延長組長七層組進(jìn)行了1口頁巖氣井的純液態(tài)二氧化碳壓裂試驗，取得成功。

3、純液態(tài)二氧化碳壓裂概述

3.1 純液態(tài)二氧化碳壓裂特點

所謂純液態(tài)二氧化碳壓裂，就是采用100%液態(tài)二氧化碳作為攜砂液。由于使用液體的特殊性，其具有以下幾種優(yōu)點。

（1）無水相：壓裂液為100%的純液態(tài)二氧化碳，因此避免了常規(guī)壓裂液的水相對地層的傷害；

（2）無殘渣：壓裂施工結(jié)束后，由于熱量交換和壓力擴(kuò)散，儲層中液態(tài)二氧化碳?xì)饣蓺鈶B(tài)快速返排到地面，因而無任何壓裂液殘留；

（3）經(jīng)濟(jì)性：與常規(guī)壓裂液相比，其返排時間短且返排時占用的設(shè)備費用相對較低，不需要壓后抽汲及處理返排液。

雖然有以上的優(yōu)點，但是其也存在一個嚴(yán)重的缺點，就是液態(tài)二氧化碳在施工時粘度過低。室內(nèi)實驗研究表明，在施工過程中的溫壓條件下，二氧化碳的粘度范圍在0.02～0.06MPa·s，導(dǎo)致地面混砂機(jī)內(nèi)的攜砂液的砂濃度很低，進(jìn)而降低了裂縫的導(dǎo)流能力，從而影響增產(chǎn)效果，因此提高液態(tài)CO₂壓裂液粘度是壓裂設(shè)計的難點之一。

增加液態(tài)CO₂壓裂液的粘度的普遍做法是加入增稠劑，一些是需要加入共溶劑的增稠劑，另一些是不需要加入共溶劑的增稠劑。國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果表明，目前液態(tài)COO₂壓裂液的增稠劑的增稠效果還達(dá)不到使用量少、綠色環(huán)保且增稠幅度大的效果。

3.2 純液態(tài)二氧化碳壓裂增產(chǎn)機(jī)理

除形成具有導(dǎo)流能力的一定長度裂縫增產(chǎn)外，當(dāng)二氧化碳進(jìn)入儲層中，與儲層及儲層中流體接觸后發(fā)生的理化反應(yīng)從不同方面有利于增加產(chǎn)能。當(dāng)液態(tài)二氧化碳與原油接觸，其升溫后快速氣化并溶解于原油中，導(dǎo)致降低原油粘度的同時增加了溶解氣驅(qū)的能量。當(dāng)液態(tài)二氧化碳與地層水接觸，飽和CO₂的水pH值升至4.5以上時，與可能存在的粘土礦物反應(yīng)，維持或者提高地層的滲透性；儲層中CO₂過飽和時，流體與毛細(xì)管或巖壁的接觸角、毛細(xì)管的直徑以及地層孔隙的化學(xué)吸附，改變毛細(xì)管參數(shù)，有利于措施后的返排。當(dāng)液態(tài)二氧化碳與頁巖接觸，由于CO₂分子相比于CH₄分子有更強(qiáng)的吸附能力，可將CH₄置換出來，使CH4從吸附態(tài)變成游離態(tài)，從而提高產(chǎn)量、采收率和生產(chǎn)速率。

3.3 純液態(tài)二氧化碳壓裂增產(chǎn)的適應(yīng)性

CO₂壓裂技術(shù)其攜砂性能差，液體粘度低，因此施工規(guī)模受到限制。從文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果看，如下一些儲層比較適合CO₂壓裂。

3.3.1 近井地帶受到污染的儲層

壓裂技術(shù)最初用來解決近井地帶的污染，主要因為其加砂量很小，裂縫縫長很短。同時，液體粘度小，裂縫高度不能得到有效控制。因此，易形成短而窄的裂縫形態(tài)，導(dǎo)致有效作用距離很小，很適合近井地帶受到污染導(dǎo)致的滲透率降低的情況。endprint

3.3.2 低閉合應(yīng)力儲層

由于液體懸砂性能低，排量不大（最大可到8m₃/min），導(dǎo)致大粒徑的砂子過早沉積，造成“端部脫砂”現(xiàn)象，裂縫過度延伸（如遇到儲隔層地應(yīng)力差很大進(jìn)而可能導(dǎo)致砂堵），這方面也是其施工規(guī)模上不去的原因，因此趨向于使用小粒徑，可增加攜砂量，但必須降低對閉合應(yīng)力值的符合程度，因此較適合此類儲層。

3.3.3 儲層壓力較低儲層

壓裂后的液態(tài)CO₂受到儲層熱量的交換，導(dǎo)致CO₂從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵瑥亩芏冉档停勺匀环蹬诺降貙颖砻妫?dāng)與儲層液體混合時，可輔助氣舉。

3.3.4 低滲透或（和）水敏性儲層

常規(guī)壓裂液對低滲透性儲層存在潛在而嚴(yán)重的傷害，從降低儲層傷害的角度純液態(tài)二氧化碳壓裂液比較適應(yīng)。如果儲層存在水敏性，易造成較大的儲層傷害。純液態(tài)二氧化碳壓裂雖然其液體粘度低，易濾失到儲層中，但是其對儲層無傷害。

此外，該項壓裂技術(shù)無儲層傷害且不需要考慮流體配伍性的要求，因此在不明確儲層性質(zhì)的勘探井也能對油氣藏進(jìn)行純液態(tài)二氧化碳壓裂。

4、純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)研究

4.1 室內(nèi)實驗技術(shù)

4.1.1 溫壓特性

壓力和溫度直接影響CO₂的相態(tài)和物性特征，從而間接影響作業(yè)過程中的其他參數(shù)的計算（摩阻、壓裂液攜砂量和排量等）。不同溫度和壓力的組合形成了C02的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)及超臨界態(tài)，臨界點之上被認(rèn)為是超臨界狀態(tài)，如圖。

上面的CO₂相態(tài)圖中的線1-2-3-4-5-6，描述了二氧化碳在壓裂施工運移過程中的相態(tài)變化。點1：CO₂儲存條件1.0MPa和-35℃，即CO₂儲罐中的狀態(tài)。點2：支撐劑注入過程加壓至35～40MPa。壓裂施工前的準(zhǔn)備階段，即混砂階段。溫度變化不大，壓力急劇升高，為了使支撐劑能夠充分地和壓裂液混合（值得注意的是，混砂時刻的相態(tài)不是超臨界態(tài)，只有液體進(jìn)入到地層中的時刻其才表現(xiàn)為超臨界態(tài)，因此應(yīng)根據(jù)超臨界狀態(tài)CO₂的物性及濾失情況確定地層條件下的砂濃度）。點3：從地面到井底的變化過程。隨著地層深度的增加，地層溫度也增加，由于存在著熱量交換，因此壓裂液的溫度開始上升。壓裂液進(jìn)入井筒，相當(dāng)于壓裂施工進(jìn)行中的泵注階段。點4：隨著流體進(jìn)入地層，熱量交換，液體溫度逐漸接近井底地層溫度。此時，CO₂流體處于超臨界態(tài)。點5：裂縫閉合，溫度增加，壓力下降至地層壓力。點6：返排階段，壓力降低CO₂返排到地層表面。此過程，CO₂從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。

4.1.2 濾失特性

與常規(guī)壓裂液相比，液態(tài)二氧化碳的低粘特性使得壓裂過程不能產(chǎn)生具有一定阻擋作用的濾失帶，導(dǎo)致裂縫寬度很小。但是受到儲層性質(zhì)因素的影響，包括地溫導(dǎo)致的液體膨脹、相對滲透率的變化及湍流效應(yīng)導(dǎo)致氣體不能進(jìn)入到油藏小孔道內(nèi)，濾失系數(shù)存在上限值。通常低溫高壓儲層其濾失系數(shù)很大。

4.1.3 凈液柱壓力

由于液態(tài)二氧化碳具有可壓縮性，其密度就受到壓力和溫度的影響。當(dāng)使用純液態(tài)二氧化碳時，其密度值在壓裂過程可認(rèn)為保持常數(shù)。

4.1.4 摩擦特性

液體密度已知的情況下計算摩擦損耗很方便，依靠下面的公式，即單相氣體能量損失的計算方程式Fanning方程：

dp=2pfu²/DdL （1）

式中：dp為摩擦壓力降（MPa）；p為氣態(tài)或者液態(tài)CO₂混合物的密度（kg/m³）；“為氣態(tài)或者液態(tài)C02混合物的流速（m/min）；f為摩擦系數(shù)；D為壓裂油管直徑（m）；dL為壓力降（m）。

摩擦系數(shù)的計算方法：

f=（4.0lg（d/δ）+2.28）^-1/2） （2）

式中：d為管子直徑（mm）；艿為粗糙度（通常為O.015）。

此外，液態(tài)二氧化碳的體積系數(shù)也需要考慮，研究認(rèn)為，井深2000～4000m范圍內(nèi)液態(tài)二氧化碳的體積系數(shù)變化范圍很大，而大于4000m的情況變化不大。

4.2 壓裂設(shè)計及現(xiàn)場施工技術(shù)

美國在1995年試驗的3口井出現(xiàn)了以下幾個問題，第1口井加砂砂濃度從23.97kg/m。緩慢增加到479.32kg/m³，處理過程中發(fā)生了砂濃度控制很難的情況，最后的一段砂子的最高砂濃度為359.49kg/m³，之后泵壓迅速增加作業(yè)被迫停止；第2口井砂濃度從59.92kg/m³到119.83kg/m³逐漸增加，當(dāng)砂濃度還沒有運移到射孔部位時泵壓就開始迅速增加，施工被迫停止，原因在于泵速沒有達(dá)到設(shè)計要求；第3口井基于前面兩口井的經(jīng)驗，前置液體積增加且泵速提高到9.54m³/min，使用小粒徑（40/70目）支撐劑，以實現(xiàn)更多的砂子在裂縫中支撐，施工時，當(dāng)泵速到達(dá)3.18m³/min時，接近27.58MPa的高泵壓出現(xiàn)，施工被迫停止。

基于現(xiàn)場經(jīng)驗及液態(tài)二氧化碳的低粘特性和混砂裝置的特殊性，在進(jìn)行壓裂設(shè)計時主要的考慮因素有地面最大砂濃度、液態(tài)CO₂濾失性質(zhì)、純液態(tài)CO₂壓裂液的粘度和混砂機(jī)的最大可能泵速及支撐劑的體積。這些參數(shù)的組合結(jié)果直接關(guān)系到現(xiàn)場施工的難易程度以及加砂量的多少。因此，需要對這些參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，嚴(yán)格的壓裂設(shè)計和優(yōu)化應(yīng)對裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行數(shù)值模擬研究，尤其針對液態(tài)二氧化碳這種低粘壓裂液。經(jīng)驗的壓裂設(shè)計結(jié)果如下：前置液體積和攜砂液體積一致，支撐劑粒徑小于同等儲層條件下的常規(guī)支撐劑的粒徑，典型的排量控制在5～8m³/min，依據(jù)泵速和深度的不同可供選擇的砂濃度范圍為500～800kg/m³，裂縫閉合時間為0.5～1.5min。endprint

為了提高施工作業(yè)的質(zhì)量性和安全性，地面操作工藝主要有以下幾部分。

4.2.1 材料運輸

利用罐車儲存液態(tài)CO₂，稱作CO₂儲罐。CO₂儲罐內(nèi)的溫度和壓力剛好保持在平衡蒸汽壓力以上，每個CO₂儲罐可儲存50m³的液體，根據(jù)作業(yè)量的多少配置COa儲罐的數(shù)量。利用氮氣加壓泵將液態(tài)CO₂推送到CO₂混砂機(jī)中，氮氣加壓裝置的壓力范圍為1.8～2.200MPa。早期的氮氣加壓裝置壓力供給不穩(wěn)定，主要因為其利用加熱方式將液態(tài)N₂轉(zhuǎn)變成氣態(tài)以實現(xiàn)加壓的。后期利用管道拖車實現(xiàn)N₂儲罐車內(nèi)的壓力穩(wěn)定，管道拖車攜帶氣態(tài)N₂并以穩(wěn)定的設(shè)定壓力輸送液態(tài)CO₂。

4.2.2 混砂

CO₂混砂車是將支撐劑和液態(tài)CO₂混合的一個大的壓力容器。此混合過程的支撐劑和壓裂液的泵速影響著混合后的液體質(zhì)量。每個混砂機(jī)的額定攜砂量為20t，混砂結(jié)果顯示流出物的砂濃度不能保持定值，存在波動并且高砂濃度很難得到。砂濃度的范圍為700～800kg/m³。液體密度計的使用使質(zhì)量控制更容易。有兩種放射性的密度計，一個安裝在經(jīng)常使用的CO₂混砂罐處，另一個安裝在高壓管線處備用。此外一個關(guān)鍵部件是液體流量計，用于測量進(jìn)出口的固液流量，其可以承受高的湍流和液態(tài)CO₂的流速的影響。

4.2.3 高壓泵車

液態(tài)C02泵送溫度在-25～-15℃，溫度低易產(chǎn)生蒸汽水鎖和機(jī)械失效，因此高壓泵車應(yīng)耐用持久。

4.2.4 安全性

主要考慮溫度壓力的變化對CO₂相態(tài)變化的影響。當(dāng)泵冷卻或者管線內(nèi)不充滿（管線內(nèi)有虧空）時就會發(fā)生從液態(tài)變成氣態(tài)（1m³體積的液體相當(dāng)于542.8m³體積的氣體），此過程會產(chǎn)生非常大的噪音，因此需要預(yù)防熱量散失。當(dāng)相態(tài)從液態(tài)變成固態(tài)時，產(chǎn)生的冰塞會堵塞氣體的運移，甚至?xí)?dǎo)致爆炸。此外，氣態(tài)CO₂的密度比空氣大，它會聚集在較低的位置，當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時，現(xiàn)場施工人員應(yīng)及時向高處逃離。

4.3 測試評價技術(shù)

4.3.1 壓前測試

為了區(qū)分壓裂前后的效果及重復(fù)射孔的效果，需要進(jìn)行多種測試方法，測試結(jié)果包括滲透率、表皮系數(shù)和產(chǎn)能（氣井無阻流量）的增加倍數(shù)，用于評價射孔效果和壓裂效果。某井共計進(jìn)行了5次測試：方案實施之前（一點法產(chǎn)能測試）、射孔酸化作業(yè)后壓裂之前（多點產(chǎn)能測試、壓力恢復(fù)測試和瞬變壓力分析）、壓裂之后（多點產(chǎn)能測試和瞬變壓力分析）、第1年度測試（跟蹤測試）和第3年測試（跟蹤測試）。這些測試方式有序進(jìn)行，實現(xiàn)了作業(yè)效果的定量表征。

4.3.2 井底壓力溫度的預(yù)測和實施監(jiān)測

由于液態(tài)CO₂的物性受到溫度和壓力的影響比較大，儲層和流體接觸的過程中，熱量的交換導(dǎo)致流體溫度的變化直接影響其性質(zhì)的變化。筆者將文獻(xiàn)中的某口實例井井A的施工過程和停泵后的每隔一段時間溫度和壓力的測試結(jié)果繪制在圖1上（點7為壓裂起始點、點8為停泵時刻、點9為壓裂測試結(jié)束點），從圖上可以看出壓裂初期、后期及停泵后，液態(tài)CO₂不再處于超臨界狀態(tài)，當(dāng)氣體返排到井口時可能變成純氣態(tài)。

5、現(xiàn)場施工及應(yīng)用效果

5.1 國外現(xiàn)場施工情況

據(jù)文獻(xiàn)記載，截至1982年，美國Fracmaster作業(yè)公司在不同地區(qū)共計使用純液態(tài)C02進(jìn)行壓裂40井次，其中60%為氣井、25%為油井和15%無經(jīng)濟(jì)效益。液態(tài)CO₂用量87～337m³。泵速范為1.27～6.36m³/min。壓力變化范圍為4.8MPa（深701m）到86.2MPa（深5011m）。最大砂濃度取決于泵速和深度，泵速越大深度越小可提高砂濃度的使用值。

而截至1987年5月1日，加拿大共進(jìn)行450次壓裂事件口]，其中95%的井為氣井，5%的井為油井。3100m井深以上的井壓裂最大支撐劑用量44t，95%的井其深度小于2500m，最高支撐劑用量22t。一般的砂濃度為400～600kg/m³，最大砂濃度為1100kg/m³。排量最高達(dá)到7.5m³/min，作業(yè)時施工壓力最高達(dá)到70MPa。

5.2 國外現(xiàn)場施工效果

以1987年之前的井的效果舉例。對比分為單井措施前后的日產(chǎn)氣量比較和多井不同類型壓裂液的使用效果對比。在BllyRiver地層實施的液態(tài)C02壓裂地層的壓后效果顯示，有記錄的6口井6個月內(nèi)的平均壓前日產(chǎn)氣量為2.7×10³m³，而平均壓后日產(chǎn)氣量為7.8×10³m³，增幅1.89倍。在Ostracod地層實施的液態(tài)C02壓裂地層的壓后效果顯示，使用瓜膠壓裂液的2口井的平均壓后日產(chǎn)氣量為11.79×10³m³，使用了純液態(tài)CO₂作為壓裂液的4口井的平均壓后日產(chǎn)氣量為26.18×10³m³，增幅1.22倍。純液態(tài)CO₂壓裂工藝增產(chǎn)效果顯著，有效提高了措施井的產(chǎn)量。

從現(xiàn)場施工的情況來看，國內(nèi)缺乏液態(tài)C02壓裂的混砂車，且提高液態(tài)CO₂壓裂液粘度的效果不顯著，導(dǎo)致國內(nèi)純液態(tài)CO₂壓裂技術(shù)進(jìn)程比較緩慢。國內(nèi)第1口純液態(tài)二氧化碳壓裂試驗井，共計加入液態(tài)二氧化碳254m³，施工排量2～4m³/min，加入陶粒2.8m³，平均砂比3.48%，最高砂比達(dá)到9%。由于缺乏混砂車，長七層組的一口純液態(tài)二氧化碳壓裂試驗頁巖氣井在沒有加入支撐劑的情況下完成了施工。

6、結(jié)語

（1）純液態(tài)二氧化碳壓裂無水相、無殘渣、經(jīng)濟(jì)有效且地層適用范圍廣泛，但其壓裂液粘度低。

（2）純液態(tài)二氧化碳壓裂通過造縫作用、溶解作用、吸附作用或者置換作用，有效提高油氣藏的產(chǎn)量、采收率和生產(chǎn)速率。

（3）純液態(tài)二氧化碳壓裂施工過程中，CO₂的相態(tài)和物性受溫度和壓力的影響較大，這些特征的研究是實施純液態(tài)二氧化碳壓裂工藝的基礎(chǔ)。

（4）加壓穩(wěn)定的N2罐車、使用流量計和密度計的混砂機(jī)及具有耐低溫性能的高壓泵車等特殊設(shè)備的使用保證了地面施工的順利進(jìn)行。

（5）純液態(tài)二氧化碳壓裂現(xiàn)場施工次數(shù)多，應(yīng)用地層廣泛，增產(chǎn)效果顯著，值得推廣應(yīng)用。

綜上所述，通過本文的研究認(rèn)為純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)已具備一定的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場試驗經(jīng)驗，但國內(nèi)外該項技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況存在較大的差距，建議今后在完善和發(fā)展液態(tài)二氧化碳物性實驗的基礎(chǔ)上，引進(jìn)或者研制混砂機(jī)、高壓泵車等特種設(shè)備，測試評價出或者合成新的符合標(biāo)準(zhǔn)的液態(tài)二氧化碳壓裂液增稠劑，便于在國內(nèi)推廣應(yīng)用。endprint