二氧化碳干法壓裂增產(chǎn)技術(shù)及展望

＊楊雪張凡楊歡

（1.長江大學工程技術(shù)學院石油與化工學院 湖北 434023 2.中石化江漢油田工程技術(shù)研究院 湖北 430034 3.中石化華北分公司工程技術(shù)研究院 河南 450006）

二氧化碳干法壓裂增產(chǎn)技術(shù)及展望

＊楊雪1張凡2楊歡3

（1.長江大學工程技術(shù)學院石油與化工學院 湖北 434023 2.中石化江漢油田工程技術(shù)研究院 湖北 430034 3.中石化華北分公司工程技術(shù)研究院 河南 450006）

以CO2壓裂技術(shù)為代表的無水壓裂技術(shù)在國內(nèi)外非常規(guī)油氣資源的開發(fā)中應用越來越多。CO2壓裂技術(shù)包括CO2泡沫壓裂和CO2干法壓裂，對非常規(guī)儲層（特別是低壓、低滲透、強水鎖、水敏傷害嚴重）的改造增產(chǎn)意義重大。本文總結(jié)了CO2干法壓裂技術(shù)的原理、施工工藝、壓裂液體系、設備要求等，并分析了該技術(shù)目前存在的問題和發(fā)展趨勢，同時對超臨界CO2壓裂技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景進行了論述。

非常規(guī)油氣;水敏性地層;CO2壓裂; CO2干法壓裂;油田增產(chǎn)

近年來，隨著北美致密油的大規(guī)模成功開采，以致密油氣為代表的非常規(guī)石油資源已經(jīng)成為各國石油工業(yè)爭相介入的熱點領(lǐng)域。目前，北美是致密油資源開發(fā)最多和最成功的地區(qū)。2013年美國頁巖氣產(chǎn)量為3100億立方米、致密油產(chǎn)量為1.4億噸。近年來，我國的能源需求逐年增大，原油對外依存度達到了60%的歷史新高，而國內(nèi)老油田的自然遞減給油氣上產(chǎn)帶來巨大壓力，能源安全形勢緊迫。據(jù)統(tǒng)計，目前我國每年新增儲量的70%為低滲透等非常規(guī)能源，隨著我國能源需求的急劇增加，非常規(guī)油氣資源越來越受到重視。由于非常規(guī)油氣資源的開發(fā)都是通過大規(guī)模水力壓裂的方式，對水資源的用量大、污染大，環(huán)保壓力大，以CO2干法壓裂為代表的無水壓裂工藝技術(shù)逐漸成為非常規(guī)油氣開發(fā)的新方向。

1.國內(nèi)外研究進展

20世紀60年代初期，石油與天然氣工業(yè)就開始以CO2為壓裂液方面的研究。80年代初期，Tenneco石油公司通過對 Anadarko 盆地 Red Fork 層進行增產(chǎn)改造成功實現(xiàn)了首例CO2泡沫壓裂。

在美國猶他盆地的瓦塞茲（Wasatch）地層的壓裂改造中，P.C.Harris等人采用了CO2泡沫壓裂液（75%CO2）對比了采用0.5%的羥丙基瓜爾膠（HPG）壓裂液進行的施工，從壓后30個月的生產(chǎn)情況來看，泡沫壓裂液改造的井的比常規(guī)水基交聯(lián)壓裂液的油井產(chǎn)量高23%。

純液態(tài)CO2干法壓裂技術(shù)于1981年起源于加拿大，其優(yōu)勢就是消除了壓裂液對儲層的傷害，僅加拿大已在1400多口油氣井成功采用了干法壓裂，增產(chǎn)效果明顯，都在50﹪以上。

在國內(nèi)，四川石油管理局最早在1985年就開始泡沫酸液的基礎研究；1988年，遼河油田與加拿大合作進行了國內(nèi)第一口氮氣泡沫壓裂井的施工，并獲得成功。吉林油田由于有豐富的二氧化碳資源，于1997年引進了美國SS公司的CO2泡沫壓裂設備，在其油田進行CO2吞吐和增能壓裂工藝技術(shù)研究，其技術(shù)水平一直處于全國的前列。

由于試驗設備、裝備和工藝技術(shù)的原因，國內(nèi)CO2干法壓裂技術(shù)的研究和現(xiàn)場試驗起步較晚。2011年中石油川慶鉆探工程技術(shù)研究院在蘇里格氣田成功實施了國內(nèi)第一口CO2干法壓裂現(xiàn)場試驗；2013年8月國內(nèi)第一口CO2干法加砂壓裂在蘇里格氣田現(xiàn)場試驗成功。2014年，延長油田在鄂爾多斯盆地延長組長7層進行了1口頁巖氣井的CO2干法壓裂試驗，取得了圓滿成功。作

2.CO2壓裂增產(chǎn)機理及特點

(1)CO2基本性質(zhì)

常溫常壓下，CO2是一種無色無味的氣體，分子量是44，密度大約是空氣的1.5倍。CO2分子是直線型的，屬于非極性分子，但可溶于極性較強的溶劑，也可溶于原油和凝析油中。CO2的存在狀態(tài)是由所處的溫度和壓力決定的，其相圖如圖1所示：

圖1 CO2在不同溫度和壓力條件下相態(tài)變化圖版

根據(jù)CO2的不同溫度和壓力下的相態(tài)變化圖版可知，有以下性質(zhì)：

①三相點。從相圖上可以看出，在溫度為-56.6℃、壓力為0.53MPa時，CO2以氣、液、固三種相態(tài)同時存在，此點即為其“三相點”。當溫度和壓力都低于三相點時，CO2或是固態(tài)或是氣態(tài)。②臨界點。CO2的臨界溫度和臨界壓力分別為31.1℃、7.38MPa。當溫度和壓力高于三相點并低于31.1℃時，CO2以液態(tài)與氣態(tài)形式平衡共存；當溫度高于臨界溫度，無論壓力多大，CO2均以氣態(tài)方式存在。

2、CO2壓裂增產(chǎn)機理

CO2壓裂作為一種新的壓裂技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛應用和推廣。CO2干法壓裂液是以液態(tài)CO2代替常規(guī)水力壓裂液的一種無水壓裂技術(shù)，與常規(guī)水力壓裂技術(shù)相比，CO2干法壓裂技術(shù)具有增能、儲層傷害小、返排率高、環(huán)境污染小、增產(chǎn)明顯等優(yōu)點，其壓裂增產(chǎn)機理是：

(1)壓后增能作用。CO2可壓縮性的特點，賦予它儲存能量的能力。當壓力降低時，氣體就會膨脹，因此提供了充足的能量，有利于返排，使得舉升液體能力顯著提高。

(2)溶解降粘作用。當液態(tài)CO2進入儲層與原油接觸，其升溫后快速氣化與原油互溶，導致原油粘度的降低，同時也增加了溶解氣驅(qū)的能量。

(3)溶蝕作用。在壓裂過程中當液態(tài)CO2與地層水接觸，飽和CO2的水呈酸性特征，能與儲層中存在的粘土礦物反應，且排液速度高，可攜帶出大量固體顆粒及殘留物，從而可以極大提高裂縫的導流能力。

3.CO2干法壓裂技術(shù)

(1)CO2干法壓裂介紹

CO2干法壓裂是以液態(tài)CO2為壓裂液，通過地面高壓泵車大排量注入，壓開儲層后，并依靠液態(tài)CO2使裂縫延伸，然后打開密閉混砂設備注入支撐劑來支撐裂縫，在地層中形成了一條具有較高導流能力的滲流通道，從而達到增產(chǎn)目的。

CO2干法壓裂液是以液態(tài)CO2代替常規(guī)水力壓裂液的一種無水壓裂技術(shù)。CO2壓裂液具有氣化易膨脹、低濾失性、易返排的特點；同時CO2壓裂液的使用可以大大降低水鎖、水敏對儲層造成的傷害，對于那些低滲、低壓、強水敏和水鎖性油氣藏的壓裂改造具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，也避免了水基壓裂液體系存在水資源大量浪費、返排不完全造成地下水污染以及污水處理費用高昂等缺點，對非常規(guī)油氣的開發(fā)具有廣闊的應用前景。

(2)CO2干法壓裂工藝流程

CO2干法壓裂技術(shù)，以無水無傷害液態(tài)CO2為攜砂液進行壓裂的技術(shù)。CO2干法壓裂主要有三種方式：液態(tài)CO2加砂干法壓裂技術(shù)、液態(tài)CO2/N2干法壓裂技術(shù)、液態(tài)CO2/N2泡沫干法壓裂技術(shù)，這三種方式也是干法壓裂所經(jīng)歷的3個發(fā)展階段，其工藝技術(shù)流程各不相同。

①液態(tài)CO2加砂干法壓裂技術(shù)

液態(tài)CO2加砂干法壓裂主要是采用100%液態(tài)CO2作為攜砂液來進行壓裂，其工藝流程相對比較簡單。在20世紀80年代初到90年代末，該工藝在加拿大得到了廣泛的應用。

②液態(tài)CO2/N2干法壓裂技術(shù)

該技術(shù)就是在液態(tài)CO2攜砂液中加入一定的N2進行壓裂的一種工藝措施，其工藝流程如圖2所示。與純液態(tài)CO2的加砂壓裂相比，這種方法不僅減少了液態(tài)CO2的用量，同時能改善濾失性能，降低施工泵壓和作業(yè)成本。

圖2 液態(tài)CO2/N2干法壓裂工藝流程圖

③液態(tài)CO2/N2泡沫干法壓裂技術(shù)

該技術(shù)是由BJ公司開發(fā)出來的一種非常規(guī)泡沫壓裂技術(shù)，在液態(tài)CO2中加入一種能完全溶解起泡劑，通過調(diào)節(jié)N2的注入量，使整個體系穩(wěn)定性好、黏度高、對儲層無傷害的泡沫流體，用其作為攜砂液的一種壓裂方法，工藝流程如圖3所示。

圖3 液態(tài)CO2/N2泡沫干法壓裂技術(shù)工藝流程圖

(3)CO2干法壓裂發(fā)展趨勢

國內(nèi)外經(jīng)過近50年的研究和現(xiàn)場試驗，CO2干法壓裂技術(shù)的工藝技術(shù)不斷成熟，但是仍存在一些問題，比如液態(tài)CO2摩擦阻力大、相態(tài)變化預測難度大、攜砂性能差、對壓裂設備要求高、存在安全隱患等問題。各國能源研究機構(gòu)和石油公司都在尋求一種更加高效的壓裂技術(shù)──超臨界CO2干法壓裂技術(shù)。當溫度和壓力達到超臨界狀態(tài)（溫度大于31.26℃，壓力高于7.38MPa），液態(tài)CO2分子間作用力小，密度高、流動性強。超臨界CO2壓裂技術(shù)幾乎具備傳統(tǒng)CO2干法壓裂技術(shù)的全部優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)干法壓裂技術(shù)，其施工壓力小、對混砂車要求更低，是CO2干法壓裂技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

4.結(jié)語

(1)面對非常規(guī)油氣開發(fā)“體積壓裂”開發(fā)所帶來的大量水資源嚴重不足以及對環(huán)境保護的壓力，CO2干法壓裂技術(shù)具有良好的應用前景。

(2)常規(guī)水力壓裂技術(shù)對低壓、低滲、水敏性地層的增產(chǎn)效果不是很理想，而CO2干法壓裂具有的濾失量低、返排快、對地層傷害小等多種特性對此類儲層具有技術(shù)優(yōu)勢。

(3)CO2干法壓裂技術(shù)優(yōu)勢獨特，經(jīng)過多年的發(fā)展形成了不同的工藝流程，但是如何降低純液態(tài)CO2壓裂液摩阻、提高其攜砂性能也是目前研究的重點。

(4)超臨界CO2干法壓裂技術(shù)因其增產(chǎn)效果更佳、施工壓力小、對設備要求更低等優(yōu)點成為CO2干法壓裂技術(shù)的發(fā)展趨勢。

[1]鄒才能,張國生,楊智等．非常規(guī)油氣概念、特征、潛力及技術(shù):兼論非常規(guī)油氣地質(zhì)學[J]．石油勘探與開發(fā),2013,40(4):385-399,454．

[2]O． Bustos, Y． Chen, M． Stewart, et al． Case Study: Application of a Viscoelastic Surfactant-Based CO2-Compatible Fracturing Fluid in the Frontier Formation [J]． SPE: 107966, USA, 2007．

[3]M．E． Semmelbeck, W．E．Deupree, J．K． Vonplonski． Novel CO2 Emulsified Viscoelastic Surfactant Fracturing Fluid System Enables Commercial Production From Bypassed Pay in the Olmos Formation [J]．SPE: 100524, USA, 2006．

[4]張軍濤．VES-CO2泡沫壓裂工藝技術(shù)研究[D]．西安石油大學,2013．

[5]張健,徐冰,崔明明．純液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)研究綜述[J]．綠色科技,2014,(4): 206-209,212．

[6]蘇偉東,宋振云,馬得華等．二氧化碳干法壓裂技術(shù)在蘇里格氣田的應用[J]．鉆采工藝,2011, 34(4): 39-40, 44

[7]劉合,王峰,張勁等．二氧化碳干法壓裂技術(shù)——應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．石油勘探與開發(fā),2014,41(04):466-472

Production Increase Technology and Outlook of CO2 Dry Fracturing

Yang Xue1, Zhang Fan2, Yang Huan3

(1 School of Engineering and Technology and School of Petrochemical Technology, Yangtze University, Hubei, 434023 2 Sinopec Institute of Jianghan Oilfield Engineering Technology, Hubei, 430034 3 Institute of Engineering Technology, Sinopec North China Oilfield Company, Henan, 450006)

No water fracturing technology taking CO2fracturing technology as the representative has a more wider application in the development of unconventional oil and gas resources at home and abroad. CO2fracturing technology includes CO2foam fracturing and CO2fryfracturing, which is of great significance to the reconstruction and production increase of unconventional reservoir (Especially the low pressure, low permeability, strong water lock and water sensitivity damage are serious). This paper concludes the principle, construction technology, fracturing fluid system and equipment requirements, etc. of CO2dry fracturing technology and analyzes the present problems and development trend of this technology, at the same time, discusses the technology advantage and development prospect of the supercritical CO2fracturing technology .

unconventional oil & gas；water sensitivity of formation；CO2fracturing；CO2dry fracturing；oil field production increase

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A

(責任編輯 李鵬波)

十三五國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2016ZX05046-004）；國家自然科學基金“致密油水平井SRV與基質(zhì)耦合變質(zhì)量流動模型研究”（51504038）

楊雪（1985～），女，長江大學工程技術(shù)學院石油與化工學院，研究方向：油氣田開發(fā)方面的教學和科研工作。