液態二氧化碳壓裂技術研究現狀與展望

宋遠飛　孫鵬勃

摘 要：液態二氧化碳壓裂技術是生產運營過程中增產改造的一種常見工藝技術，而將液態的二氧化碳作為壓裂液具有多種優點。液態二氧化碳是一種無毒、無味的物質，在其使用過程中，不會對儲層造成任何傷害。過去，壓裂技術中使用最多的就是水基壓裂液，水基壓裂液在致密氣藏、頁巖氣藏開發中具有許多問題，而液態二氧化碳壓裂技術則從根本上改變了這一不足。下面，結合液態二氧化碳壓裂技術的使用現狀，深入探討了液態二氧化碳的應用特點、發展現狀和研究方向，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：液態二氧化碳；增產技術；壓裂改造工藝；生產性能

中圖分類號：TE357.1+3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.014

目前，壓裂改造是最主要的增產技術之一，它在低滲、特低滲致密油氣資源的開發中具有較強的實用性，特別是在油氣資源密集的頁巖油氣資源的開發過程中，該方法也具有較好的發展前景。傳統的壓裂液在使用過程中需要耗費較多的水資源，而且還有可能會污染地下水和地表環境。而液態二氧化碳壓裂技術則從根本上改變了這一現狀，壓裂后的二氧化碳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了廣泛的應用。

1 液態二氧化碳壓裂技術特點分析

在液態二氧化碳的壓裂過程中，液態的二氧化碳是最主要的壓裂液。該方法主要是采取一定的技術手段將二氧化碳加壓、控制溫度等，進而滿足實際壓裂工況。通常情況下，在一般環境下，二氧化碳由氣態轉變為液態的臨界溫度是31 ℃，臨界壓力為7.38 MPa，而且液態二氧化碳的密度與水的密度相差不大，而對其加壓后，液態二氧化碳的黏度則大大降低了。在實際工程中，液態二氧化碳在使用后可以轉變為氣態物質，從而便于其從地層排出，不會對地層造成危害。所以，液態二氧化碳壓裂技術是一種真正的無傷害工藝。與傳統的水基層壓裂技術相比，液態二氧化碳壓裂技術具有以下特點；①將液態的二氧化碳作為壓裂液，能夠對儲層產生較小的傷害。二氧化碳作為一種非極性分子，在使用過程中，能夠更好地溶于原油，大大降低原油的黏度。這樣一來，就為原油的自然流動創造了較好的條件。此外，二氧化碳是一種酸性氣體，在溶于水后，會與水反應生成碳酸，碳酸具有一定的酸性，能夠抑制土壤的膨脹。當土層中的溫度高于31 ℃時，液態二氧化碳會轉變成氣態物質，能夠及時從土層中流出，進而避免了對裂縫流動能力的影響。②液態二氧化碳壓裂技術具有很強的返排能力。隨著溫度的不斷升高，液態二氧化碳的總體積也會不斷增大。當溫度超過40 ℃時，液態二氧化碳就能夠全部轉變成氣態物質，氣態二氧化碳能夠不斷增強其地層能量，進而縮短投產周期。③液態二氧化碳壓裂技術在使用過程中所需的作業成本比較低，具有較好的經濟效益。這是因為二氧化碳本身就是一種催化劑，不再需要更多的化學添加劑，所以，在壓裂過程中，不會產生過多的壓裂廢液。這不僅避免了對環境的污染，而且還節約了成本。從這個角度分析，使用液態二氧化碳壓裂技術的油氣產量高，且穩產期長，能夠獲得良好的經濟效益。

2 液態二氧化碳壓裂技術的研究進展分析

液態二氧化碳壓裂技術的發展分為以下幾個階段：①純液態二氧化碳加砂壓裂技術階段。早在20世紀60年代，就有許多生產工程將二氧化碳當作壓裂液，將液態的二氧化碳充當增能助排劑，以增加油氣井的開采量。②液態二氧化碳/氮氣壓裂技術階段。20世紀末期，美國發明了一種新的攜砂壓裂工藝技術，就是在液態二氧化碳中添加一定比例的氮氣。在近20年的實踐中發現，這種技術手段具有較好的發展前景，其施工流程與液態二氧化碳加砂壓裂類似，即先對支撐劑加壓預冷，然后液態二氧化碳與支撐劑混合，并經壓裂泵車增壓，在井口與氮氣按一定比例混合后泵入地層。該技術手段與液態二氧化碳壓裂相比，增產效果相當，而且大大降低了平均單井成本。③液態二氧化碳/氮氣泡沫壓裂技術階段。該技術是BJ公司于1998年開發實現的，其主要操作是在液態的二氧化碳中加入一定比例的氫氟醚類起泡劑，并且要保證其能夠全部溶解，然后再向添加劑中加入一定比例的氮氣，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。

3 液態二氧化碳壓裂技術展望分析

要想從根本上提高液態二氧化碳壓裂技術的效率，應該從以下三個方面入手；①進一步提高液態二氧化碳的攜砂能力。這不僅是擴大液態二氧化碳壓裂技術實用范圍的根本保證，還是降低施工摩阻的關鍵。目前，我國提高液態二氧化碳攜砂能力的主要方法就是提高液態二氧化碳的黏度，但是，這種方式會提高其摩阻。為此，還應該加強對液態二氧化碳攜砂能力方法的研究。②在實際工藝中不斷優化液態二氧化碳壓裂工藝。通過研究液態二氧化碳的流動特性、對流換熱特性和攜砂特性等參數來為施工壓力預測、壓裂管柱和支撐劑 （ 尺寸、密度）優選提供可靠的參考依據。③加強對液態二氧化碳壓裂增產機理的研究。對液態二氧化碳壓裂增產機理的研究應該從分析液態二氧化碳破巖、裂縫延伸和增滲等角度入手，這樣才能夠為液態二氧化碳壓裂裂縫形態的預測提供可靠的依據。

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〔編輯：白潔〕