煤層氣井液態CO2高壓泵注技術應用前景分析

楊攀，崔玉環，王佳，王國玲，史紅玲

（北京奧瑞安能源技術開發有限公司，北京 100190）

0 引言

《中國天然氣發展報告2021》數據顯示2020年，全國天然氣產量1925億立方米，其中煤層氣產量67億立方米，占比僅3.48%。而我國埋深2000米以淺煤層氣可采資源量就超過10萬億立方。但是全國煤層氣資源動用率不足1%，工程成功率不足60%，產能轉化率不足50%。煤層氣產量和資源量并不匹配。煤層氣的開采不同于常規油氣，需要進行新工藝新技術的嘗試[1]。

2020年9月22日，國家主席習近平提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”“雙碳”目標的提出，也給能源生產行業提出了更高的技術要求和更緊迫的時間要求。要實現碳中和，單純的減排措施遠遠不夠，應該在減排的同時增加增匯途徑來減輕減排的壓力，即研發負排放的方法與途徑。2019年美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫學科學院聯合發表了《負排放技術與可靠的碳封存：研究議程》。負排放是實現碳中和的必由之路。按照當前的碳排放走勢看，在我國實現碳達峰時碳排放量將約為113億噸/年。據估計，即便充分利用了替代能源，中國達峰后每年仍有巨大的負排放缺口。因此，要實現碳中和目標，必須同時采取減排和增匯措施[2]。

煤層具有良好的吸附作用，特別是對CO2的吸附能力較強。在煤層氣開采增產過程中可以同時實施的CO2封存技術應當進行重點突破。我國從2004年開始在沁水盆地開展CO2注入微型先導性試驗以及深部煤層的單井吞吐試驗，初步證實了CO2注入可提高煤層氣井甲烷采收率及CO2有效封存。

而國內科研機構的多個室內實驗也證實液態CO2有利于煤層破巖和煤層復雜裂縫的形成，液態CO2具有明顯的煤層氣增產效果，并且能夠提高采收率。對于技術應用來說亟需進行煤層氣增產和CO2封存協同的新技術現場工程試驗。所以本文提出了煤層氣液態CO2高壓泵注壓裂技術。

1 煤層氣CO2壓裂工藝分類

采用CO2作為壓裂液介質的壓裂都可以叫CO2壓裂。在煤層氣的壓裂過程中采用液態CO2作為介質實施壓裂增產，能夠在煤層基質中形成更復雜的裂縫網格，跟煤層中的CH4形成競爭吸附，從而提高煤層CH4采收率和產出速度。總結前人CO2壓裂工藝應用情況，大致把CO2壓裂工藝分為三大類，分類和工藝特點 如下：

（1）CO2泡沫壓裂技術、CO2+N2二元泡沫壓裂技術，CO2和輔助氣體介質都是氣態。

CO2泡沫質量52%～96%為CO2泡沫壓裂，此時混合壓裂液具有泡沫壓裂液的性能，相比常規水基壓裂液，有效提高攜砂性能并且可以極大降低液體濾失。可以節省壓裂用水和壓裂液中使用的化學劑，另外還可以提高返排液排出效率。

CO2+N2二元泡沫壓裂是在壓裂過程中同時使用氣態的CO2和N2，性能和CO2泡沫壓裂類似。因為CO2相態變化更為復雜，所以CO2+N2二元泡沫壓裂液體性能更穩定。但是現場施工設備需求和施工流程的復雜程度更高。所以此種工藝并未廣泛應用。

（2）CO2增能壓裂（前置液態CO2壓裂）技術和純液態CO2干法壓裂技術：CO2為純液態。

純液態CO2增能壓裂，是采用大排量將液態CO2先注入地層，然后再進行常規水基壓裂。利用液態CO2極低的粘度和界面張力、流動性強的特性，在儲層中形成復雜裂縫網絡。然后通過常規壓裂液把液態CO2推送到距離井筒較遠的儲層深部，實現對儲層流體的稀釋和置換。利用CO2氣化后增加地層能量，實現快速高效返排、補充煤儲層能量[3]。

純液態CO2增能壓裂可以快速大量地注入CO2到煤層深部，形成復雜裂縫網絡，可以有效實現CO2大量封存和有效增產的雙重目的。施工難度較低、應用成本較低，是未來煤層氣壓裂可以嘗試應用推廣的工藝。

純液態CO2干法壓裂，利用液態CO2作為攜砂液進行壓裂施工。需要特制的密閉混砂車，因為液態CO2粘度較低，可以實現的砂濃度較低，不能滿足煤層氣的要求。需要再額外加入CO2增稠劑。

（3）液態CO2+N2壓裂技術（N2為氣態）：CO2為純液態，輔助氣體為氣態。

這種復合工藝是在液態CO2中添加一定比例的氮氣的工藝技術，液態CO2與支撐劑混合后經過壓裂泵車加壓，然后和N2混合，氮氣的比例為50%～70%。與純液態CO2壓裂的增產效果類似，可以有效減少液態CO2的使用量，從而成本較低。另外混合液體粘度和攜砂性能得到很大提升，同時又是無水壓裂，適用于水敏性強的煤層。

2 煤層氣井液態CO2高壓泵注技術可行性

煤層氣井液態CO2高壓泵注技術就是：以突破煤層破裂的注入速度快速注入大量液態CO2，液態CO2具有低的粘度和界面張力、流動性強，高壓注入過程中易于流入煤層中的割理或天然微裂縫中，從而更好地連通儲集層中的割理或天然微裂縫，形成復雜裂縫網絡，大體積地深度改造煤層。并且把液態CO2推送到距離井筒較遠的煤層深部或者通過關井擴散使CO2有效運移到煤層深部從而實現CO2在煤層中的吸附并且對CH4實現置換的工藝技術。可以是純液態CO2高壓泵注，也可以作為壓裂液注入前的預前置液注入煤層。

壓裂時CO2介質為液態，屬于CO2壓裂工藝種類的第二大類。

既然是結合煤層氣增產和CO2封存的新技術，在實現煤層氣增產的基礎上還需要實現CO2的有效封存。在“雙碳”目標下CO2封存技術還需要有大量和快速處理CO2的特點。

（1）液態CO2煤層氣增產有效性

室內試驗證明，在相同地應力和注入排量下CO2壓裂原煤形成的裂縫與水力壓裂相比，形成了更復雜的多級裂縫。而對于煤層氣壓裂增產來說，更復雜的裂縫可以增加煤層的改造體積，增加煤層基質的改造強度和改造范圍。增大煤層的增產改造效果。

CO2與CH4分子相比，具有更強的極性，更容易與煤巖中的極性官能團結合，煤層對CO2的吸附能力大于CH4，在相同儲層條件下CO2更容易吸附在煤層，從而增加CH4的解吸效率（解吸速度和解吸程度都大大增加）。沁水盆地前期研究表明通過注入CO2煤層氣的采收率可以提高20%～83%。

（2）CO2在煤層中的封存有效性

CO2在煤層中的封存有四種模式，吸附封存、溶解封存、礦化封存、靜態封存。煤層氣生產過程主要依靠排水降壓，經過長時間生產后，井筒周圍的儲層壓力較低，并且在煤層氣產量較好的區域通常裂縫系統較發育，在煤層氣開發中同時要實現CO2封存依靠常規靜態封存不容易實現，主要依靠吸附封存。現場試驗工程已經證明CO2的短期置換和長期吸附封存有效性。

（3）煤層氣液態CO2高壓泵注對CO2負排放處理能力及經濟性

煤層氣液態CO2是在煤儲層破裂的情況下注入液態CO2，注入速率與煤層氣正常壓裂泵注的排量相當或者略小于壓裂泵注速率，從而實現快速注入的目的，注入速度可以達到3～8m3/min，單段注入量200m3～400m3，假設使用該工藝的每年壓裂段數僅按照5000段計算，則年處理液態CO2100萬-200萬噸（壓裂泵注工況下液態CO2密度近似按照1g/cm3計算）。這只是煤層氣井壓裂很小一部分應用，根據煤層氣井壓裂層數和單段注入增加，不久的未來就能實現千萬噸級別的CO2年封存能力[4]。

通過工藝的優化，與常規壓裂相比不需要額外的設備，僅增加液態CO2費用和運輸費用，目前液態CO2加運輸費用價格約800元/噸。目前歐洲碳排放權交易價格約為50歐元/噸，國內也已經突破50元/噸。同時液態CO2注入可以減少常規壓裂液的用量約200m3/段，抵消后每層壓裂施工成本僅增加10%左右，而采收率增加約30%，具備相當的經濟效益。并且隨著液態CO2價格逐年下降，碳排放權交易價格逐年上漲，經濟優勢會越來越大。

3 煤層氣井液態CO2高壓泵注設計和施工分析

煤層氣井液態CO2高壓泵注與普通活性水壓裂設計和施工類似，但是因為有液態CO2的加入，在工程上也具有明顯的特性，具體分析如下：

（1）CO2注入排量的確定

要提高CO2的注入效率和預前置液的破巖效果需要以超過地層破裂壓力的注入速率進行施工。所以在施工前首先要確定煤層的破裂壓力（一般通過測試和區域分析確定），以及對應破裂壓力的排量確定為注入的最小排量；另外，為了保證CO2的有效封存和煤層改造的有效性，在壓裂過程中不能突破煤層頂板，確定突破頂板的排量為最大排量（一般通過裂縫模型數值模擬確定）。設計的CO2注入排量需介于兩者之間。

（2）注入過程液態CO2相態變化分析

CO2臨界溫度為31.2℃，臨界壓力為7.38MPa。超臨界態二氧化碳密度近于液體，粘度近于氣體，擴散系數為液體的100倍，在煤層中有更強的穿透性。但是煤層氣井的儲層壓力和溫度一般較低，目前壓裂的大部分煤層氣井很難實現超臨界態壓裂。煤層氣液態CO2高壓泵注施工過程相態變化如圖1所示：

1：CO2儲液罐（液態）—2：CO2增壓泵（液態）—3壓裂泵車（液態）—4煤儲層（液態）—5返排（液態變為氣態）。

（3）壓裂設備及地面流程配套要求

①液態CO2具有極低的溫度（儲罐溫度-28.9℃），在經過增壓泵以后也接近-20℃，所以在以液態CO2為介質進行的壓裂泵注中，需要對液態CO2接觸部件進行排查優化，更換為耐低溫耐腐蝕件，主要是壓裂泵車的低壓空氣包、泵配件，以及橡膠密封件等；②CO2氣化后在空氣中流動性較差，需要配備鼓風設備；③液態CO2施工安全風險較高，在施工流程中管線應平直，盡量減少下垂彎曲避免流速不暢[5]。

（4）施工程序特殊性

液態CO2在流經高溫部分會發生氣化，氣化過程會吸收熱量，如果有水存在會造成結冰，所以需要避免冰堵發生，施工前井筒需要進行防凍預處理；現場注入系統按順序進行冷卻后再進行泵注作業CO2液灌冷卻—增壓泵冷卻—高壓注入系統冷卻。

充分利用液態CO2能量形成復雜縫網，同時有效置換CH4，使CO2在煤層中形成充分吸附，需要在高壓泵注液態CO2后有足夠的悶井時間。

4 煤層氣井液態CO2高壓泵注試驗條件分析

（1）配套設備條件：1997年吉林油田引進我國第一臺CO2壓裂設備，到目前為止國內已經能自主生產液態CO2壓裂設備，包括專用的增壓設備和帶壓混砂設備也已經自主生產并且進行了現場試驗。而與液態CO2壓裂配套的低溫配件及工具生產也已經成熟，工程技術具備市場化條件。

（2）2005年開始實施純液態CO2壓裂，2013年國內完成第一口純液態CO2干法加砂壓裂，2007年國內煤層氣首次進行CO2泡沫壓裂。截至目前液態CO2的工藝在國內常規油氣和頁巖氣中的運用已經非常成熟。工程施工經驗已經非常成熟，具備在煤層氣應用的條件。

（3）煤層氣液態CO2注入僅進行了小規模注入試驗，采用和正常壓裂排量相同的快速泵注的技術認識僅停留在理論和實驗室階段，需要現場試驗結果來驗證研究成果[6-8]。

5 結語

（1）從機理和現場試驗證明煤層氣儲層具有強吸附能力，在低壓力條件下能夠有效吸附CO2，可以實現CO2的有效封存并且可以提高CH4采收率。實驗室證實液態CO2可以增加煤層壓裂裂縫的復雜程度。

（2）煤層氣液態CO2高壓泵注技術有別于煤層氣常規壓裂，需要根據其特點進行設計和施工，后續需要結合實際施工反饋優化技術措施。

（3）煤層氣需要突破性增產新技術，“雙碳目標”下CO2快速高效封存技術的需求迫切，而液態CO2高壓泵注技術具備現場實施條件，并且應用前景較好。