液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

宋遠飛　孫鵬勃

摘 要：液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)是生產(chǎn)運營過程中增產(chǎn)改造的一種常見工藝技術(shù)，而將液態(tài)的二氧化碳作為壓裂液具有多種優(yōu)點。液態(tài)二氧化碳是一種無毒、無味的物質(zhì)，在其使用過程中，不會對儲層造成任何傷害。過去，壓裂技術(shù)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(fā)中具有許多問題，而液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)則從根本上改變了這一不足。下面，結(jié)合液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)的使用現(xiàn)狀，深入探討了液態(tài)二氧化碳的應(yīng)用特點、發(fā)展現(xiàn)狀和研究方向，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：液態(tài)二氧化碳；增產(chǎn)技術(shù)；壓裂改造工藝；生產(chǎn)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(chǎn)技術(shù)之一，它在低滲、特低滲致密油氣資源的開發(fā)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(fā)過程中，該方法也具有較好的發(fā)展前景。傳統(tǒng)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(huán)境。而液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)則從根本上改變了這一現(xiàn)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(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)特點分析

在液態(tài)二氧化碳的壓裂過程中，液態(tài)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(shù)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(huán)境下，二氧化碳由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的臨界溫度是31 ℃，臨界壓力為7.38 MPa，而且液態(tài)二氧化碳的密度與水的密度相差不大，而對其加壓后，液態(tài)二氧化碳的黏度則大大降低了。在實際工程中，液態(tài)二氧化碳在使用后可以轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)物質(zhì)，從而便于其從地層排出，不會對地層造成危害。所以，液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)是一種真正的無傷害工藝。與傳統(tǒng)的水基層壓裂技術(shù)相比，液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)具有以下特點；①將液態(tài)的二氧化碳作為壓裂液，能夠?qū)赢a(chǎn)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(chuàng)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(yīng)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(tài)二氧化碳會轉(zhuǎn)變成氣態(tài)物質(zhì)，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(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)具有很強的返排能力。隨著溫度的不斷升高，液態(tài)二氧化碳的總體積也會不斷增大。當溫度超過40 ℃時，液態(tài)二氧化碳就能夠全部轉(zhuǎn)變成氣態(tài)物質(zhì)，氣態(tài)二氧化碳能夠不斷增強其地層能量，進而縮短投產(chǎn)周期。③液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)在使用過程中所需的作業(yè)成本比較低，具有較好的經(jīng)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(chǎn)生過多的壓裂廢液。這不僅避免了對環(huán)境的污染，而且還節(jié)約了成本。從這個角度分析，使用液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)的油氣產(chǎn)量高，且穩(wěn)產(chǎn)期長，能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。

2 液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)的研究進展分析

液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)的發(fā)展分為以下幾個階段：①純液態(tài)二氧化碳加砂壓裂技術(shù)階段。早在20世紀60年代，就有許多生產(chǎn)工程將二氧化碳當作壓裂液，將液態(tài)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(tài)二氧化碳/氮氣壓裂技術(shù)階段。20世紀末期，美國發(fā)明了一種新的攜砂壓裂工藝技術(shù)，就是在液態(tài)二氧化碳中添加一定比例的氮氣。在近20年的實踐中發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)手段具有較好的發(fā)展前景，其施工流程與液態(tài)二氧化碳加砂壓裂類似，即先對支撐劑加壓預(yù)冷，然后液態(tài)二氧化碳與支撐劑混合，并經(jīng)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(shù)手段與液態(tài)二氧化碳壓裂相比，增產(chǎn)效果相當，而且大大降低了平均單井成本。③液態(tài)二氧化碳/氮氣泡沫壓裂技術(shù)階段。該技術(shù)是BJ公司于1998年開發(fā)實現(xiàn)的，其主要操作是在液態(tài)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(wěn)定性好、黏度高的非常規(guī)泡沫流體，并以此作為攜砂液的壓裂工藝。

3 液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)展望分析

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

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〔編輯：白潔〕