頁巖氣CO2泡沫壓裂技術(shù)

周長林 彭 歡,2 桑 宇 冉 立 劉 煉 李 松

1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.頁巖氣開采與評價四川省重點實驗室3.重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司

頁巖氣CO2泡沫壓裂技術(shù)

周長林1彭 歡1,2桑 宇1冉 立1劉 煉3李 松1

1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.頁巖氣開采與評價四川省重點實驗室3.重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司

周長林等.頁巖氣CO2泡沫壓裂技術(shù). 天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 70-76.

頁巖氣開發(fā)過程中不僅要注重產(chǎn)量的突破，還應加強對節(jié)水/無水壓裂等技術(shù)的攻關(guān)，以確保水資源緊缺地區(qū)頁巖氣開發(fā)的有序進行。為此，比較了CO2泡沫壓裂與滑溜水壓裂、其他節(jié)水/無水壓裂技術(shù)的特點與優(yōu)勢，認為CO2泡沫壓裂技術(shù)能大幅減少用水量，通過增加施工排量和規(guī)?？蓮浹a其在改造體積方面與滑溜水壓裂所存在的差距，設(shè)備改造要求、混注工藝、施工難度較其他節(jié)水/無水壓裂低，安全風險??；分析了CO2泡沫壓裂液物理特性，由于CO2相態(tài)變化復雜，儲層條件下處于超臨界狀態(tài)的CO2，與水基壓裂液形成CO2泡沫；研究了CO2泡沫壓裂施工設(shè)備及工藝技術(shù)，認為在施工設(shè)備、分段工藝、施工步驟、安全保障方面，增加了液態(tài)CO2泵注流程，需考慮CO2的特殊性，制定相應的施工保障、安全預防措施。此外，還調(diào)研了CO2泡沫壓裂在美國Ohio和Lewis、加拿大Monteny、延長油田頁巖氣開發(fā)中的應用情況，發(fā)現(xiàn)其增產(chǎn)改造效果明顯。所取得的研究成果為四川盆地頁巖氣的壓裂改造提供了新的思路和方法，也為水資源緊缺地區(qū)頁巖氣開發(fā)提供了重要的技術(shù)儲備與補充。

頁巖氣 CO2泡沫壓裂 物理性質(zhì) 壓裂設(shè)備 分段工藝 施工步驟 現(xiàn)場應用

北美地區(qū)在頁巖氣勘探開發(fā)中所取得巨大的成功，使頁巖氣成為了目前全球最熱門的非常規(guī)天然氣資源，世界各大油氣資源國都掀起了頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮，中國也加入到“頁巖氣革命”中，期望復制北美頁巖氣的成功，從而緩解我國天然氣供需矛盾，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，促進節(jié)能減排。頁巖氣開發(fā)過程中不僅應注重產(chǎn)量的突破，還應加強對節(jié)水/無水壓裂等技術(shù)的攻關(guān)與突破，掌握適用于我國頁巖氣開發(fā)的增產(chǎn)改造核心技術(shù)[1]，為頁巖氣的壓裂改造提供新的思路和方法，以確保頁巖氣開發(fā)有序進行。

1 研究背景

1.1 天然氣需求量大

2015年我國天然氣產(chǎn)量為1 318×108m3（不含煤層氣），還存在大約600×108m3左右的供應缺口需要依靠進口天然氣補充[2]，預計到2020年，國內(nèi)天然氣缺口將達1 000×108m3。我國天然氣供不應求的局面將長期存在，加快包括頁巖氣在內(nèi)的天然氣勘探開發(fā)節(jié)奏，是緩解我國天然氣供需矛盾的必然選擇，對調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放具有重要意義。

1.2 頁巖氣資源豐富

四川盆地是目前中國頁巖氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場，也是最成功的地區(qū)。四川盆地有利頁巖氣區(qū)面積9.43×104km2，核心區(qū)面積約6.44×104km2，估算技術(shù)可采資源量2.64×1012m3，具有較好的發(fā)展前景[3]，四川盆地頁巖氣資源勘探開發(fā)在較大程度上反映和影響我國頁巖氣的發(fā)展前景，對推動我國頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。

1.3 水資源壓力大

滑溜水壓裂是在頁巖氣藏改造中發(fā)展起來的一項技術(shù)，在美國得克薩斯州Barnett頁巖氣開發(fā)中取得巨大成功而備受關(guān)注[4]，國內(nèi)頁巖氣開發(fā)也多采用此技術(shù)[5-8]。目前頁巖氣的開發(fā)重心集中在如何取得產(chǎn)量上的突破，忽略了頁巖氣資源開發(fā)可能面對的水資源挑戰(zhàn)、環(huán)境影響及其相應的防治措施等問題[9-10]。水力壓裂作為頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，據(jù)統(tǒng)計在2010年采用滑溜水壓裂開發(fā)1口頁巖氣井需要消耗0.8×104～2.4×104m3水資源[11]，美國頁巖氣開發(fā)大多分布在平原地區(qū)，水資源較為充足，而四川盆地多為丘陵山區(qū)，比較缺水，水資源壓力大（圖1），嚴重制約頁巖氣的大規(guī)模工業(yè)化開發(fā)。

圖1 四川盆地頁巖氣及基準水資源壓力分布圖

1.4 鼓勵開展新型壓裂液技術(shù)攻關(guān)

由于面臨水資源壓力大等問題，《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》中鼓勵開展新型壓裂液的技術(shù)攻關(guān)，客觀上節(jié)約大量用水[1]；《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》中提出依靠科技進步，推進井場集約化建設(shè)和無水、少水儲層改造及水資源循環(huán)使用，實現(xiàn)安全、高效、清潔生產(chǎn)，建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好、協(xié)調(diào)發(fā)展的頁巖氣資源勘探開發(fā)利用體系。并且新《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護法》已正式實施[12]，返排不完全可能污染地下水以及處理返排污水費用高昂等問題變得突出，有必要加強節(jié)水/無水壓裂等技術(shù)的攻關(guān)與突破。

2 CO2泡沫壓裂優(yōu)勢與特點

2.1 與滑溜水壓裂比較

滑溜水壓裂在美國barnett頁巖開發(fā)中成功應用而被逐漸推廣，但用水量巨大，在水資源緊缺地區(qū)可能限制了頁巖氣大規(guī)模開發(fā)；在2008—2012年，為緩解水資源壓力，加拿大Monteny頁巖氣對1 364口井進行水力壓裂改造中，采用增能、泡沫壓裂共737口（占所有壓裂施工井數(shù)的54%），其中部分滑溜水壓裂和CO2泡沫壓裂施工統(tǒng)計資料如表1所示[13]。從表1中可以看出，CO2泡沫壓裂極大降低了水力壓裂施工用水量，并且由于施工規(guī)模減小、作業(yè)時間縮短等也降低了成本。

為評價滑溜水壓裂和CO2泡沫壓裂在改造體積（SRV）的差異，2013年加拿大Pembina油田利用兩口相鄰的水平井進行滑溜水壓裂和泡沫壓裂微地震監(jiān)測施工（圖2），兩口井分段方法一致，支撐劑用量相同，其中滑溜水壓裂施工排量為12.0 m3/min，泡沫壓裂施工排量為3.0～5.0 m3/min。從兩口井的微地震監(jiān)測可知，滑溜水壓裂由于大排量、大規(guī)模的改造思路，其更容易形成復雜縫網(wǎng)；而泡沫壓裂由于施工排量、規(guī)模較低，改造體積低于滑溜水壓裂[14]。通過分析，認為增加CO2泡沫壓裂施工排量、規(guī)?？蓮浹a其在改造體積方面與滑溜水壓裂所存在的差距。

表1 加拿大Monteny頁巖氣部分滑溜水與CO2泡沫壓裂施工情況對比表

圖2 加拿大Pembina油田滑溜水、泡沫壓裂液微地震監(jiān)測圖

2.2 與其他節(jié)水/無水壓裂比較

在節(jié)水/無水壓裂技術(shù)中，LPG、CO2、N2等無水壓裂技術(shù)在國內(nèi)處在探索階段，對設(shè)備和作業(yè)人員技術(shù)要求高、安全風險大，其現(xiàn)階段的推廣應用受到一定限制[15-17]。CO2泡沫壓裂自20世紀70年代末出現(xiàn)以來，具有對儲層傷害低、可大幅減少用水量、攜砂性能強、黏度高等優(yōu)點，性能優(yōu)于N2泡沫壓裂液（施工壓力、防膨、置換頁巖氣等方面），設(shè)備改造要求小，混注工藝簡單、施工難度較無水壓裂液低，安全風險小，并成功應用于低壓低滲水敏砂巖油氣藏及煤層氣藏。CO2泡沫壓裂技術(shù)在國外頁巖氣已得到廣泛應用，在國內(nèi)的現(xiàn)場試驗工作也取得較好的效果。目前已有的節(jié)水/無水壓裂技術(shù)情況如表2所示。

表2 節(jié)水/無水壓裂技術(shù)比較表

3 CO2泡沫壓裂液物理特性

CO2泡沫壓裂液是由CO2、稠化劑、起泡劑等相關(guān)化學添加劑與水組成的混合體系。CO2泡沫壓裂液的研制與單相水基壓裂液的研制密切相關(guān)，其難點在于CO2溶于水后顯酸性，對稠化劑、交聯(lián)劑及起泡劑的性能要求更高。與常規(guī)單相水基壓裂液不同，CO2泡沫壓裂液屬于氣液兩相可壓縮性極強的流體，CO2相態(tài)變化復雜，導致其前期室內(nèi)評價的難度更大。對CO2泡沫壓裂液物理特性的認識和掌握程度是影響優(yōu)選配方、工藝設(shè)計、壓裂施工及壓后效果的重要因素之一。

3.1 CO2泡沫壓裂過程中CO2相態(tài)變化

CO2泡沫壓裂液的物理特性受CO2相態(tài)變化影響，CO2泡沫壓裂過程中CO2相態(tài)變化如圖3所示：CO2開始以液態(tài)形式存儲在CO2罐車中，經(jīng)過CO2增壓泵后，進入CO2壓裂泵車，并被加壓至施工壓力，隨后在井口與水基壓裂液匯合，在此過程中CO2均處于液態(tài)；液態(tài)CO2與水基壓裂液混合后泵至井底進入儲層后，溫度逐漸升高，CO2處于超臨界狀

態(tài)，由于超臨界CO2流動性與氣體類似，從而可與水基壓裂液形成CO2泡沫；施工結(jié)束并開始返排后，CO2超臨界流動性與氣體類似，可從井底返排回地面，過程中壓力逐漸下降，最終以氣態(tài)形式返排回地面。在此過程中，CO2泡沫壓裂液的密度、黏度等都隨著其溫度、壓力的改變而劇烈變化。

圖3 CO2泡沫壓裂施工中CO2相變過程及外觀示意圖

3.2 CO2泡沫壓裂液性能評價

國內(nèi)CO2泡沫壓裂物理特性的研究重點在性能評價中的理論認識和實驗設(shè)備。理論認識是需掌握CO2泡沫壓裂液攜砂機理、在不同條件下CO2泡沫壓裂液的流變模型，CO2相態(tài)轉(zhuǎn)變、超臨界CO2特性對CO2泡沫壓裂液流變性、攜砂性能等的影響；實驗設(shè)備是由于國內(nèi)目前CO2泡沫壓裂液實驗評價設(shè)備相對有限，不利于技術(shù)的推廣，需在研發(fā)儀器設(shè)備方面取得突破，盡量準確、客觀地反映CO2泡沫壓裂液在施工過程中的性能參數(shù)，通常使用大型物理模擬裝置，如大型多功能泡沫回路試驗裝置[18]、頁巖氣藏超臨界CO2致裂增滲實驗裝置[19]、大型高參數(shù)泡沫壓裂液試驗回路[20]，模擬CO2泡沫壓裂液的施工過程，研究CO2泡沫壓裂液在高溫、高壓、高剪切條件下的流變性、起泡、穩(wěn)泡、攜砂、動態(tài)濾失等性能。

CO2泡沫壓裂液的黏度高、攜砂性能好、濾失量低，酸性環(huán)境可有效抑制黏土膨脹，用水量少可降低頁巖的自吸[21]及軟化，對地層和裂縫傷害小。根據(jù)CO2泡沫壓裂液性能特點，結(jié)合頁巖氣目前體積壓裂工作液實驗評價現(xiàn)狀，需使用大型物理模擬裝置，并結(jié)合常規(guī)實驗儀器完成CO2泡沫壓裂液的實驗評價，較為準確獲取CO2泡沫壓裂液性能參數(shù)，建立頁巖儲層與CO2泡沫壓裂液適應性評價方法，為頁巖氣CO2泡沫壓裂工藝設(shè)計和現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

4 CO2泡沫壓裂裝備與工藝技術(shù)

4.1 CO2泡沫壓裂裝備

目前國內(nèi)已經(jīng)具備開展CO2泡沫壓裂施工的能力，中原、長慶、吉林和大慶等油田已完成裝備配套完善，并對施工的現(xiàn)場組織和實施有一定的積累和認識。

與常規(guī)水力壓裂不同，CO2泡沫壓裂施工是兩套獨立流程，一套泵注液態(tài)CO2，一套泵注純水基壓裂液，兩套流程在井口匯合后再向地層泵注(圖4)。泵注液態(tài)CO2需如下設(shè)備：①CO2罐車，用于儲存加壓低溫的液態(tài)CO2；②CO2增壓泵車，CO2泡沫壓裂作業(yè)的核心設(shè)備，為液態(tài)CO2進行保壓和加壓，減少壓力波動和供液不足，為壓裂車提供大排量的液態(tài)CO2；③CO2壓裂泵車，工作原理與常規(guī)壓裂泵車相同，但因低溫液態(tài)CO2的穿透性較強，對設(shè)備的密封性與防穿刺性能要求更高；④CO2儀表車，通過配備控制面板，可實現(xiàn)集中控制；⑤配套設(shè)備，針對CO2施工的特點，需在CO2罐車低壓管匯等位置配備氣動或液動閥門，可從儀表車上遠程控制閥門的開啟和關(guān)閉，防止發(fā)生缺氧、凍傷、炮彈效應等傷害[22-23]，對于CO2泵入井底到達儲層后不能達到超臨界溫度的淺井，還應增加地面加熱裝置，以便有效形成CO2泡沫。

圖4 CO2泡沫壓裂現(xiàn)場施工圖

4.2 CO2泡沫壓裂分段工藝

水平井分段壓裂改造已成為目前國內(nèi)外頁巖氣效益開發(fā)的必要手段。在加拿大Monteny頁巖氣CO2泡沫壓裂開發(fā)中，采用橋塞/射孔聯(lián)作、裸眼封隔器/投球、連續(xù)油管/封隔器等分段工藝，與其他液體和工藝相比，CO2泡沫壓裂與橋塞/射孔聯(lián)作施

工后的12個月累計量最高。

4.3 CO2泡沫壓裂施工步驟

CO2泡沫壓裂施工施工準備階段，與常規(guī)壓裂相似，先通井/洗井，再下入壓裂管柱，連接井口與地面管線后開始準備試壓，CO2泡沫壓裂在試壓階段與常規(guī)壓裂有所不同，需要將CO2注入CO2泵注流程，降低管線溫度，檢查系統(tǒng)密閉性，并確保CO2在地面施工過程中處于液態(tài)；然后再進行壓裂施工作業(yè)，施工過程中需要用N2對CO2儲罐加壓，保持CO2處于液態(tài)，施工結(jié)束后關(guān)井，再放噴排液。

4.4 CO2泡沫壓裂安全保障

為保障CO2泡沫壓裂施工安全順利進行，施工過程中CO2增壓泵、CO2罐車距離其他設(shè)備和井口至少15 m，并防止干冰堵導致管線爆炸；由于CO2會降低空氣中O2濃度，所以CO2設(shè)備的擺放區(qū)域應遠離工作人員區(qū)域并處于下風口，防止窒息；壓后放噴返排期間，用CO2檢測儀監(jiān)測出口CO2濃度變化。

5 頁巖氣CO2泡沫壓裂應用現(xiàn)狀

CO2泡沫壓裂具有對儲層傷害低、可大幅減少用水量、攜砂性能強等優(yōu)點，在低壓（壓力系數(shù)為0.8～1.0）、低滲透、黏土礦物含量高的水敏油氣藏增產(chǎn)改造中具有明顯優(yōu)勢，并且可以通過地面預加熱處理方式應用于溫度較低的油氣藏，從而拓寬適用的油氣藏溫度條件。

CO2泡沫壓裂在美國Ohio和Lewis頁巖氣的開發(fā)過程中成功應用并取得突破[22]。在2008—2012年，加拿大Monteny頁巖氣對1 364口井進行水力壓裂改造，其中增能、泡沫共737口（54%），極大緩解了當?shù)厮Y源壓力[24]，與滑溜水壓裂相比，CO2泡沫壓裂減少平均每段支撐劑用量、用水量，增加支撐劑濃度，支撐裂縫導流能力，增產(chǎn)改造效果顯著[13,25]。CO2泡沫壓裂在延長油田頁巖氣井得到成功應用，某頁巖氣井CO2泡沫壓裂施工期間，施工壓力低、加砂成功率100%，單井無阻氣量達到10.0×104m3/d，是鄰井產(chǎn)量的3倍，增產(chǎn)改造效果明顯，同時實現(xiàn)部分CO2就地封存[26-27]。

6 結(jié)論與建議

1）頁巖氣開發(fā)過程中不僅應注重產(chǎn)量的突破，還應加強節(jié)水/無水壓裂等技術(shù)的攻關(guān)與突破，確保水資源緊缺地區(qū)頁巖氣開發(fā)有序進行。CO2泡沫壓裂相對于滑溜水壓裂，能大幅減少用水量，可通過增加施工排量、規(guī)?？蓮浹a其在改造體積與滑溜水壓裂的差距；在設(shè)備改造要求、混注工藝、施工難度較其他節(jié)水/無水壓裂技術(shù)低，安全風險小。

2）CO2泡沫壓裂液屬于氣液兩相可壓縮性極強的流體，施工過程中CO2相態(tài)變化復雜，液態(tài)CO2與水基壓裂液混合后泵至井底進入儲層后，溫度逐漸升高，CO2處于超臨界狀態(tài)，由于超臨界CO2流動性與氣體類似，從而可與水基壓裂液形成CO2泡沫，導致其前期室內(nèi)評價的難度更大。根據(jù)CO2泡沫壓裂液性能特點，結(jié)合頁巖氣目前體積壓裂工作液實驗評價現(xiàn)狀，需使用大型物理模擬裝置，并結(jié)合常規(guī)實驗儀器完成CO2泡沫壓裂液的實驗評價，較為準確獲取CO2泡沫壓裂液性能參數(shù)，建立頁巖儲層與CO2泡沫壓裂液適應性評價方法，為頁巖氣CO2泡沫壓裂工藝設(shè)計和現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

3）目前國內(nèi)已經(jīng)具備開展CO2泡沫壓裂施工的能力。與常規(guī)水力壓裂不同，CO2泡沫壓裂施工是兩套獨立流程，在壓裂設(shè)備中需要增加CO2泵注設(shè)備。加拿大Monteny頁巖氣CO2泡沫壓裂開發(fā)采用橋塞/射孔聯(lián)作，取得了較好的改造效果。施工步驟和安全保障中需要考慮CO2特殊性，制定相應的施工保障、安全預防措施。

4）CO2泡沫壓裂在美國Ohio和Lewis頁巖氣的開發(fā)過程中成功應用并取得突破，在加拿大Monteny頁巖氣藏大規(guī)模應用，目前在國內(nèi)延長頁巖氣井得到成功應用，增產(chǎn)改造效果明顯。旨在為四川盆地頁巖氣的壓裂改造提供新的思路和方法，也為水資源緊缺地區(qū)頁巖氣開發(fā)提供重要的技術(shù)儲備與補充。

5）下一步頁巖氣CO2泡沫壓裂技術(shù)攻關(guān)研究方向中，應準確掌握CO2泡沫壓裂液性能，建立頁巖儲層與CO2泡沫壓裂液適應性實驗評價方法，并通過完善相關(guān)施工配套設(shè)備和工藝設(shè)計方法，將CO2泡沫壓裂技術(shù)集成到目前頁巖氣的“工廠化”壓裂中。

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CO2foam fracturing technology in shale gas development

Zhou Changlin1, Peng Huan1,2, Sang Yu1, Ran Li1, Liu Lian3, Li Song1
(1. Engineering and Technology Research Institute, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610017, China; 2. Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Production of Sichuan Province, Chengdu, Sichuan 610017, China; 3. Chongqing Shale Gas Exploration and Development Co., Ltd., Chongqing 401121, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.70-76, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Shale gas development in areas with deficient water resources should focus on water-conservative or water-free fracturing technologies besides production. In this paper, first, CO2foam fracturing was compared with slickwater fracturing and other water-conservative or water-free fracturing technologies in terms of their technical characteristics and advantages. It is indicated that CO2foam fracturing is advantageous in that much less water is consumed; that its stimulated reservoir volume (SRV) can be as good as that of slickwater fracturing if its displacement rate and volume are increased; and that it presents lower requirements for equipment reformation, less difficulty in mixed injection and operations, and lower safety risks compared with other water-conservative or water-free fracturing technologies. Second, the physical properties of CO2foam fracturing fluid were analyzed. It is shown that CO2in the reservoir conditions is at a supercritical state due to the complexity of CO2phase change, and it, together with water-based fracturing fluid, forms CO2foam. Third, the equipment and technologies for CO2foam fracturing were reviewed. In view of equipment, staged technology, operational procedure and security insurance, liquefied CO2pumping process is added, so the special properties of CO2should be considered and corresponding security precautions should be taken. Finally, the application of CO2foam fracturing in Ohio and Lewis of the USA, Monteny of Canada, and Yanchang of China was investigated, and remarkable stimulation results were obtained. The study results provide a new idea and method for fracturing stimulation of shale gas in the Sichuan Basin, as well as important technical reserves and supplement for shale gas development in water shortage areas.

Shale gas; CO2foam fracturing; Physical properties; Fracturing equipment; Staged technology; Operational procedure; Field application

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.009

2016-07-08 編 輯 韓曉渝）

中國石油西南油氣田公司科研計劃“CO2泡沫壓裂實驗評價及工藝技術(shù)研究”（編號：2015SY-03）。

周長林，1979年生，工程師，碩士；從事壓裂酸化工藝技術(shù)研究及應用工作。地址： （610017）四川省成都市青羊區(qū)小關(guān)廟后街25號。電話：（028）86010426。ORCID: 0000-0003-0027-4418。E-mail: zhouchanglin@petrochina.com.cn