超臨界CO2壓裂在頁巖氣開采中的技術(shù)研究

陳艷秋　張洪恩　馬云朋　涂廣玉　成夢可

摘 要：隨著人們對資源的需求，非常規(guī)油氣藏——頁巖氣藏成為未來能源發(fā)展的趨勢，在開采過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于超臨界CO2具有擴散性、低黏性及溶解性，因此超臨界CO2能迅速滲透到微孔多孔材料中，從而連通微裂隙網(wǎng)絡(luò)，滲透到微孔多孔材料中提高油氣采收量，在頁巖氣開采方面具有很大應(yīng)用潛力。從展望的角度，以超臨界CO2的特性為基礎(chǔ)，對超臨界二氧化碳的研究歷程進(jìn)行調(diào)研，闡述超臨界二氧化碳壓裂工藝及其增產(chǎn)原理，對超臨界CO2壓裂室內(nèi)實驗進(jìn)行分析、總結(jié)，描述CO2狀態(tài)變化流程，指出超臨界CO2置換機理，為超臨界CO2壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

關(guān) 鍵 詞：擴散性；低黏性；溶解性；油氣采收量

中圖分類號：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1399-03

Study on Supercritical CO2 Fracturing Technology

for Shale Gas Recovery

CHEN Yan-qiu 1， ZHANG Hong-en2， MA Yun-peng1， TU Guang-yu1， CHENG Meng-ke1

（1. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China；

2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Storage & Transportation Factory， Liaoning Liaoyang 111000，China）

Abstract： Along with increasing of people's demand for resources， unconventional oil and gas reservoir—shale gas has become the trend of energy development in the future. In the shale gas recovery， the researchers found that the supercritical CO2 has solubility， diffusion and low viscosity， so the supercritical CO2 can quickly penetrate into pores of porous materials， which connects the micro fracture network to enhance oil recovery， so it has great application potential in shale gas exploitation. In this paper， the characteristics of supercritical CO2 were analyzed， the research progress of supercritical carbon dioxide fracturing technology was introduced， and its principle was discussed， the supercritical CO2 fracturing experiment was carried out in lab， the CO2 state change process was described， the supercritical CO2 replacement mechanism was pointed out， which could provide some reference for the study and application of supercritical CO2 fracturing technology.

Key words： Diffusion； Low viscosity； Solubility； Oil and gas recovery

目前水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開采的有效手段，對于提高油氣產(chǎn)量和可采儲量方面具有很重要的意義，但由于常規(guī)壓裂液含有大量的添加劑及增粘劑，容易在破膠過程中破膠不徹底，堵塞壓裂孔縫，造成油氣資源被堵在裂縫中無法采出，降低了壓裂增產(chǎn)效果，同時增粘劑及添加劑殘留在孔縫中，還會地下污染環(huán)境。于是研究人員考慮采用N2或CO2制取泡沫壓裂液。在泡沫壓裂液中，CO2絕大部分處于氣體狀態(tài)，但在實際的現(xiàn)場壓裂工藝中，由于泵注壓力和井筒或地層裂縫中的流體溫度較高，已經(jīng)超過了CO2的臨界狀態(tài)（7.382 MPa，31.16 ℃），故泡沫壓裂液中的CO2已處于超臨界流體狀態(tài)，由此研究人員考慮嘗試采用超臨界CO2流體來代替普通壓裂液來進(jìn)行壓裂施工，因此超臨界CO2壓裂液作為一種新型壓裂液，超臨界流體壓裂技術(shù)隨之而興起。

由于超臨界CO2流體，密度比氣體大，接近于液體，粘度與氣體接近，擴散系數(shù)大，因此具有很好的流動和傳輸性[16]，相比較而言，可以最大限度的撐開裂縫，并將裂縫中的油氣資源吸附出來，來提高采收率，另外超臨界CO2壓裂液中無水相，不會使地層產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，返排時無殘渣殘留，可以保護儲層，增大的儲層滲透率，而且超臨界CO2壓裂液易返排，因此在未來低滲油藏和非常規(guī)油氣開發(fā)方面具有大好前景。

1 超臨界CO2壓裂液發(fā)展史

在研究初期，研究人員嘗試將CO2及N2惰性氣體打入壓裂液中制成泡沫壓裂液來進(jìn)行水力壓裂，使用這種方法后，壓裂液粘度大大提高，壓裂液摩阻損失減小，攜砂性能和懸砂性能好，能較好的撐開裂縫，壓裂液穿透裂縫能力增強，油氣資源的采收率大大提高，但經(jīng)過長期實踐之后，發(fā)現(xiàn)存在一系列問題，泡沫壓裂液中含有大量的凍膠及酸液，壓裂液返排時，壓裂液中的氣體膨脹能力強，易返排，但容易把化學(xué)物質(zhì)殘留在地層中，污染地層，而且壓裂液中加入氣體后，井筒中壓裂液的溫度和壓力不易控制[19]，于是考慮是否可以把純液態(tài)CO2作為壓裂液進(jìn)行壓裂。研究表明液態(tài)CO2的密度與液態(tài)水相近，黏度較低，是水的0.1倍，符合壓裂液基本性能要求，并且在壓裂過程中，液態(tài)CO2是一種無水相壓裂液，從井筒進(jìn)入到地層中，在壓裂施工完成后，升溫、降壓，CO2由液態(tài)變成氣態(tài)，從地層排出，是一種對地層無傷害的壓裂工藝[1-3，17]。

1993年，美國Amoco公司在圣胡安盆地白堊紀(jì)Fruitland煤層上注入CO2以提高煤層甲烷采收率，并與N2、N2與CO2混合物的驅(qū)替效果做比較，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注入CO2更能提高油氣采收率。隨后，國內(nèi)外學(xué)者著重對如何利用CO2做壓裂液來提高油藏及非常規(guī)油氣采收率進(jìn)行研究[3，18]。

2011年，王海柱等[18]利用頁巖氣藏儲層特性及超臨界CO2特性，提出使用超臨界CO2來開采頁巖氣技術(shù)，該技術(shù)可以解決水力壓裂中頁巖氣層內(nèi)黏土膨脹及水鎖效應(yīng)等問題。研究表明CO2吸附能力大于甲烷，在吸附能力的作用下，CO2可將吸附在地層中的CH4置換成游離氣d的CH4，提高非常規(guī)油氣藏采收率，另一方面，又能將CO2進(jìn)行埋存，緩解溫室效應(yīng)，保護環(huán)境，在技術(shù)和經(jīng)濟方面占很大優(yōu)勢，為未來頁巖氣開發(fā)提供了技術(shù)研究方向[4]。

2014年，Richard Middleton等采用超臨界CO2流體作為壓裂液，代替水力壓裂液，進(jìn)行實驗，來考察其開采潛能和儲層封存CO2效果。目前，關(guān)于CO2如何驅(qū)替裂縫中的頁巖氣方面的研究較少，有很多諸如儲層壓力、注入氣體壓力、氣體注入與產(chǎn)出時間，以及儲層的物理特征等不確定性因素，都有可能對驅(qū)替效果產(chǎn)生影響[6]。

2 超臨界CO2壓裂優(yōu)點

超臨界CO2流體除了具有超臨界流體的性質(zhì)外，還具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。超臨界CO2黏度低，擴散系數(shù)較大，表面張力為零。因此，在外力作用下能夠深入地層中，撐開微小裂縫，并有效驅(qū)替微小孔隙和裂縫中的CH4[7]。研究表明，CO2對母巖的吸附強度是甲烷的3到5倍。因此，它能夠充分的將吸附在礦物表面的CH4置換出來。

3 超臨界CO2壓裂工藝

超臨界態(tài)CO2壓裂工藝與CO2干法壓裂工藝類似，都是使用純CO2作為壓裂介質(zhì)。二者的區(qū)別主要在于，超臨界態(tài)CO2壓裂液初始溫度較高，在從儲罐得到井筒過程中，不斷升溫加壓，使得液態(tài)CO2在井筒中就可以達(dá)到超臨界態(tài)。若在此過程中，溫度條件不滿足，液態(tài)CO2在井筒內(nèi)便無法達(dá)到臨界溫度（31.26 ℃），則應(yīng)在地面就使用加熱裝置。在超臨界CO2壓裂初期，液態(tài)CO2以高溫高壓形式儲存于罐車中，隨后將CO2以這個狀態(tài)導(dǎo)入密閉混砂車，與支撐劑均勻混合，形成帶有支撐劑的壓裂液，隨后被導(dǎo)入高壓泵進(jìn)行加壓，將液態(tài)CO2被泵入井底，在此過程中CO2溫度和壓力升高，轉(zhuǎn)化為超臨界態(tài)CO2；進(jìn)入儲集層裂縫后，CO2溫度上升、壓力下降，狀態(tài)保持在超臨界態(tài)；于是超臨界CO2開始進(jìn)行吸附CH4進(jìn)行驅(qū)替；返排時，迅速降壓，CO2以氣態(tài)形式返排至地面。

雖然中國CO2泡沫壓裂工藝已較為成熟，但是在天然氣井高壓注入CO2氣體時，由于氣體攜砂困難，很難撐開地層裂縫，造縫困難?？梢允褂贸R界CO2進(jìn)行現(xiàn)場試驗，具體實施時，最好選一口已經(jīng)壓裂過的二輪壓裂井進(jìn)行對比試驗，現(xiàn)場試驗的目的是驅(qū)替頁巖氣中20%～85%吸附氣。在第一輪壓裂后已建立了立體裂縫，可以溝通儲層與井眼，但此時這些裂縫僅能排出地層中的絕大部分游離氣，絕大部分吸附氣仍然無法排出，所以在進(jìn)行第二輪超臨界CO2作業(yè)時，可以先加壓使CO2超過其臨界點，然后燜井一段時間，以達(dá)到驅(qū)替吸附氣的目的。

之后的壓裂工藝、裝備與常規(guī)CO2壓裂無異，分段壓裂技術(shù)主要用于建立縱橫交錯的立體裂縫，達(dá)到溝通儲層與井眼的目的，是超臨界CO2壓裂的最佳壓裂手段[9]。

4 超臨界CO2壓裂難題

目前超臨界CO2壓裂技術(shù)并不成熟，超臨界流體制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是由于超臨界CO2流體的黏度比水低很多，攜砂能力比液態(tài)CO2差，為了解決這一難題，需要在超臨界CO2壓裂中加入增稠劑，來提高壓裂液黏度，以提升壓裂液攜帶支撐劑的能力以及懸砂效果，減緩支撐劑沉降速率，降低地層濾失量，增大裂縫波及體積，以提高采收率。但是目前國內(nèi)CO2稠化研究進(jìn)展緩慢[10-12]。

而且CO2作為超臨界流體，在制備超臨界CO2壓裂液時，CO2氣體捕獲、增壓、運輸產(chǎn)生的費用昂貴，由于壓力過大，大量的運輸液態(tài)CO2，運輸不便的同時，還會帶來安全隱患。施工過程中，由于CO2是在井筒中由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)， 因此要對CO2相變過程進(jìn)行精確的控制，可以通過研究CO2壓裂液在井筒中的流變性來控制施工參數(shù)，但對于某些淺井，由于井深較淺，在井筒內(nèi)無法實現(xiàn)CO2由液態(tài)向超臨界態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此需要增加地面加熱設(shè)備。超臨界CO2流體穿透性強，對壓裂施工設(shè)備的密封性與防穿刺能力要求較高，因此需要對壓裂施工設(shè)備的材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。

此外，在返排過程中，超臨界CO2會由超臨界態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，此過程所需時間很短，且超臨界CO2體積急劇膨脹，此過程壓力過大，若井控裝置無法達(dá)到壓力要求，則易發(fā)生事故，因此在作業(yè)過程中要采用專門的井控裝備。要嚴(yán)格控制施工過程中溫度、壓力，防止事故的發(fā)生。此外，現(xiàn)場施工還需要專門的設(shè)備進(jìn)行回收或處理CO2溫室氣體，此舉增加現(xiàn)場施工作業(yè)的成本[13-15]。

5 展望

超臨界CO2壓裂液作為一種新型壓裂液，是目前新型壓裂液研究的重點，在未來壓裂施工中起著重要的作用。而超臨界CO2壓裂液在壓裂過程中，對于溫度和壓力的變化可以通過分析超臨界CO2壓裂液在井筒中的流變性來控制，而在施工過程中超臨界CO2壓裂液在裂縫中的流變性，對研究縫內(nèi)超臨界CO2攜砂運移規(guī)律、超臨界CO2壓裂過程中的造縫機理、支撐劑的最佳尺寸以及支撐劑由主裂縫進(jìn)入縫網(wǎng)的條件有很大幫助，可為超臨界CO2 壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用及實際施工作業(yè)提供參考。

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