非常規(guī)天然氣儲層超臨界CO2壓裂技術基礎研究進展

孫寶江, 王金堂, 孫文超, 王志遠, 孫金聲

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室(中國石油大學(華東)),山東青島 266580; 2.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580; 3.中國石油集團工程技術研究院有限公司,北京 102206)

全球致密氣和頁巖氣資源量約為665.8×1012m3,是常規(guī)天然氣資源的1.415倍[1]。非常規(guī)天然氣儲層一般呈低孔隙度、低滲透率,低孔吼半徑的物性特征,氣流的阻力比常規(guī)油氣藏大得多,而且隨著埋深的增加,物性會變得更差[2]。如果不采用水力壓裂等儲層改造技術,很難獲得商業(yè)開采價值。非常規(guī)油氣的超低滲特性決定了壓裂施工過程中儲層保護的重要性,以及壓裂增產技術的高效性,傳統(tǒng)壓裂液對地層污染嚴重,壓裂液殘渣難以返排,且壓裂成本高,應用大規(guī)模水力壓裂增產勢必造成開發(fā)經濟效益差;目前北美普遍采用的清水壓裂和滑溜水壓裂[3],雖然成功促進了頁巖氣商業(yè)開采的發(fā)展,但這種技術不適用于水敏地層,且大規(guī)模的壓裂作業(yè)對于水資源的浪費,以及對地下水源造成的污染一直備受爭議,因此法國政府通過立法,禁止在本國采用大規(guī)模水力壓裂的方法開采頁巖氣[4]。結合中國水資源匱乏的國情和節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念,需要探索新型環(huán)保高效的壓裂技術[5]。SC-CO2壓裂是一種新型的非常規(guī)油氣藏儲層改造技術,具有常規(guī)水力壓裂不可比擬的優(yōu)勢。SC-CO2具有高密度、低黏度、低表面張力、高擴散系數,并具有良好的傳熱、傳質性能[6]。使用此壓裂液對儲層沒有傷害,可有效避免近井地層堵塞、保護油氣層、改善儲層滲透性,而且SC-CO2非常容易返排[7]。國內外研究證明，SC-CO2壓裂是非常規(guī)天然氣藏開發(fā)的有效手段,在SC-CO2與巖石的作用機制、濾失機制、吸附置換機制等方面完成了諸多研究成果的積累。筆者針對非常規(guī)天然氣儲層SC-CO2壓裂技術進行跟蹤調研,介紹非常規(guī)天然氣儲層壓裂改造技術應用現狀和非常規(guī)天然氣儲層SC-CO2壓裂改造基礎研究進展,分析SC-CO2壓裂非常規(guī)天然氣儲層濾失特性、相態(tài)控制技術、SC-CO2壓裂液增黏方法和SC-CO2壓裂液攜帶支撐劑跟隨性評價技術;提出SC-CO2壓裂設備及工藝流程。

1 非常規(guī)天然氣儲層壓裂改造技術應用現狀

由于基體致密、孔隙結構細小、滲透率低,非常規(guī)天然氣藏的開發(fā)需要采取壓裂增產措施才具有經濟效益。但對于儲層致密、物性差的非常規(guī)氣藏,使用水基壓裂液施工往往達不到理想的施工效果,究其原因主要是儲層孔隙細小、毛管力大,儲層孔壓低,壓裂液對儲層的傷害嚴重[8]。因此需要采用新型壓裂工藝來進一步解放這些特殊油藏的產能。

1.1 滑溜水壓裂液技術

針對非常規(guī)天然氣儲層,應用交聯(lián)壓裂液對儲層滲透率等傷害大,目前美國頁巖氣開發(fā)應用最多的是滑溜水壓裂液技術?；锼畨毫岩杭夹g主要用清水作為壓裂液介質,并添加降阻劑、表面活性劑,使壓裂液既具有較高的黏度提高攜砂能力,又具有較好的減阻效果實現大排量泵注[9-10]。與常規(guī)壓裂設備相比,該技術不需要更換壓裂設備,因其施工過程中濾失量大,對排量要求高,壓裂設計時需要考慮大排量壓裂泵車。滑溜水壓裂液體系中降阻劑是核心,國內主要依賴進口,使壓裂成本大幅提高,開發(fā)降阻劑配方體系是滑溜水壓裂技術主要攻關方向[11]。

1.2 無水壓裂液技術

常規(guī)壓裂液大都以水為基本材料,在條件惡劣的山區(qū)或沙漠地區(qū),水在地面是稀缺寶貴資源,而配成壓裂液注入地下會對儲層造成嚴重傷害,壓后返排的廢液又會對地面造成嚴重污染[12]。因此更為先進的無水壓裂技術適用于這類地區(qū)。

目前,泡沫壓裂液、液態(tài)CO2壓裂液、N2壓裂液、LPG壓裂液和其他復合壓裂液技術已成功應用于現場實踐。泡沫壓裂液一般使用CO2或N2輔助水基壓裂液和起泡劑配置而成。第一代壓裂液體系起源于20世紀60年代,采用水+起泡劑+N2,主要適用于低壓氣井;20世紀80年代,逐步開發(fā)了水+起泡劑+聚合物的第二代壓裂液體系,同時添加了部分比例的N2或CO2增加壓裂液體系的穩(wěn)定性和黏度,可以適用于高壓氣井壓裂;20世紀90年代以來,泡沫壓裂液逐漸發(fā)展形成了以N2或CO2+水+起泡劑+聚合物+交聯(lián)劑的第三代壓裂液體系,可以應用于高溫高壓井、深井壓裂[13]。從1980年開始,液態(tài)CO2作為壓裂液在北美已成功應用;1994年,液態(tài)CO2/N2也應用于現場壓裂施工。早在20世紀60年代就提出可以利用CO2來進行壓裂、酸化等增產措施,詳細分析了CO2的物理化學性質在實施增產過程中的優(yōu)勢,比如幫助返排、防止黏土膨脹等,根據所統(tǒng)計的現場實驗數據和增產效果,認為CO2可以用來開展高效、快速以及潔凈的增產措施[6, 14-16]。CO2干法壓裂于20世紀80年代在北美首次現場試驗以來,已應用該技術完成了上千口井的壓裂施工,形成了配套裝備與工藝技術,廣泛應用于低滲透油氣藏的開發(fā)[17-20]。中國起步較晚,2000年長慶油田先后在榆林、靖邊等區(qū)塊氣井上實施CO2壓裂施工[21]。2002年,中原油田應用液態(tài)CO2壓裂、N2壓裂和泡沫壓裂技術對對泥盆系頁巖的15口壓裂井做了對比試驗:4口井用N2泡沫加支撐劑處理;7口井用N2處理,不帶支撐劑;4口井用CO2加砂處理;生產了37個月后,用CO2加砂處理的井的單井產氣量為用泡沫處理的井的產氣量的4倍,是N2處理的井產氣量的2倍[22]。2011年,蘇里格氣田在中國首次應用CO2干法壓裂現場試驗[23];吉林油田采用封閉加砂CO2壓裂施工技術,成功對致密油井壓裂改造[24]。延長油田2015年10月實施了陸相頁巖氣井CO2干法壓裂,壓裂過程中注入液態(tài)CO2385 m3,同時使用了超低密度支撐劑來提高運移效果。

現場CO2壓裂施工表明,由于CO2特有的物理化學性質,使其相對水力壓裂增產效果明顯;特別是對于低孔、低滲、低壓和高含黏土礦物儲層,CO2壓裂可提高壓后返排效率、降低儲層傷害、提高單井產量。由于該技術剛剛起步,相關的設備、工藝、理論技術需要進一步探索,指導現場施工實踐。

2 非常規(guī)天然氣儲層SC-CO2壓裂改造基礎研究

2.1 SC-CO2壓裂非常規(guī)天然氣儲層巖石起裂機制

由于SC-CO2具有零界面張力、擴散性好等特性,壓裂過程中SC-CO2更易進入儲層巖石微裂隙,能夠將壓力傳遞到巖石更深部位,產生復雜的裂縫網。王海柱等[25]通過實驗方法對比分析了SC-CO2壓裂與水力壓裂的起裂壓力,得出受SC-CO2黏度主導影響,SC-CO2壓裂起裂壓力比水力壓裂小,壓裂裂縫多為三維體積縫網,同時SC-CO2壓裂對巖石增滲效果明顯,對于頁巖巖石可以增加3～4個數量級。王磊[26]基于最大拉應力準則建立了SC-CO2壓裂煤層氣理論力學模型,發(fā)現相比清水壓裂壓后產生的裂紋類型多,形成的復雜縫網能夠實現高效滲流通道。對于致密砂巖儲層,葉亮等[27]開展了SC-CO2壓裂裂縫擴展實驗研究,發(fā)現SC-CO2壓裂起裂壓力比滑溜水壓裂低28.2%,低水平應力差下裂縫的復雜程度更高。經過調研發(fā)現SC-CO2壓裂非常規(guī)天然氣儲層巖石起裂機制依托SC-CO2低黏特性,使得壓裂液得以進入巖石更深部,起裂壓力低,但其深層次起裂機制仍需進一步探索。

2.2 SC-CO2在非常規(guī)天然氣儲層的濾失

壓裂液在裂縫內的濾失受裂縫內流體和地層壓差作用,由裂縫壁面滲流進入儲層。傳統(tǒng)的水力壓裂將濾失過程分為3個區(qū)域:濾餅區(qū)、侵入區(qū)和油氣區(qū),可以利用達西公式推導得出3個區(qū)域內的濾失系數;而裂縫內SC-CO2壓裂液濾失至非常規(guī)天然氣儲層沒有濾餅,并且屬于SC-CO2壓裂液與天然氣的兩相滲流過程。

控制液態(tài)CO2的濾失機制主要為:液相時的黏度、壓縮性以及處于氣相時的氣化能力;通過室內液態(tài)CO2濾失實驗發(fā)現巖心的大部分壓降產生于CO2發(fā)生膨脹的巖心部分,在低壓或高溫地層中,CO2較大的膨脹系數能夠降低CO2的濾失量,并且高流速帶來的紊流效應會導致CO2在裂縫壁面形成一種與速率相關的虛擬“濾餅”,共同影響CO2向地層濾失[28]。

目前,SC-CO2壓裂液的濾失研究鮮有報道,Ivory等[29]在實驗基礎上對液態(tài)CO2的濾失規(guī)律進行了研究,實驗表明,液態(tài)CO2的氣化膨脹使流動阻力增加,可使濾失量降低;液態(tài)CO2有效降低了實驗巖心中的含水飽和度,可提高壓裂后的產氣量。Wang等[30]考慮SC-CO2的物性特征、SC-CO2-巖石-CH4吸附作用的影響,建立了SC-CO2壓裂非常規(guī)天然氣儲層的兩相濾失速度計算模型,繪制了SC-CO2壓裂施工參數的濾失速度控制圖版。調研發(fā)現,SC-CO2壓裂液機制有了初步的認識,但仍需在SC-CO2壓裂液的濾失速度的控制方法上開展深入研究,以指導壓裂現場實踐。

2.3 SC-CO2壓裂液在裂縫內相態(tài)控制技術

基于SC-CO2流體性質的特點,SC-CO2壓裂液在壓裂過程中由于溫度壓力的改變會發(fā)生相態(tài)變化,呈現氣態(tài)、液態(tài)、超臨界態(tài)3種相態(tài),而處于超臨界態(tài)的CO2壓裂液具有氣液雙重特性,是壓裂過程中裂縫內的理想相態(tài)。地面上的CO2被存儲在液體狀態(tài)儲存罐,CO2壓裂過程中所需的溫度和壓力均比罐內儲存的液態(tài)CO2高。因此需要地面高壓泵對CO2加壓,地面加熱設備進行升溫,以達到CO2壓裂所需的注入溫度和壓力條件[31]。

2.3.1 SC-CO2井筒及裂縫內溫度、壓力場計算

CO2壓裂液在裂縫內的相態(tài)控制主要受裂縫內的溫度場及壓力場控制,井筒與裂縫內的溫度場、壓力場通過耦合計算求解。對于井筒內的裂縫溫度場研究,Ramey[32]考慮井筒及地層的比熱容和熱阻差異,引入總導熱系數,提出了井筒溫度場隨時間和井深變化的計算公式。Hasanr等[33]提出無量綱溫度的概念,描述了井筒內流體與周圍地層的瞬態(tài)傳熱過程,并建立了井筒內氣體流動的溫度場方程。隨后,Hagoort等[34]也相繼建立了氣井生產過程中的井筒流體溫度場方程。井筒內流動的氣體為CO2時,很多學者在以往模型的基礎上,結合CO2的物性變化規(guī)律及流動特性,進行了溫度場規(guī)律分析。Cronshaw等[35]首先建立了井筒內CO2非穩(wěn)定流動的溫度場模型。近幾年來,隨著現場試驗的增多,Xu等[36]、Yasunami[37]以及Paterson等[38]也相繼對CO2注入或生產過程的井筒溫度場變化規(guī)律進行了較為完善的分析。

裂縫及近縫地帶溫度場,考慮地層中的熱傳導、對流以及沿裂縫方向的熱對流作用,Kamphluss等[39]提出了一種考慮裂縫、濾失帶和儲層溫度分布的裂縫溫度場數值求解方法(K-D-R方法),成為一種相對完善的裂縫溫度場求解算法。近幾年來,氣體和泡沫等非常規(guī)壓裂液在油氣藏(特別是致密油氣藏)中的應用得到了較大的發(fā)展。Lillies等[40]和Adeboye等[41]較早對液態(tài)CO2在壓裂中的應用進行了初步的研究。隨后,Ribeiro等[42]結合室內實驗和現場實例對SC-CO2乳狀液或CO2泡沫在裂縫內的流動規(guī)律進行了一定的規(guī)律分析。Wang等[43]提出了針對SC-CO2壓裂考慮流動功的SC-CO2的裂縫內溫度場計算模型,為SC-CO2壓裂設計提供了理論基礎。

對于傳統(tǒng)的水力壓裂,壓力場的計算較為簡單,Alain等[44]對單無限導流能力裂縫非穩(wěn)態(tài)壓力分布進行了研究。在無限大油井垂直裂縫中,假設導流能力無限大、流量穩(wěn)定,對于一定長度的單裂縫分成M段,得到了各段的壓降方程。Vandamme等[45]通過對三維橢圓裂縫水力壓裂模型進行計算,得出裂縫內的壓力分布受壓裂液的黏度、流量、地應力梯度和裂縫的平面幾何形態(tài)影響。Daneshy[46]討論了水力壓裂裂縫中的壓力分布與裂縫參數的關系,分析得出裂縫寬度和流體壓力隨裂縫長度的增加而顯著降低。Mou等[47]通過坐標變換,對不可壓穩(wěn)定流流體的3維N-S方程進行求解,獲得了考慮濾失裂縫內的速度場和壓力分布。

2.3.2 控溫法SC-CO2壓裂裂縫內相態(tài)控制思路

當CO2壓裂液在循環(huán)回路中正常流動時,安裝在井筒入口管線處和出口管線處的壓力傳感器、溫度傳感器和質量流量計可測量出CO2壓裂液的實時壓力、溫度和流量數據,通過數據傳輸系統(tǒng),將壓力、溫度和流量數據輸送到地面工控機處,通過CO2壓裂液多相流動模型計算得到井筒和裂縫內CO2壓裂液的溫度和壓力分布,根據CO2的相平衡條件來實時判別井筒和壓裂裂縫內CO2流體所處的相態(tài)[48]。

如果裂縫入口處CO2沒有處于超臨界狀態(tài),則工控機可以發(fā)出溫度調節(jié)指令,控制安裝在井口注入管線處的熱交換裝置,用于提高CO2壓裂液井口注入溫度,隨著壓裂液注入溫度升高,相變點的位置由井筒內向縫端移動;改變CO2壓裂液的注入溫度,計算出井筒和裂縫內溫度和壓力剖面,進而判斷出CO2在裂縫內的相態(tài)分布,直到保證進入裂縫內的CO2始終處于超臨界相態(tài),利用SC-CO2特殊性質壓開儲層。

2.4 SC-CO2增黏劑的設計、評價及其作用機制

2.4.1 SC-CO2增黏劑研發(fā)的主要難點

增黏劑分子設計需要從復雜的結構分析中找出與其性能的對應關系,通過用理論或模擬計算得到滿足性能的分子結構。SC-CO2增黏劑研發(fā)的主要難點[49]包括:①目前尚未發(fā)現商品化合物可直接用作CO2增黏劑,須設計、合成具有特殊組成和結構的增黏劑分子;②所設計的增黏劑必須同時具備在CO2中的溶解性和增黏性,而且溶解性是前提條件;③須深入分析增黏劑在CO2中的作用機制,考察增黏劑-CO2體系的分子間相互作用,評價增黏劑結構、組成與其性能之間的關系;④如果需要添加助溶劑才能使增黏劑溶解在CO2中,則增黏劑與助溶劑之間的配伍性研究是必須的。

設計CO2增黏劑要在了解材料的分子結構與性能之間關系的基礎上,合成出具備所需性能的特定結構的分子。對聚合物而言,其結構特征包括鏈柔性、玻璃化轉變溫度、自由體積、親CO2性及疏CO2性等。聚合物的結構如重復單元的化學組成和構象、分子鏈的大小和形態(tài)以及其聚集態(tài)結構均對其性能有影響。通常聚合物性能是分子鏈柔性和分子間相互作用在其性質上的反映,主要影響因素包括主鏈結構、側鏈極性和分子鏈長度等。

2.4.2 增黏劑的作用機制

分子模擬和計算機技術的發(fā)展,使分子結構與性能關系的描述不僅定性化,而且逐漸定量化。利用分子模擬技術實現分子設計的模型化,有助于順利實現功能高分子的設計,并且可以從微觀角度認識材料,從深層次得到分子結構與性質之間的關系。

Blathford等[50]進行了液態(tài)和超臨界態(tài)CO2結構的從頭計算分子模擬,分析了特定結構與電子特性如電子吸收、偶極矩和四極矩之間的關系,認為極化效應在液態(tài)條件下起顯著作用,而結構變化在超臨界條件下更為重要。Tsukahara等[51]進行了CO2-羰基化合物的復合物的第一性原理分子軌道計算,研究了不同幾何構型復合物中的相互作用,認為CO2與羰基氧之間的特殊相互作用可以用路易斯酸-堿相互作用來描述。Chandrika等[52]通過從頭計算研究了CO2與烷烴、氟烷烴之間的相互作用,認為CO2與四氟乙烷和四氟丙烷的極性氟甲基與CO2間存在穩(wěn)定的偶極-四極相互作用,對整個體系的相互作用能起了重要作用。

量子化學計算只能模擬絕對零度下、真空中的較小體系,無法模擬較大的增黏劑分子。應采用能夠模擬實際溫度、壓力作用的全原子分子動力學模擬方法,將其與高精度量子化學模擬相結合。并將分子模擬等理論方法與實驗方法相結合,研究CO2體系的分子間相互作用和微觀結構,為SC-CO2增黏劑分子的設計提供理論指導。Sun等[53-55]建立了備選聚合物增黏劑-CO2體系的全原子分子模型,進行了恒溫恒壓條件下的分子動力學模擬,分析了體系的相互作用能、內聚能密度、溶解度參數、聚合物平衡構象和徑向分布函數等分子行為和微觀結構信息,將其余實驗評價結果相結合,分析了共聚物組成、結構與其在SC-CO2中性質的關系,研究了增黏劑在SC-CO2中的作用機制。研究表明,親CO2基團的存在可以增強共聚物-CO2的相互作用能,但親CO2基團間的排斥作用往往對共聚物的增黏性能不利。疏CO2的締合基團雖然降低了共聚物的親CO2性,但使其可以通過分子間聚集有效地提高SC-CO2的黏度。共聚物中不同基團的含量應加以優(yōu)化,達到溶解性和增黏性之間的平衡,這是開發(fā)SC-CO2聚合物增黏劑的指導原則之一。

2.4.3 SC-CO2增黏劑的設計與評價

對設計CO2增黏劑而言,首先要解決備選增黏劑在CO2中的低溶解性問題。Hu等[56]通過從頭計算和全原子分子動力學模擬進行了親CO2材料的設計工作,評價了Poly(vinyl acetate)、Poly(vinyl acetate-alt-maleate) 和Poly(vinyl acetate-co-alkyl vinyl ether)等的親CO2特性,得到了較好的結果,但其研究并未涉及聚合物在SC-CO2中的增黏性能。

親CO2聚合物并不一定能夠有效提高CO2的黏度。例如,Combes等[57]和Guan等[58]發(fā)現5%～10%的氟化丙烯酸酯均聚物僅可以使CO2黏度增大3～6倍。這是由于聚合物鏈間相互作用過弱,使其無法在CO2中有效締合。這與HFDA基團中氟原子的強電負性和氟斥力有關。親CO2基團則有助于共聚物在SC-CO2中的溶解,但基團間的排斥作用往往對共聚物的增黏性能不利。共聚物中的締合基團使其可以通過分子間聚集有效地提高SC-CO2的黏度。Sun等[53-55]通過分子模擬輔助設計手段,進行了聚合物類SC-CO2增黏劑的設計、合成和評價工作,并設計、合成了一系列親CO2的含氟單體與直鏈烷烴、支鏈烷烴、環(huán)鏈烴的共聚物,并評價了增黏劑在SC-CO2中的溶解性能和增黏性能,研發(fā)的含氟單體-環(huán)鏈烴共聚物可以使SC-CO2的黏度提高411倍,而含氟單體-直鏈烷烴-環(huán)鏈烴三元共聚物則能達到846倍。

2.5 SC-CO2壓裂液裂縫內攜帶支撐劑跟隨性評價技術

裂縫中SC-CO2壓裂液裂縫內攜帶支撐劑跟隨性評價理論,包括支撐劑沉降理論和支撐劑的運移,對于牛頓流體,國外學者根據固相顆粒沉降雷諾數可分為層流區(qū)、過渡區(qū)、紊流區(qū)降以及邊界層紊流區(qū)的沉降,對應的給出了沉降速度與阻力系數關系式(Stoks[59])。郭建春等[60]考慮了支撐劑對流、濾失及溫度分布,引入了支撐劑的對流質量傳遞方程,建立了支撐劑運移模型。沈忠厚等[61]利用CFD數值模擬軟件,對不同黏度、不同密度超臨界CO2流體在水平井段的攜巖規(guī)律進行了模擬。Houd等[62]配合高速攝像機,對裂縫內支撐劑在SC-CO2中的沉降規(guī)律進行了實驗研究,回歸得到了支撐劑在SC-CO2中的沉降速度冪率關系式;分析了支撐劑在SC-CO2中的跟隨性效果,認為支撐劑在SC-CO2中的跟隨性遠高于在空氣中的跟隨性,小于且接近于在滑溜水中的跟隨性。

針對支撐劑輸送理論,描述支撐劑輸送規(guī)律的數值模型可以分為:連續(xù)介質模型和沉降模型。連續(xù)介質模型是把壓裂液和支撐劑顆粒體系看作是連續(xù)介質,對懸浮狀態(tài)下的壓裂液與支撐劑顆粒體系建立兩相流體輸送方程,并對其進行數值求解(Babcock等[63])。Clifton[64]在壓裂過程中逐漸建立了壓裂液運動方程和支撐劑運動方程,并得到了支撐劑的輸送過程;Barree[65]進一步提出了裂縫中受攜砂液運動速度控制的支撐劑運移機制,分析了壓裂液速度對支撐劑運移的影響規(guī)律。對于低黏度的壓裂液,沉降理論模型適用性更廣,低黏攜砂液進入裂縫以后,支撐劑較快發(fā)生沉積,在裂縫底部形成穩(wěn)定的砂堤床,隨著砂堤高度的增加,裂縫內砂堤上方過流斷面減小,進而壓裂液流速增加,紊動能增加,砂堤表面的支撐劑顆粒在高速紊動壓裂液的攜帶下重新被卷起,直至支撐劑的沉降和卷起狀態(tài)達到動態(tài)平衡,砂堤高度保持穩(wěn)定,隨后,壓裂液攜帶支撐劑進一步向裂縫趾端運移(Gadde[66])。

總之,影響裂縫內SC-CO2壓裂液攜帶支撐劑的主導因素為壓裂液的黏度、紊動能力和兩者之間的密度差,在厘清裂縫內SC-CO2壓裂液攜帶支撐劑運移理論模型基礎上需進一步探索不同裂縫形態(tài)、增黏后SC-CO2壓裂液體系對攜帶支撐劑運移效率的影響,為SC-CO2壓裂現場施工水力參數設計提供指導。

3 SC-CO2壓裂設備研發(fā)方向及工藝流程

3.1 SC-CO2壓裂設備及未來研發(fā)方向

2017年,延長油田進行了全球首次頁巖氣SC-CO2壓裂現場試驗。SC-CO2壓裂設備[67-68]包括CO2罐車、增黏劑液罐、CO2增壓泵車、CO2加熱控制系統(tǒng)、靜態(tài)混合器、密閉混砂車、壓裂泵車、CO2井口供液撬、低壓管匯、高壓管匯和壓裂井口組成,形成一個密閉的支撐劑加入系統(tǒng)。SC-CO2閉環(huán)壓裂現場管匯和車輛布置具體示意圖,如圖1所示。其中,CO2加熱控制系統(tǒng)是保證井口泵注的液態(tài)CO2到達縫口前處于超臨界態(tài),應用于對于無法實現將CO2壓裂液通過地層加熱至超臨界態(tài)的淺井[69]。

圖1 SC-CO2壓裂現場布置Fig.1 SC-CO2 fracturing field layout

相對常規(guī)壓裂設備,對于加砂控制系統(tǒng),SC-CO2壓裂使用密閉混砂車攪拌混砂,保證支撐劑均勻分散,可精確控制砂體積分數。對于支撐劑要求,得益于增稠劑增黏效果較好,降低了對支撐劑類型選擇要求,可選用普通低密度支撐劑。對于設備要求,設備配備與水基壓裂差別不大,只需配備CO2增壓泵、比例泵、配套高低壓管匯、改換CO2壓裂泵車密封件等即可。由于SC-CO2具有一定腐蝕和穿透性,壓裂泵車的柱塞泵密封圈選用金屬密封圈,與常規(guī)壓裂設備相比更耐腐蝕、耐高壓。因此在SC-CO2壓裂設備方面未來需要在耐腐蝕密封性好的高壓管線、大排量高壓泵、高效能混砂設備、CO2壓裂相態(tài)精細控制系統(tǒng)和井口壓裂液均勻快速加熱控制系統(tǒng)等方面進行攻關研發(fā),為SC-CO2壓裂現場規(guī)模應用提供設備支撐。

3.2 SC-CO2壓裂工藝流程

SC-CO2壓裂技術使用純CO2作為壓裂介質,液態(tài)CO2從罐車(儲罐)中被吸出,通過增加泵加壓,增加泵上配備小排量比例泵從增稠劑罐中吸取增稠減阻劑與液態(tài)CO2混合,泵送至靜態(tài)混合器內進行充分溶解混合,其中加熱控制系統(tǒng)對井口注入SC-CO2壓裂液溫度的動態(tài)調節(jié),保證CO2壓裂液進入裂縫中達到超臨界狀態(tài)。需要加砂時,密閉混砂車將支撐劑混入SC-CO2壓裂液中,在密閉的系統(tǒng)內完成設定砂比的混砂工作;含有一定砂比的SC-CO2壓裂液通過壓裂泵車將SC-CO2壓裂液增壓至井底裂縫壓裂所需壓力。CO2井口供液撬為井口注入的CO2壓裂液緩沖,并可以動態(tài)調節(jié)CO2的注入排量和注入壓力。目前,適用于SC-CO2壓裂液井筒內流動高效減阻劑和提高支撐劑攜帶效率的低成本增黏劑還未見應用報道;現有的SC-CO2壓裂施工水力參數計算方法不能有效指導現場壓裂施工,CO2壓裂流動安全無法保障,亟需在相關基礎理論方面開展研究,指導SC-CO2壓裂設計。

4 結束語

SC-CO2壓裂可以實現非常規(guī)天然氣儲層高效開發(fā),目前國內針對SC-CO2壓裂技術研究剛剛起步,還未得到大規(guī)?，F場應用。非常規(guī)天然氣儲層SC-CO2壓裂技術還需在以下幾個方面深入開展研究:①結合SC-CO2壓裂現場施工工藝,優(yōu)化SC-CO2壓裂井筒及裂縫內的溫壓場計算模型,實現SC-CO2壓裂相態(tài)精準控制,并完善SC-CO2壓裂水力參數優(yōu)化設計方法;②雖然含氟共聚物增黏劑對SC-CO2有較好的增黏效果,但其難以兼容經濟性和環(huán)保性,需進一步開展不含氟、碳氫類聚合物增黏劑,以及碳氫聚合物-助溶劑的配伍性的研發(fā)工作,同時能夠在CO2中形成蠕蟲狀膠束的表面活性劑也可作為備選CO2增黏劑;③研發(fā)低密度支撐劑,以實現SC-CO2壓裂液對其高效輸送,減小砂堵的風險;④進行SC-CO2壓裂設備防腐和密封的優(yōu)選配置、探索SC-CO2壓裂流動保障技術,滿足SC-CO2壓裂安全需求。