CO2壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

閆琪(延長(zhǎng)氣田質(zhì)量監(jiān)督中心，陜西 延安 716000)

0 引言

國(guó)外于20世紀(jì)50年代開始CO2泡沫壓裂試驗(yàn)，1981年純液態(tài)CO2壓裂技術(shù)首次于加拿大應(yīng)用并申請(qǐng)專利，1986年德國(guó)成功進(jìn)行了CO2泡沫壓裂，其后美國(guó)開展了大量的CO2泡沫壓裂。20世紀(jì)90年代起，吉林、大慶等油田開始CO2伴注和吞吐解堵方面嘗試性試驗(yàn)，2010年延長(zhǎng)氣田開始CO2泡沫壓裂試驗(yàn)；2013年，國(guó)內(nèi)首例(蘇東44-xx井)純液態(tài)CO2壓裂試驗(yàn)在蘇里格氣田獲得成功，2015年，延長(zhǎng)氣田在云頁(yè)4井上進(jìn)行了純液態(tài)CO2壓裂試驗(yàn)。

1 CO2壓裂的技術(shù)特點(diǎn)

(1) CO2流動(dòng)性強(qiáng)，破巖能力強(qiáng)，可以流入儲(chǔ)層的微裂隙，形成更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，更好的溝通儲(chǔ)集層[1]；(2) CO2具備比甲烷更強(qiáng)的吸附力，可置換出吸附于母巖(特別是致密砂巖氣(孔隙度＜10%，滲透率＜0.5 mD，含氣飽和度＜60%)，煤層氣和頁(yè)巖氣)中的甲烷，從而提高天然氣的產(chǎn)量，并實(shí)現(xiàn)部分CO2的永久埋存；(3) CO2的酸性可以阻止微粒運(yùn)移，抑制粘土膨脹，減少基質(zhì)傷害；(4)與N2相比CO2與地層流體的相容性更好，單位體積具有更高的返排能量(體積膨脹系數(shù)1:517)，界面張力低能有效降低水鎖傷害，返排更迅速更徹底；(5)純液態(tài)CO2在汽化后，無(wú)水相，殘?jiān)?，僅有支撐劑留在地層，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

2 CO2壓裂技術(shù)分類及應(yīng)用

2.1 CO2增能壓裂

定義：液態(tài)CO2、CO2泡沫(泡沫質(zhì)量一般小于52%)以前置液、后置液的形式泵入地層增加地層返排能量，幫助壓裂液快速破膠并迅速返排，主要適用于低壓、弱水敏儲(chǔ)層。

延長(zhǎng)田 在Y865、Y1106、Y1159、Y1159-3、H 2-1井采用前置液態(tài)CO2增能壓裂工藝施工，層位都是山西組，Y865井、Y1159-3井無(wú)氣無(wú)液，Y1106井無(wú)阻30 443 m3/d，Y1159井44 029 m3/d，H 2-1井28 845 m3/d。

通過(guò)對(duì)比Y1106井、Y1159井、H 2-1井的測(cè)井曲線，Y1159井砂體厚度大、純度高，挖掘效應(yīng)明顯；Y1106井與H 2-1井相比，Y1106井山23層在砂體厚度、巖性、挖掘效應(yīng)方面的顯示均較好，氣測(cè)顯示也均較H2-1井好。

通過(guò)對(duì)比得出結(jié)論：

(1)從山23砂體展布趨勢(shì)上看，Y1106、Y1159井到H 2-1井之間表現(xiàn)出由東北到西南儲(chǔ)層條件逐漸變差的情況。

(2)Y1106、Y1159井實(shí)測(cè)井底靜壓較H2-1井高，說(shuō)明前2口井地層能量較H2-1大。

綜上，從儲(chǔ)層條件及壓后效果分析來(lái)看，H2-1井試氣成果較為理想，達(dá)到增產(chǎn)預(yù)期。

延安氣田CO2增能壓裂效果分析如表1所示。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：CO2增能壓裂技術(shù)具有較高的返排效率；根據(jù)儲(chǔ)層壓力系數(shù)設(shè)計(jì)增能比；增能比與自噴返排率、自噴返排時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)。

2.2 CO2泡沫壓裂

2.2.1 工藝特點(diǎn)

(1)由于CO2內(nèi)相的存在，降低壓裂液使用量(僅為30%～50%)，減少了入地液量；(2)濾失低、黏度高、密度低、易返排，有效排液時(shí)間較胍膠壓裂液短；(3)CO2界面張力低，可進(jìn)入更小的儲(chǔ)層微裂隙，可減輕水鎖和水敏傷害；(4)CO2泡沫流體的酸性介質(zhì)(pH=4～5)，能夠抑制粘土膨脹，減少顆粒分散運(yùn)移，降低固相傷害；(5)耐溫、耐剪切性能好；(6)不能在堿性交聯(lián)壓裂液體系(常規(guī)羥丙基胍膠)中使用；(7)具有較高的沿程摩阻，施工壓力高。

2.2.2 CO2泡沫壓裂液綜合性能

測(cè)試綜合性能采用的CO2壓裂液試驗(yàn)配方：0.6%改性胍膠+1.0%起泡劑+0.05%殺菌劑+1%粘土穩(wěn)定劑+0.1%破乳助排劑+0.06%破膠劑+1.5%酸性交聯(lián)劑。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn) CO2泡沫壓裂液在耐溫、耐剪切性能、濾失和傷害性能、破膠性能、粘彈特性、摩阻特征(27/8)方面均優(yōu)于胍膠壓裂液。

2.2.3 應(yīng)用實(shí)例

在Y563井、Y355井、S3井用CO2泡沫壓裂技術(shù)進(jìn)行了舊井重復(fù)壓裂，Y563壓前無(wú)阻流量為10 438m3/d，壓后為18 716 m3/d，Y355井壓前無(wú)阻流量為5 059 m3/d，壓后為9259 m3/d，S3井壓前無(wú)阻流量為21 533 m3/d，壓后為99 293 m3/d，均增產(chǎn)80%以上，在Y673井、S261、Y310井、C51這幾口新井也用CO2泡沫壓裂技術(shù)進(jìn)行了改造，這幾口井均位于相應(yīng)層位主砂體條帶的邊緣部位，地質(zhì)基礎(chǔ)較差，相對(duì)也獲得了不錯(cuò)的改造效果。

取得成果認(rèn)識(shí)一： CO2泡沫壓裂技術(shù)具有良好的增產(chǎn)效果[2]。

6口井均采用了變泡沫質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法，充分利用了泡沫液的低濾失、低傷害優(yōu)點(diǎn)，提高了造縫能力，但施工過(guò)程較難控制，可以看出6口井的綜合砂比均較低，延765井、Y310和S261井施工過(guò)程還發(fā)生了砂堵。

從施工過(guò)程來(lái)看，6口井的施工壓力并不高，因此可以認(rèn)為，在變泡沫質(zhì)量的施工方法中，攜砂液隨泡沫質(zhì)量的變化始終保持合適穩(wěn)定的砂比才是該工藝施工過(guò)程控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

取得成果認(rèn)識(shí)二： 砂比控制是該工藝的核心質(zhì)量控制點(diǎn)。

表1 延安氣田CO2增能壓裂效果分析

2.3 CO2干法壓裂

2.3.1 工藝特點(diǎn)

(1)無(wú)水相，壓裂改造后僅有支撐劑和少量添加劑留在地層中，避免了水相造成的水敏或水鎖等儲(chǔ)層滲透率傷害；(2)無(wú)殘?jiān)?，不?huì)對(duì)儲(chǔ)層和支撐裂縫滲透率造成殘?jiān)鼈Γ蹬怕?00%；(3)流動(dòng)性強(qiáng)，可以流入儲(chǔ)集層中的微裂縫，更好地溝通儲(chǔ)集層；(4)液態(tài)CO2黏度低(在儲(chǔ)層環(huán)境下約0.03～0.10 mPa·s)，攜砂性能差，形成的裂縫體積小，閉合快，對(duì)排量砂比較敏感，施工難度大。

2.3.2 典型配方

1.5%-2.0%TNJ＋(98.5%-98%)液態(tài)CO2在溫度62~63 ℃、壓力15~20 MP a實(shí)驗(yàn)條件下，1.5%TNJ＋98.5%CO2壓裂液黏度為5~9 mPa·s；2%TNJ＋98%CO2壓裂液黏度6~10 mPa·s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1.5%~2.0%提黏劑加量下，超臨界CO2黏度提高了240~490倍，較大幅度地提高了CO2的黏度。

2.3.3 摩阻特征

(1) 隨著排量的增加，清水和液態(tài)CO2摩阻梯度均相應(yīng)增大，但清水增加的幅度更快。

(2) 排量等于3.0 m3/min時(shí)，兩者摩阻梯度基本相當(dāng)。

(3) 排量大于3.0 m3/min時(shí)，清水摩阻梯度大于液態(tài)CO2，且差距越來(lái)越大。

(4) 排量小于3.0 m3/min時(shí),清水摩阻梯度略小于液態(tài)CO2，且差距越來(lái)越小。

2.3.4 施工參數(shù)

施工參數(shù)典型取值為：施工排量4.0～8.0 m3/min，前置液比例20%～30%，支撐劑為40/70目陶粒，加砂濃度為100～200 kg/m3。

2.3.5 工藝流程

CO2罐車中的CO2通過(guò)CO2增壓泵車進(jìn)入密閉混砂裝置，提黏劑也通過(guò)泵注裝置進(jìn)入密閉混砂裝置，CO2、提黏劑、支撐劑在混砂裝置混合后通過(guò)主壓車進(jìn)入地層。

2.3.6 設(shè)備配置

超臨界CO2壓裂使用的主要設(shè)備有：CO2罐車、 密閉混砂車、壓裂泵車、壓裂管匯車。CO2密閉混砂車是CO2干法壓裂的關(guān)鍵設(shè)備。

2.3.7 應(yīng)用實(shí)例

在云頁(yè)4井開展了頁(yè)巖氣無(wú)增粘CO2干法壓裂。加入支撐劑10 m3，泵入液態(tài)CO2385 t，施工排量4 m3/min，砂比最高達(dá)10%。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)純液態(tài)CO2黏度很低，在20 ℃、10 MPa條件下其粘度只有0.1 mPa·s左右，因此提高攜砂性、降低濾失性是主要的技術(shù)攻關(guān)方向；

(2)液態(tài)CO2是牛頓流體，摩阻較高，導(dǎo)致施工排量受限，故應(yīng)研發(fā)一種適合液態(tài)CO2壓裂的高效減阻劑；

(3)在目前的增稠劑技術(shù)水平下，研制開發(fā)小粒徑超低密度的支撐劑可以有效提高攜砂效果；

(4)CO2密閉混砂車施工排量較小，不能滿足大規(guī)模施工作業(yè)，還需進(jìn)一步改進(jìn)升級(jí)；

(5)開發(fā)一套有CO2壓裂液描述模塊的全三維壓裂軟件作為CO2干法加砂壓裂設(shè)計(jì)的模擬軟件。