“雙碳”背景下非常規(guī)油氣藏CO2壓裂技術(shù)研究進展

＊胡小茜 魯守飛 翟亮 武楊青 楊雯欣

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院 湖北 430100）

在第75屆聯(lián)合國大會上中國提出將力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”，國家戰(zhàn)略中的“碳達峰”是指碳的排放量達到峰值不再增加，開始由增轉(zhuǎn)降；“碳中和”是指碳的排放量和清除量基本達到平衡，通過技術(shù)創(chuàng)新和進步將所排放的CO2對自然環(huán)境的影響降低到凈零程度。CO2的捕集、壓裂、驅(qū)油與埋存是將CO2從工業(yè)或能源生產(chǎn)相關(guān)的氣源中分離出來，輸送到適宜油田用于增采石油，同時封存CO2的技術(shù)集合，未來CO2壓裂技術(shù)通過配套設(shè)備研發(fā)、工藝優(yōu)化、相關(guān)標準完善等措施必將促使我國的非常規(guī)油氣綠色高效開發(fā)。

1.CO2壓裂技術(shù)特點

我國擁有豐富的非常規(guī)油氣資源，主要有頁巖油氣、煤層氣、致密砂巖油氣等。其特征是儲層致密、儲層物性差、油氣井無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能非常低，必須通過壓裂改造等非常規(guī)手段才能獲得油氣。隨著我國油氣資源勘探開發(fā)力度逐漸地加大，非常規(guī)油氣的占比不斷增加，成為油氣開發(fā)的重中之重。CO2壓裂技術(shù)的特點表現(xiàn)在：（1）CO2流動性與破巖能力強，可以流入儲層的微裂隙形成更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，利于溝通儲集層；（2）CO2吸附力更強，可置換出吸附于母巖中的甲烷，提高天然氣產(chǎn)量，并將部分CO2永久埋存；（3）CO2的酸性可以阻止微粒運移，抑制粘土膨脹，減少基質(zhì)傷害；（4）CO2具有更高的返排能量，界面張力低，能降低水鎖傷害，返排更迅速徹底；（5）純液態(tài)CO2在汽化后，無殘渣和無水相，僅支撐劑留存在地層，能避免對儲層造成傷害。

2.非常規(guī)油氣藏CO2壓裂技術(shù)國內(nèi)外研究進展

（1）CO2泡沫壓裂技術(shù)。在CO2泡沫壓裂液體系中，氣相CO2屬于分散相，液相為分散介質(zhì)。液相一般由凍膠、鹽水、活性劑等組成。其中凍膠能增大體系的粘度，活性劑起穩(wěn)定作用，能增強體系的攜砂能力與造縫能力。把CO2與攜砂液同時注入井口形成泡沫，并用這種泡沫液進行攜砂，當泡沫質(zhì)量不低于52%時為泡沫壓裂技術(shù)。與常規(guī)壓裂相比優(yōu)點有：①泡沫具有良好的穩(wěn)定性，泵注壓力相對較低；②攜砂性較好，黏度較高，造縫能力較強，濾失性較低；③壓裂液適用于低壓低滲、水敏油氣層；④壓裂液能助排、降粘、降阻。CO2泡沫壓裂的缺點是：水基壓裂液用量較少導(dǎo)致施工中提高砂比困難，且施工壓力較高。20世紀70年代，國外開始了泡沫壓裂液的相關(guān)研究，CawiezelKE等人[1]研制出一種由0.48% HPG+起泡劑+CO2組成的非交聯(lián)型CO2泡沫壓裂液，并成功在加拿大和美國等油氣田的改造中應(yīng)用；該團隊接著采用羧甲基羥丙基瓜爾膠稠化劑和一種酸性交聯(lián)劑研究了轉(zhuǎn)向交聯(lián)型CO2泡沫壓裂液，在加拿大的淺層氣藏成功應(yīng)用；到21世紀，泡沫壓裂技術(shù)更是得到大力發(fā)展，2016年國內(nèi)蘇里格氣田進行的CO2泡沫壓裂施工顯示出該技術(shù)對低滲致密氣藏良好的適應(yīng)性；延長石油集團用小分子表面活性劑形成具有黏彈性的CO2清潔壓裂液，使儲層傷害降到20%以下，成本降低了約15%；楊浩瓏等[2]研發(fā)了WG-2型CO2泡沫雙子表面活性劑清潔壓裂液,經(jīng)過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)日產(chǎn)油量是鄰井采用羥丙基胍膠壓裂液的2倍多，增產(chǎn)效果優(yōu)良，表明該壓裂液在非常規(guī)油氣儲層壓裂改造中具有良好的前景。此外國內(nèi)在泡沫壓裂液方面還有許多學(xué)者專家如宋瑞、李小剛、宋峙潮等[3-4]也在做相關(guān)研究工作。

（2）CO2前置增能壓裂技術(shù)。CO2前置增能壓裂是將液態(tài)CO2作為壓裂前置液，結(jié)合滑溜水、凍膠等水基壓裂液進行儲層改造的增產(chǎn)技術(shù)。與常規(guī)水力壓裂相比，具有返排迅速、壓后增能、單井產(chǎn)能高、對儲層傷害小的優(yōu)勢，在非常規(guī)油氣藏高效開發(fā)中起著重要作用。CO2前置增能壓裂增產(chǎn)機理為CO2破巖能力強、裂縫形態(tài)復(fù)雜、改造體積大，保護儲層，增能，置換甲烷等。2004年中原油田進行了多次CO2增能壓裂施工，為了提高排液速度使用了分段破膠和裂縫處理等技術(shù)，壓后排液情況與壓裂效果和施工參數(shù)見表1、表2。對比2003年由于未使用CO2增能技術(shù)的施工情況,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該技術(shù)使排液時間縮短了近10d，液體返排率升高了近40%，同時地層污染得到了降低，效果理想。華北分公司對D1-1-113井成功進行CO2前置增能壓裂，證明CO2酸性交聯(lián)壓裂液能適用于鄂北儲層，能降低堿敏和水鎖損害，提高產(chǎn)量。

表2 施工參數(shù)統(tǒng)計表

江在延長油田優(yōu)化了CO2增能壓裂方案設(shè)計與施工工藝，現(xiàn)場試驗表明：該技術(shù)能延長增產(chǎn)時間，提高返排率，降低地層污染，提高投入產(chǎn)出比，效果優(yōu)良；2021年張朔等[5]為了優(yōu)化儲層壓裂改造效果，在冀東、大港、長慶油田成功應(yīng)用CO2前置增能壓裂施工，證明該技術(shù)能有效提高儲層改造效率，有良好的經(jīng)濟效益。

（3）CO2純干法壓裂技術(shù)。CO2純干法壓裂是一項以純液態(tài)CO2代替常規(guī)水力壓裂液的無水壓裂技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點是增能、增產(chǎn)、儲層傷害小、返排率高、環(huán)境污染小等；缺點是受施工規(guī)模與井深的限制，需要專門的密閉混砂車，因此中大規(guī)模的壓裂改造難以應(yīng)用。2014年吉林油田在高凝油井“黑X井”應(yīng)用了CO2干法壓裂技術(shù)，這是我國第一次應(yīng)用自主研發(fā)的液態(tài)CO2壓裂液體系和大容量密閉混砂車進行實驗。表3為CO2純干法壓裂設(shè)備；蘇偉東[6]研究了CO2干法壓裂技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用，證明了該工藝對于致密低滲儲層改造的良好適應(yīng)性；肖博[7]研究了井筒和裂縫內(nèi)溫度壓力場變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)注入排量較大時井底溫度更低，有助于現(xiàn)場壓裂施工的設(shè)計。

表3 CO2純干法壓裂設(shè)備

（4）CO2準干法壓裂技術(shù)。CO2準干法壓裂技術(shù)是以90%～70%的液態(tài)CO2和10%～30%的水混合后加入增稠劑，將其形成具有一定黏度的混合相液體，再通過地面高壓泵以較大排量注入，壓開地層形成一條動態(tài)裂縫，并對其進行加砂充填，施工結(jié)束后為流出的油氣提供一條具有較高滲透性的滲流通道，從而達到增產(chǎn)改造目的的技術(shù)。與干法壓裂相比，準干法壓裂的優(yōu)勢是避免了使用密閉混砂車，降低了技術(shù)難度，壓裂液造縫攜砂性能好，可滿足大規(guī)模加砂壓裂要求，平均砂比高，更易推廣；缺點是仍要使用一部分水，存在添加劑殘渣和儲層傷害的問題。2021年羅成[8]開展了準干法壓裂工作液組成、攜砂性能、耐溫耐剪切性能等方面的研究,在冀東油田南堡5號構(gòu)造深層致密砂巖氣藏進行先導(dǎo)試驗,結(jié)果表明CO2準干法壓裂液耐溫耐剪切性能優(yōu)良，能夠充分滿足壓裂造縫、攜砂的要求，還能降低儲層傷害，且CO2注入后能溶蝕巖心中的碳酸鹽類礦物，可以提高巖心滲透性。該井的產(chǎn)量是以往壓裂單井日增油2.5倍，日增氣8.6倍，增產(chǎn)效果顯著提高；劉剛等[9]在延長油田特低滲氣井成功應(yīng)用常壓混砂準干法壓裂技術(shù)，結(jié)果顯示天然氣無阻流量均高于20000m3/d，是相鄰區(qū)塊常規(guī)壓裂產(chǎn)量的2倍，增產(chǎn)效果明顯，為當前非常規(guī)油氣的大規(guī)模高效開發(fā)提供了新的解決思路。

（5）CO2混合壓裂技術(shù)。CO2混合壓裂技術(shù)是利用液態(tài)CO2易破巖、高造縫的能力進行前置純CO2壓裂來開啟微裂縫，增加人工裂縫的復(fù)雜程度與擴展方位，接著配合水基攜砂液壓裂擴展和支撐裂縫，完成儲層增能和體積改造。該技術(shù)可以有效應(yīng)對CO2增能壓裂技術(shù)的難點，簡化了施工流程、降低了成本?；旌蠅毫鸭夹g(shù)在儲層傷害方面介于清水壓裂和凝膠壓裂之間，還可一定程度上減少用水量。在美國Haynesville頁巖氣開發(fā)中，阿納達科石油公司采用壓裂診斷技術(shù)來對比CO2混合壓裂和清水壓裂的效果，發(fā)現(xiàn)采用混合壓裂可明顯增長裂縫，提高裂縫影響范圍；延長石油成功在鄂爾多斯盆地陸相頁巖應(yīng)用CO2混合壓裂技術(shù)，發(fā)現(xiàn)高于純滑溜水壓裂的返排率，且排液周期大幅縮短。賈光亮[10]開展了超臨界CO2作為前置液、液態(tài)CO2和雙極性壓裂液的混合復(fù)合液作為攜砂液，成功進行了復(fù)合干法壓裂試驗：該井水平主應(yīng)力差值為10.6MPa，而常規(guī)水基壓裂液在裂縫遠端凈壓力維持率較低，難以克服應(yīng)力差，不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，采用CO2復(fù)合干法壓裂技術(shù)能有效補充地層能量、促進返排、減少水敏與水鎖傷害。且在該體系中CO2不易從流體中逸出，能夠長時間保持穩(wěn)定。故應(yīng)用該技術(shù)比應(yīng)用常規(guī)壓裂液體系取得了更好的效果: 儲層傷害小、破巖能力強、易返排；此外還有李強[11]等在混合壓裂液方面也做了相關(guān)研究工作，他們?yōu)閼?yīng)對傳統(tǒng)頁巖油氣滑溜水壓裂液污染的問題與油基壓裂液成本高的問題，形成了基本配方為質(zhì)量分數(shù)98%混合烴+0.70%膠凝劑+0.80%復(fù)合交聯(lián)劑+0.50%破膠劑的無水低碳烴壓裂液體系。該體系的壓裂液具有優(yōu)良的抗溫抗剪切性和破膠能力。

3.CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用難點及發(fā)展方向

（1）液態(tài)CO2高效減阻劑的研究。液態(tài)CO2是牛頓流體，摩阻較高，排量增加會使摩阻迅速增大，壓裂液的摩阻直接影響施工的成敗，而水溶液中的超高分子量聚合物減阻劑對液態(tài)CO2的減阻效果不佳，CO2泡沫壓裂液常用的減阻劑同樣也不適用，因此還需研發(fā)高效的液態(tài)CO2減阻劑。

（2）提高液態(tài)CO2的粘度與攜砂性。液態(tài)CO2粘度低不利于壓裂造縫是導(dǎo)致加砂量得不到提高的主要原因，國外主要采用表面活性劑和聚合物協(xié)同提粘，但成本較高，國內(nèi)主要采用添加高效聚合物類增稠劑，未來可以從尋找一種小粒徑、低密度、高強度支撐劑的思路來解決低粘攜砂液的需求。

（3）現(xiàn)場冷泵過程中的排空。CO2液體的物性受溫度及壓力影響較大，在現(xiàn)場CO2干法壓裂施工中，要注意CO2結(jié)干冰和走空泵，一旦管線中間一部分壓降太快結(jié)干冰，就會形成局部的高壓，對人及設(shè)備都有較大的危害。而當液態(tài)CO2在地面管線流動過程中吸收熱量或者壓力降低導(dǎo)致氣化，那么氣體進入主壓車泵腔中就會使主壓車走空泵導(dǎo)致失敗。故冷泵操作時，從停泵到打開井口必須迅速，避免液體氣化。在外循環(huán)時，由于先停主壓車后關(guān)主壓車后的放空旋塞，此階段壓力會相應(yīng)地降低，液體氣化導(dǎo)致在壓裂過程中會出現(xiàn)主壓車走空泵的現(xiàn)象。因此，如何安全有效的進行氣體排空是壓裂現(xiàn)場的一大難點。

4.結(jié)論

（1）CO2泡沫壓裂液相比水力壓裂具有諸多優(yōu)勢，但仍需要使用大量的水，無法解決儲層傷害的問題，且具有一定的施工難度；

（2）CO2前置增能壓裂、準干法壓裂和混合壓裂現(xiàn)場應(yīng)用方便，施工成本較低，增產(chǎn)效果明顯，但CO2前置增能壓裂存在入井工作液利用率低問題，CO2準干法壓裂存在儲層傷害和添加劑殘渣的問題；

（3）CO2純干法壓裂沒有水鎖導(dǎo)致的儲層傷害問題，增產(chǎn)效果十分明顯，但CO2摩阻大，攜砂能力差，使用減阻增稠劑，研發(fā)小粒徑、超低密度、高強度支撐劑可以解決該問題；

（4）CO2壓裂技術(shù)具有水基壓裂無法比擬的低傷害、復(fù)雜縫網(wǎng)、增能、降黏和置換甲烷等優(yōu)勢，在非常規(guī)油氣藏中應(yīng)用能大幅提高油氣產(chǎn)量。在雙碳背景下CO2壓裂技術(shù)必將得到持續(xù)、高效、快速發(fā)展。