CO2干法壓裂綜合調(diào)研報(bào)告

1、CO2干法壓裂據(jù)了解，二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)源于北美，是一種采用液態(tài)二氧化碳作為壓裂液來代替水的技術(shù)，主要針對(duì)煤層氣、水敏性儲(chǔ)層、含原油較稠儲(chǔ)層、低壓儲(chǔ)層的油氣開發(fā)而設(shè)計(jì)。液態(tài)二氧化碳在汽化后，無水相，無殘?jiān)?，僅有支撐劑留在地層，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，可實(shí)現(xiàn)快速排液投產(chǎn)；此外，二氧化碳具備比甲烷更強(qiáng)的吸附力，可置換出吸附于母巖的甲烷，從而提高天然氣或煤層氣的產(chǎn)量，并實(shí)現(xiàn)部分二氧化碳的永久埋存。與常規(guī)水基壓裂相比，二氧化碳干法壓裂對(duì)地層幾乎無傷害，具有良好的增產(chǎn)增能作用，大量節(jié)約了水資源，達(dá)到了節(jié)能減排、綠色環(huán)保的施工要求，對(duì)于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層清潔、高效開發(fā)意義深遠(yuǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。一、工藝技術(shù)原理1

2、、增產(chǎn)機(jī)理強(qiáng)水敏/水鎖傷害儲(chǔ)層由于水基壓裂液的濾失而導(dǎo)致較大的儲(chǔ)層滲透率損害，影響壓裂作業(yè)的增產(chǎn)效果。低壓、低滲透氣藏普遍具有較強(qiáng)的水鎖傷害。CO2干法加砂壓裂能夠較大幅度的提高強(qiáng)水敏/水鎖傷害儲(chǔ)層的壓后產(chǎn)量，主要體現(xiàn)在：壓裂液具有極低的界面張力，受熱汽化后能夠從儲(chǔ)層中完全、迅速返出；壓裂液無殘?jiān)?，?duì)支撐裂縫導(dǎo)流床具有較好的清潔作用，保持了較高裂縫導(dǎo)流能力和較長(zhǎng)的有效裂縫長(zhǎng)度；CO2在地層原油中具有較高的溶解度，能夠降低地層原油黏度，改善原油流動(dòng)性；超臨界CO2具有極低的界面張力，理論上，對(duì)非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層中吸附氣的解析具有促進(jìn)作用。2、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)CO2干法加砂壓裂具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在較小的

3、儲(chǔ)層滲透率傷害，較高的支撐裂縫導(dǎo)流能力保留系數(shù)，較快的壓后返排速度和對(duì)吸附性天然氣的解析等方面。對(duì)于提高水敏水鎖傷害嚴(yán)重儲(chǔ)層和吸附性天然氣儲(chǔ)層（頁巖氣、煤層氣等）產(chǎn)能具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)非常有前景的增產(chǎn)改造技術(shù)。CO2干法壓裂總結(jié)起來有以下優(yōu)點(diǎn)：1）無水相，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成水敏水鎖傷害；2）無殘?jiān)?，不?huì)對(duì)儲(chǔ)層和支撐裂縫滲透率造成殘?jiān)鼈Γ?）具有很好的增能作用，在壓力釋放后，二氧碳?xì)怏w膨脹，可實(shí)現(xiàn)迅速返排，有低壓氣井的壓后快速排液投產(chǎn)；4）CO2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；5）CO2溶于原油可以降低原油的黏度，利于原油的開采；6）CO2能夠置換吸附于煤巖與頁巖中的甲

4、烷，在提高單井產(chǎn)量的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體的封存。3、純液態(tài)CO2干法壓裂技術(shù)特點(diǎn)1）在泵注過程中，砂濃度對(duì)排量很敏感。井下壓力測(cè)試顯示出施工過程中有“端部脫砂”現(xiàn)象，這說明盡管地面砂濃度較低，但是裂縫中的砂濃度很高；2）縫寬較小；3）純液態(tài)的CO2沒有造壁能力，因此，其造壁濾失系數(shù)Cw基本上是無限大的，但其濾失受到濾液的熱膨脹效應(yīng)以及其他一些可能因素的控制；4）CO2以液態(tài)在低溫下泵送到井底。在裂縫中受熱以及濾失到地層后汽化。依賴泵注壓力和儲(chǔ)層溫度，這個(gè)過程可以接近臨界點(diǎn)；5）由于裂縫體積很小而濾失很快，國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)表明裂縫閉合時(shí)間非常短（大約在0.5-1.5min），這也說明了其對(duì)泵注排

5、量的敏感性。二、施工方案1、工藝設(shè)計(jì)CO2干法加砂壓裂工藝需要統(tǒng)籌考慮儲(chǔ)層特征、壓裂液性質(zhì)、井筒管柱、壓裂設(shè)備和壓后投產(chǎn)等多方面因素，以保證增產(chǎn)效果和施工安全。1.1壓裂模型可優(yōu)選具有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)的模擬器，該模擬器能夠進(jìn)行可壓縮性壓裂液的壓裂設(shè)計(jì)和分析。1.2壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)注入排量大小對(duì)于CO2干法加砂壓裂的成功實(shí)施十分重要，通過提高注入排量能夠改善CO2壓裂液的攜砂能力和造縫能力，提高CO2壓裂液效率。CO2干法壓裂液具有較高的支撐裂縫導(dǎo)流能力保留系數(shù)，在較低施工砂比時(shí)即可達(dá)到常規(guī)水力壓裂高砂比的導(dǎo)流能力。一般將CO2干法加砂壓裂的平均砂比控制

6、在10%以內(nèi)。CO2干法加砂壓裂需要較高的前置液比例，用于降低儲(chǔ)層裂縫內(nèi)溫度，改善造縫性，保障加砂作業(yè)安全。1.3壓裂管柱設(shè)計(jì)CO2壓裂液具有較高的管路摩阻損失，一般來說73mm油管難以滿足大排量施工需要，普遍采用88.9mm油管作為壓裂管柱。由于CO2的低溫特性和較強(qiáng)的穿透性，為保證套管安全，需在油管下端加裝封隔器，優(yōu)選壓縮式封隔器。根據(jù)陜西延長(zhǎng)石油公司專利，施工過程中，采用管柱如下：1）當(dāng)井深小于1000m時(shí)，采用3.5英寸油管注入；2）當(dāng)井深大于1000m時(shí)，采用4.5或5.5英寸光套管注入；且當(dāng)井深小于1500m時(shí)，使用J55鋼級(jí)套管；當(dāng)井深在1500-3000m時(shí)，采用N80鋼級(jí)套管

7、；當(dāng)井深大于3000m時(shí)，采用P110鋼級(jí)套管；3）采用5.5英寸套管與2.375英寸油管或5.5英寸套管與2.875英寸油管的油套環(huán)空方式注入。1.4壓裂設(shè)備配套及地面管匯設(shè)計(jì)CO2干法加砂壓裂施工的地面設(shè)備流程如圖1所示。連接CO2儲(chǔ)罐與壓裂泵上水室的管線為高壓軟管線，壓裂施工過程中管線內(nèi)的壓力在2.0-2.5MPa。圖1 CO2干法加砂壓裂施工設(shè)備連接流程圖壓裂泵的供液需通過CO2循環(huán)增壓泵來實(shí)現(xiàn)，CO2循環(huán)增壓泵連接壓裂泵與CO2儲(chǔ)罐，向壓裂泵提供足量的液態(tài)CO2供給。在地面返排流程中應(yīng)配套除砂器，用于除掉壓后返排過程中帶出的支撐劑，保護(hù)地面返排流程安全。在除砂器后安裝針閥，用于控制C

8、O2的排放速度。2、壓裂液體系CO2的pH值為弱酸性，對(duì)控制水敏地層粘土膨脹有一定的作用。液態(tài)CO2其性質(zhì)是即易溶于油中，也可溶于水。溶于油后可降低其粘度，易使其流動(dòng)；溶于水后，生成碳酸，pH值在3.33.7之間可抑制粘土膨脹。這些主要特性決定了它作為壓裂液液相組分的優(yōu)勢(shì)。2.1 CO2物理相態(tài)變化預(yù)測(cè)在物理上，CO2有三種不同相態(tài)，氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，其臨界溫度和壓力分別為31和9.39MPa。在-18液態(tài)條件下，CO2泡沫密度為1.020g/cm3，轉(zhuǎn)化為0，l大氣壓（絕對(duì)壓力）下的氣態(tài)標(biāo)準(zhǔn)體積為517m3。在CO2干法壓裂過程中，CO2相態(tài)變化十分復(fù)雜：初始，CO2在溫度34.4、壓力1.

9、406MPa條件下以液態(tài)形式存儲(chǔ)在CO2儲(chǔ)罐中（見圖2中點(diǎn)1）；經(jīng)過增壓泵車后，液態(tài)CO2在溫度2515、壓力1.82.2MPa條件下注入高壓泵（點(diǎn)2）；在壓裂泵車出口處，液態(tài)CO2被加壓至施工壓力（點(diǎn)3）；隨后液態(tài)CO2被泵入井底，在此過程中CO2壓力進(jìn)一步增加，同時(shí)溫度也升高（點(diǎn)4）；當(dāng)CO2進(jìn)入儲(chǔ)集層裂縫中后，CO2溫度、壓力與儲(chǔ)集層條件同化，表現(xiàn)為溫度進(jìn)一步上升，而壓力下降，此時(shí)CO2處在超臨界狀態(tài)（點(diǎn)5）；當(dāng)開始返排后，CO2壓力迅速下降，將以氣態(tài)形式返排至地表（點(diǎn)6）。在此過程中，CO2的密度、黏度、溶解性能等都隨著其溫度、壓力的改變而劇烈變化。同時(shí)，CO2進(jìn)入儲(chǔ)集層后，壓力急劇降

10、低，體積快速膨脹，產(chǎn)生焦耳-湯姆遜冷卻效應(yīng)，使得周圍地層溫度急劇降低。圖2 CO2在干法壓裂過程中的相態(tài)變化施工過程中縫內(nèi)靜壓力可由下式預(yù)測(cè)井底溫度可由下式計(jì)算2.2懸砂性能及降濾失性在天然氣儲(chǔ)層中，由于CO2干法壓裂液無殘?jiān)?，且黏度遠(yuǎn)高于天然氣，壓裂液的濾失主要受壓裂液黏度和地層流體的壓縮性控制。CO2黏度較低，液態(tài)下黏度約為0.1mpa.s，氣態(tài)和超臨界狀態(tài)下黏度約為0.2mpa.s。目前尚無CO2干法壓裂液濾失性測(cè)定的實(shí)驗(yàn)裝置，使用理論公式計(jì)算了對(duì)于滲透率為0.4-1.2mD，孔隙度為14%，地層溫度為104.6的天然氣儲(chǔ)層，在壓差為5-14MPa下的濾失系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-3-10-2

11、m/min0.5。較低的黏度導(dǎo)致壓裂液濾失量大，攜砂和造縫能力差。通過提高黏度改善體系性能。提高CO2黏度的方法是添加與CO2相溶的化學(xué)劑。液態(tài)CO2為非極性分子，是一個(gè)非常穩(wěn)定的溶劑，具有極低的介電常數(shù)、黏度和表面張力，常規(guī)增稠劑無法與CO2混溶提黏，需要開發(fā)特殊結(jié)構(gòu)的提黏劑產(chǎn)品。采用分子模擬技術(shù)，從微觀、介觀和宏觀三個(gè)層次研究了CO2黏度隨溫度、壓強(qiáng)變化的基本規(guī)律，探索化學(xué)劑的種類、濃度影響CO2黏度的微觀機(jī)理，并進(jìn)行提黏劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)了一種CO2提黏劑TNJ，建立了CO2干法壓裂液體系，配方為：1.5%-2.0%TNJ（98.5%-98%）液態(tài)CO2。在溫度62-6

12、3、壓力15-20MP a實(shí)驗(yàn)條件下，1.5TNJ98.5CO2壓裂液黏度為5-9mpa.s；2TNJ98CO2壓裂液黏度6-10mpa.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（圖3、4）。圖3 CO2壓裂液黏度提黏劑TNJ加量關(guān)系圖圖4 CO2壓裂液（2TNJ98CO2）黏度時(shí)間關(guān)系圖此外，有研究人員先后測(cè)試了苯乙烯-氟化丙烯酸共聚物、氟化AOT衍生物、12-羥基硬脂酸等多種聚合物對(duì)液態(tài)CO2的黏度改性效果，僅苯乙烯-氟化丙烯酸共聚物在加量5%的情況下將CO2提黏超過100倍，但其成本高、黏度改性效果差。中國(guó)石油

13、大學(xué)（北京）壓裂酸化實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種高級(jí)脂肪酸酯作為液態(tài)CO2的增稠劑，該增稠劑在加量0.25%2.50%條件下，可將液態(tài)CO2提黏17184倍，大大提高了增黏效率。目前，該增稠劑已成功應(yīng)用于鄂爾多斯盆地長(zhǎng)慶氣田蘇東xx井液態(tài)CO2壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)。值得一提的是，向壓裂液中添加可降解纖維也能少量增加液態(tài)CO2的懸砂能力，降低摩阻。此外，研發(fā)新型超低密度支撐劑也是提升攜砂效果的可行之路?，F(xiàn)階段應(yīng)用的低密度陶粒支撐劑密度小于1.45g/cm3，要滿足CO2干法壓裂需求應(yīng)進(jìn)一步降低支撐劑的密度至1.01.3g/cm3。2.3管路摩阻損失根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，近似計(jì)算了CO2干法壓裂液在88.9mm油管

14、（內(nèi)徑76mm）內(nèi)的管路摩阻損失，不同排量下的摩阻損失系數(shù)見表。表1 88.9mm油管中CO2干法壓裂液的管路摩阻損失表排量（m³/min）單位長(zhǎng)度摩阻損失（MPa/km）2.410.82.09.61.75.71.44.02.4巖心基質(zhì)滲透率損害率目前尚無CO2干法壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)滲透率損害率測(cè)定裝置，僅對(duì)CO2提黏劑TNJ的巖心基質(zhì)滲透率損害率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2提黏劑TNJ對(duì)巖心滲透率平均損害率2.75，損害較?。ū?）。表2 CO2提黏劑TNJ的巖心基質(zhì)滲透率損害率數(shù)據(jù)表巖心號(hào)基質(zhì)滲透率/mD孔隙度，%滲透率損害率，%10.0755.5781.5820.0939.2

15、873.923、裝備配置CO2干法壓裂所用液態(tài)CO2壓裂液始終處在密閉高壓狀態(tài)下，因此其施工所用設(shè)備與常規(guī)水力壓裂有所不同。CO2干法壓裂對(duì)設(shè)備的要求為：1）CO2儲(chǔ)罐：1只或幾只，用于儲(chǔ)存加壓降溫的液態(tài)CO2，CO2保持在34.4和1.406MPa；2）CO2增壓泵車：用于將液態(tài)CO2從儲(chǔ)罐內(nèi)壓力增壓至1.82.2MPa，要求單臺(tái)泵車排量不低于2m3/min，主要包括底盤車、增壓泵系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、進(jìn)液排液系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部件；3）密閉混砂車：CO2干法壓裂的關(guān)鍵設(shè)備，是1個(gè)較大的密閉壓力容器，用于將支撐劑混入液態(tài)CO2，要求耐壓2.2MPa以上、容積5m3以上、輸砂速度500k

16、g/min以上，主要包括底盤車、液壓系統(tǒng)、儲(chǔ)砂罐、加砂管、混砂管匯、進(jìn)液排液系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部件；4）壓裂泵車：常規(guī)的壓裂泵，用于將壓裂液泵入井中，要求單臺(tái)輸出功率不小于1471kW（2000HP），由于CO2穿透性較強(qiáng)，泵車的柱塞泵密封圈推薦使用金屬密封圈；壓裂管匯車：要求配備低溫低壓、低溫高壓管匯。5）儀表車、壓裂管匯車。壓裂作業(yè)中普遍使用的壓裂泵能夠泵輸液態(tài)CO2，若CO2氣化將導(dǎo)致壓裂泵走空、失效。因此，在施工過程中，需確保地面泵注系統(tǒng)內(nèi)的CO2以液態(tài)形式存在。CO2相態(tài)受溫度、壓力影響敏感，常規(guī)水力壓裂作業(yè)所使用的混砂裝置無法滿足CO2干法加砂壓裂作業(yè)需要。為此，要確保CO2干法加砂

17、壓裂順利進(jìn)行，必須要有耐低溫、承壓性能好的密閉混砂裝置。而CO2密閉混砂車是CO2干法壓裂的關(guān)鍵設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)具備該裝置的公司有煙臺(tái)杰瑞公司和鉆采院長(zhǎng)慶分院。杰瑞公司自主研制了一套配備立式混砂罐的CO2密閉混砂車在吉林油田黑+79-31-45井成功作業(yè)，該裝置最大排量達(dá)到8m3/min，最大喂料能力達(dá)到3000kg/min，有效容積達(dá)到25m3?？捎行Ы鉀Q傳統(tǒng)臥式混砂車攪拌軸轉(zhuǎn)速低、攪拌軸短、攪拌存在死角，而CO2攜砂性能差，因此存在易沉砂、混砂罐最大砂比小的問題，然而配套的CO2增壓泵車長(zhǎng)時(shí)間工作排量?jī)H為4.55.0m3/min，只能用于較小排量施工。圖5 杰瑞生產(chǎn)的CO2增壓泵車（左）和密

18、閉混砂車（右）鉆采院長(zhǎng)慶分院自主研制了一套CO2密閉混砂裝置，并在蘇東4422井、神60井成功應(yīng)用，該裝置具有保溫、承壓、輸砂控制、流量計(jì)量和砂濃度監(jiān)測(cè)等功能。裝置主要技術(shù)參數(shù)：工作壓力2.5MPa；工作溫度-20；有效容積8m3；最大輸砂速率0.5m3/min。該密閉混砂裝置主要由混砂罐總成、動(dòng)力系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)和管匯系統(tǒng)組成?；焐肮蘅偝捎糜诖娣艍毫咽┕な褂玫闹蝿?，具有保溫功能，利用罐內(nèi)的輸砂螺旋將支撐劑輸送到壓裂管線中。動(dòng)力系統(tǒng)為安裝在輸砂螺旋上的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，具備低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特性，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié)。采用手動(dòng)、自動(dòng)一體式遠(yuǎn)距離集中控制設(shè)計(jì)，能夠監(jiān)測(cè)混砂裝置的罐內(nèi)

19、壓力，供液流量和支撐劑濃度等數(shù)據(jù)。能夠?qū)ρb置的閥門，輸砂螺旋的轉(zhuǎn)速進(jìn)行遠(yuǎn)程精確調(diào)節(jié)。4、施工步驟CO2干法壓裂技術(shù)使用100%液態(tài)CO2作為壓裂介質(zhì)，首先將支撐劑加壓降溫到液態(tài)CO2的儲(chǔ)罐壓力和溫度，在專用混砂機(jī)內(nèi)與液態(tài)CO2混合，然后用高壓壓裂泵泵入井筒進(jìn)行壓裂。CO2干法壓裂工藝按如下步驟進(jìn)行：1）將若干CO2儲(chǔ)罐并聯(lián)，并依次與CO2增壓泵車、密閉混砂車、壓裂泵車、井口裝置連通，將儀表車與上述各車輛連通并監(jiān)控工作狀態(tài)；2）將支撐劑裝入密閉混砂罐中，并注入液態(tài)CO2預(yù)冷；3）對(duì)高壓管線、井口試泵，對(duì)低壓供液管線試壓，若試壓結(jié)果符合要求則繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)步驟；4）前置酸預(yù)處理，浸泡射孔段。5）液態(tài)

20、CO2以2515溫度注入地層，壓開地層并使裂縫延伸，然后打開密閉混砂設(shè)備注入支撐劑，支撐劑注完后進(jìn)行頂替，直到支撐劑剛好完全進(jìn)入地層，停泵；6）壓裂施工結(jié)束后，關(guān)井2-24小時(shí)；7）壓后放噴返排，既要控制返排速度以防吐砂，又要最大限度地利用CO2能量快速返排，可以先使用小口徑油嘴控制放噴速度，隨后逐漸加大油嘴口徑，并使用CO2檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)出口CO2濃度變化。當(dāng)CO2濃度低于3%時(shí)，可視為返排完成。注：在步驟3-4之間可以加入低替坐封步驟，低替坐封是指采用機(jī)械封隔油管注入，即采用低排量坐封。5、施工參數(shù)根據(jù)陜西延長(zhǎng)石油公司專利，壓裂施工參數(shù)如下：1）施工排量：1.0-10.0m³/min

21、。典型排量4.0-8.01.0-10.0m³/min；2）前置液比例：10-50%，典型比例20-30%；3）支撐劑類型：石英砂或陶粒，粒徑80/100目、40/70目、20/40目，主要使用40/70目支撐劑；4）加砂濃度：50-500kg/m³，典型濃度100-200 kg/m³。6、壓后返排控制CO2加砂壓裂作業(yè)結(jié)束后，可關(guān)井至井筒溫度恢復(fù)后再開井返排。返排過程中嚴(yán)格控制返排速度，防止裂縫出砂。三、CO2干法壓裂在四川龍馬溪組頁巖氣的適應(yīng)性分析1、CO2干法壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況CO2干法壓裂技術(shù)作為一個(gè)壓裂新技術(shù)，目前僅有少數(shù)國(guó)外公司掌握，近年來國(guó)內(nèi)吉林油田

22、、川慶鉆探長(zhǎng)慶井下公司、鉆采工程技術(shù)研究院長(zhǎng)慶分院、延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司研究院分別就這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。1.1吉林油田2014年9月15日，國(guó)內(nèi)最大加砂規(guī)模二氧化碳無水蓄能壓裂在吉林油田黑+79-31-45井成功完成。作業(yè)由吉林油田與煙臺(tái)杰瑞集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)進(jìn)行，在40-65MPa施工壓力下，共加液290m3、支撐劑10.5m3，瞬時(shí)流量達(dá)到3.9m3/min，砂比4.8%。黑+79-31-45井位于松遼盆地南部中央坳陷區(qū)黑163區(qū)塊，屬于枯竭式開采高凝油井。這一區(qū)塊油層原油黏度高、凝固點(diǎn)高，常溫下不易流動(dòng)。黑+79-31-45井厚度3m，物性較好，滲透率76.5md。由于二氧化碳對(duì)原油

23、具有較好的溶脹性和降黏作用，故采用液態(tài)二氧化碳?jí)毫岩后w系進(jìn)行壓裂，以達(dá)到枯竭式開采能量補(bǔ)充、提高單井產(chǎn)量的目的。圖6 黑+79-31-45井CO2干法壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)擺布圖1.2長(zhǎng)慶井下近年來，川慶鉆探長(zhǎng)慶井下公司聯(lián)合鉆采工程技術(shù)研究院長(zhǎng)慶分院，以中石油油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“二氧化碳?jí)毫言霎a(chǎn)研究室”為依托，開發(fā)了密閉混砂裝置、大排量二氧化碳增壓泵撬，配套了施工工藝和HSE技規(guī)術(shù)范，開展了二氧化碳?jí)毫褦y砂性能、摩阻性能及裝置的測(cè)試。 （1）蘇東4422井2013年8月12日，由川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院長(zhǎng)慶分院研究設(shè)計(jì)、長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司施工的我國(guó)第一口天然氣井二氧化碳干法加砂壓裂現(xiàn)場(chǎng)

24、試驗(yàn)在在長(zhǎng)慶蘇里格氣田蘇東4422井成功實(shí)施，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)無水壓裂的先河，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白。蘇東4422井是鄂爾多斯盆地伊陜斜坡上的一口開發(fā)井，目的層為山西組山1層。地層壓力系數(shù)為0.86，儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率為0.41.2mD，孔隙度為9.0%13.9%，儲(chǔ)層埋深3240 m，屬于低壓、低孔、低滲儲(chǔ)層。該井共計(jì)入井液態(tài)二氧化碳254m3，陶粒2.8m3，平均砂比3.48%，最高砂比9.00%，施工壓力2846MPa，施工排量24m3/min，圖7 蘇東44-22 井山1 層壓裂施工曲線（2）神60井2015年7月2日，川慶鉆探長(zhǎng)慶井下公司在鄂爾多斯盆地神木氣田神60井成功實(shí)施二氧化碳干法加砂壓裂，

25、儲(chǔ)備液態(tài)二氧化碳590m3，加入陶粒9.6m3，平均砂比達(dá)到7.9%，是目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模二氧化碳干法加砂壓裂作業(yè)。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)投人由6臺(tái)SS-2000型主壓車同時(shí)壓裂，2臺(tái)二氧化碳增壓泵車進(jìn)行供液，采用液氮泵車給二氧化碳槽車二次增壓。這是我國(guó)首次采取2臺(tái)密閉混砂裝置聯(lián)合作業(yè)，不僅加大了加砂量、擴(kuò)大了單層施工規(guī)模，而且為今后開展多層、大規(guī)模的二氧化碳干法加砂壓裂進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備。圖8 神60井施工現(xiàn)場(chǎng)1.3延長(zhǎng)石油研究院云頁4井：2015年10月19日，由延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司研究院研究設(shè)計(jì)的我國(guó)第一口陸相頁巖氣井二氧化碳干法壓裂在延長(zhǎng)油田云頁4井實(shí)施，并獲得成功，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)陸相頁巖氣無水壓裂的先河，壓裂共

26、計(jì)泵入液態(tài)二氧化碳385m3、超低密度支撐劑10m3。云頁4井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部一口頁巖氣直井,目的層位山西組、本溪組、完鉆層位馬家溝組。完鉆井深2678m，孔隙度3.26%-5.84%，滲透率0.1-0.21md。圖9 云頁4井現(xiàn)場(chǎng)施工圖2、CO2干法壓裂技術(shù)在四川龍馬溪組頁巖氣的適應(yīng)性分析2.1 四川龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)四川龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層為低孔低滲儲(chǔ)層，地層壓力系數(shù)1.5-2.0，粘土含量平均35%，通過大量敏感性實(shí)驗(yàn)表明，該地區(qū)儲(chǔ)層整體表現(xiàn)為弱水敏；在縱向上巖性多為黑色泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，相變快，非均質(zhì)性強(qiáng)；礦物組成復(fù)雜，脆性礦物以石英、長(zhǎng)石為主，碳酸鹽含量少，黏土

27、礦物含量較高；孔隙度相對(duì)較低，基質(zhì)滲透率極低，天然裂縫發(fā)育。2.2 CO2干法壓裂液適應(yīng)性分析四川盆地龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層巖性致密，屬于低孔低滲儲(chǔ)層，脆性礦物含量低、黏土礦物含量高，在壓裂施工過程中外來液相的侵入對(duì)于儲(chǔ)層的傷害是非常嚴(yán)重的，且壓后返排不徹底大大降低了裂縫導(dǎo)流能力，進(jìn)而嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)量。四川盆地頁巖氣壓裂目前大多采用大排量、大液量的滑溜水壓裂工藝，用水量大，對(duì)水資源缺乏地區(qū)來說，施工備水困難，同時(shí)壓后大量的返排液處理難度大，處理不當(dāng)則會(huì)造成環(huán)境污染。其次，大規(guī)模的壓裂作業(yè)后返排液的處理費(fèi)用也大大增加了施工成本。而CO2干法壓裂技術(shù)采用純液態(tài)CO2作為壓裂液，具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）

28、用液態(tài)CO2代替常規(guī)水基壓裂液，減少水用量，降低成本；（2）施工過程中沒有任何的水相進(jìn)入地層，從根本上儲(chǔ)層傷害；（3）壓裂施工后返排迅速，節(jié)約時(shí)間，可以很快投入生產(chǎn)；（4）由于不會(huì)返排出任何液體，所以不需要壓后處理，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。2.3 CO2干法壓裂工藝及設(shè)備適應(yīng)性分析工藝參數(shù)方面，由于純液態(tài)CO2粘度很低，在20，10MPa條件下其粘度只有0.1mPa.s左右，懸砂能力差，濾失量大，不利于壓裂造縫，為保證施工安全，砂濃度要低，支撐劑尺寸要小一些，故我公司應(yīng)研究一種增稠劑提高液態(tài)CO2的粘度，提高攜砂性能；同時(shí)研發(fā)小粒徑超低密度支撐劑是提升攜砂效果的可行之路。目前應(yīng)用的低密度陶粒

29、在1.45g/cm3以上，要滿足CO2干法壓裂，應(yīng)將支撐劑的密度降低到1.01.3g/cm3；其次液態(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。壓裂設(shè)備方面，公司目前暫不具備用于儲(chǔ)存低溫高壓的液態(tài)CO2的儲(chǔ)罐、對(duì)CO2進(jìn)行增壓的增壓泵車、以及特殊的密封加壓混砂車，同時(shí)也缺乏具有耐低溫性能的壓裂泵車，因此公司目前尚不具備CO2干法加砂壓裂條件。故要實(shí)施CO2干法壓裂需完成CO2增壓泵車、密閉混砂車、CO2罐車的購置與配套，井口與井下工具的配套；壓裂泵車及其配套設(shè)備的完善與改造，并針對(duì)四川頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，開展室內(nèi)CO2壓裂液的降阻、提粘研究，加強(qiáng)液態(tài)

30、CO2壓裂增產(chǎn)機(jī)理的分析，開發(fā)一套具有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，該軟件能夠進(jìn)行可壓縮性壓裂液的壓裂設(shè)計(jì)和分析。據(jù)調(diào)研，由于目前CO2增壓泵車最大工作排量是杰瑞公司生產(chǎn)，增壓泵額定排量為8.0m3/min，長(zhǎng)時(shí)間工作排量?jī)H為4.55.0m3/min，目前只能用于較小排量施工。因此由于目前密閉混砂設(shè)備尺寸和供液能力的限制使得施工排量受限，若要應(yīng)用到四川大排量、大液量、大規(guī)模的頁巖氣體積壓裂中還需要對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行性能升級(jí)。四、安全風(fēng)險(xiǎn)CO2干法壓裂雖然有許多常規(guī)水力壓裂不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在CO2干法壓裂施工過程中，除常規(guī)壓裂的HSE要求與規(guī)定外，由于工藝

31、、設(shè)備的特殊性也存在不同于常規(guī)壓裂的安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起重視，主要表現(xiàn)在：（1）四川頁巖氣井區(qū)大多為盤山公路，道路較窄，彎多坡陡，陰雨天氣時(shí)道路濕滑，對(duì)于CO2帶壓運(yùn)輸和儲(chǔ)備（液態(tài)二氧化碳的儲(chǔ)運(yùn)條件為-17 ，2.1 Mpa）存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；（2）CO2干法壓裂需要先對(duì)混砂車中的支撐劑進(jìn)行預(yù)冷，而支撐劑中含有水分，在低溫下會(huì)結(jié)冰從而導(dǎo)致支撐劑結(jié)塊，進(jìn)而增加了平穩(wěn)輸砂的難度，甚至有造成砂堵的風(fēng)險(xiǎn)。（3）由于CO2干法壓裂要始終保持CO2為液態(tài)，而CO2相態(tài)受溫度、壓力影響敏感，當(dāng)泵冷卻或者管線內(nèi)不充滿（管線內(nèi)有虧空）時(shí)就會(huì)發(fā)生從液態(tài)變成氣態(tài)，若CO2氣化將導(dǎo)致壓裂泵走空、失效，此過程一方面會(huì)產(chǎn)生

32、非常大的噪音，另一方面損壞壓裂泵車，為此，要確保CO2干法加砂壓裂順利進(jìn)行，必須要采用有耐低溫、承壓性能好的密閉混砂裝置。（4）當(dāng)相態(tài)從液態(tài)變成固態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的冰塞會(huì)堵塞氣體的運(yùn)移，甚至?xí)?dǎo)致爆炸。（5）氣態(tài)CO2的密度比空氣大，它會(huì)聚集在較低的位置，當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)及時(shí)向高處逃離。（6）液態(tài)CO2泵送溫度在-25-15，溫度低易產(chǎn)生蒸汽水鎖和機(jī)械失效，因此高壓泵車應(yīng)耐用持久。（7）由于CO2的低溫特性和較強(qiáng)的穿透性，為保證套管安全，需采用具有防凍、耐低溫的套管材質(zhì)；同時(shí)泵車的柱塞泵密封圈要求采用金屬密封圈，以免常規(guī)橡膠密封圈失效引起安全風(fēng)險(xiǎn)。（8）由于液態(tài)CO2的特殊性，施工時(shí)

33、候地面流程中的CO2保持液態(tài)，溫度為34.4，容易造成凍傷。（9）由于CO2干法加砂壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)CO2罐車較多，還有特殊的增加泵和密閉混砂裝置，這些特殊設(shè)備具有低溫和高壓的風(fēng)險(xiǎn)，因此需配備完善的檢測(cè)儀表、閥門及自動(dòng)控制系統(tǒng)，開發(fā)了遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的壓力、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，嚴(yán)格合理設(shè)置逃生通道，保證施工和人員安全。（10）在地面返排流程中應(yīng)配套除砂器，用于除掉壓后返排過程中帶出的支撐劑，保護(hù)地面返排流程安全。在除砂器后安裝針閥，用于控制CO2的排放速度。注意放噴時(shí)防止閘門與放噴管線刺漏。五、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性1、經(jīng)濟(jì)性分析干法壓裂采用了無水無傷害性液體CO2作為挾砂劑，避免了對(duì)地層滲透率的負(fù)面

34、影響，無需擔(dān)心對(duì)地層的潛在傷害。其中CO2在泵入過程中為液態(tài)，可以攜帶砂子，而在返排的過程中完全氣化，不會(huì)在地層中造成水或其它化學(xué)有害物質(zhì)的遺留，所以干法壓裂特別適合于低滲水敏儲(chǔ)層的開發(fā)，但是由于干法壓裂過程中的費(fèi)用較大，而且所用二氧化碳量大，其壓裂投資大于氮?dú)鈮毫押偷獨(dú)馀菽瓑毫压に嚒Ｓ袑W(xué)者對(duì)美國(guó)15口壓裂井進(jìn)行干法壓裂、氮?dú)鈮毫押偷獨(dú)馀菽瓑毫讶咧g在開發(fā)低滲水敏氣層時(shí)的凈現(xiàn)值進(jìn)行了比較，研究結(jié)果表明，雖然干法壓裂初期投資較大，但由于干法壓裂可提高通流能力，產(chǎn)量高，且井維護(hù)費(fèi)用較低，使干法壓裂比另外兩者的經(jīng)濟(jì)性更高。從壓裂完成后5年內(nèi)的產(chǎn)量可以看出，實(shí)施干法壓裂的井累積產(chǎn)量依然是最高的，分別

35、為N2氣壓裂、N2泡沫壓裂累積產(chǎn)量的2倍和4倍。圖10 單井累積產(chǎn)量和時(shí)間的關(guān)系可以看出，在壓裂改造后，實(shí)施干法壓裂的井累積產(chǎn)量最高，N2氣壓裂效果其次，N2泡沫壓裂效果最差。直至壓裂后的9個(gè)月，干法壓裂的井累積產(chǎn)量分別為實(shí)施N2壓裂工藝和N2泡沫壓裂工藝井產(chǎn)量的1.9倍和4.8倍。隨著時(shí)間的增加，各個(gè)井之間的產(chǎn)量差別慢慢變小，即便這樣，在壓裂實(shí)施40個(gè)月后，實(shí)施干法壓裂的井累積產(chǎn)量依然是最高的，分別為N2氣壓裂、N2泡沫壓裂累積產(chǎn)量的2倍和4倍。而在干法壓裂技術(shù)實(shí)施時(shí)，CO2用量較高且需要將CO2和砂子在高壓下混合，使得CO2和砂子混合物在裂縫的功耗遠(yuǎn)大于另外兩種壓裂方法，這都導(dǎo)致了其壓裂費(fèi)

36、用大大提高。干法壓裂技術(shù)的成本最高，幾乎為N2壓裂技術(shù)費(fèi)用的2倍。市場(chǎng)上的價(jià)格分別為0.07、0.106美元/m3時(shí)，凈現(xiàn)值和時(shí)間的關(guān)系見圖11、12。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在天然氣價(jià)格為0.07美元/m3時(shí)，氮?dú)鈮毫鸭夹g(shù)的投資回收期最短，為11個(gè)月左右;氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)的投資回收期最長(zhǎng)，大約為2a;干法壓裂技術(shù)投資回收期為1a，居于兩者之間。而在壓裂實(shí)施14個(gè)月后，干法壓裂技術(shù)的凈現(xiàn)值就超過了另外兩者。可見干法壓裂技術(shù)在天然氣價(jià)格分別為0.07美元/m3時(shí)，在壓裂實(shí)施14個(gè)月后，其經(jīng)濟(jì)性就為三者中最好的(圖11)，而隨著天然氣的價(jià)格不斷的變化，其經(jīng)濟(jì)性也在不斷的變化著。如果市場(chǎng)上的價(jià)格從0.07美元/m3上升到0.106美元/m3的話，那么實(shí)施干法壓裂的凈現(xiàn)值則相應(yīng)地上升一倍?？梢婋S著石油價(jià)格的不斷提高，在未來的時(shí)間里，實(shí)施干法壓裂技術(shù)具有越來越高的經(jīng)濟(jì)性。圖11 凈現(xiàn)值和時(shí)間的關(guān)系(0.07美元/m3)圖12 凈現(xiàn)值和時(shí)間的關(guān)系(0.106美元/m3)2、市場(chǎng)調(diào)查-液態(tài)二氧化碳及其配套裝備價(jià)格較貴經(jīng)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)工業(yè)液態(tài)二氧化