超臨界CO2連續油管噴射壓裂可行性分析

程宇雄 李根生 王海柱 沈忠厚 范 鑫

（中國石油大學石油工程學院，北京 102249）

隨著世界油氣勘探開發的不斷深入發展，頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣、稠油等非常規油氣資源已成為21 世紀重要的接替能源［1-2］，但是絕大多數非常規油氣藏均需壓裂改造才能投產，其中90%以上的煤層氣井和頁巖氣井通過壓裂改造才能獲得商業化產量［3］。目前，水力壓裂已廣泛應用于非常規油氣藏的增產作業，但在壓裂增產效果和環境保護兩方面，仍存在很多無法解決的問題。

在儲層保護方面，水力壓裂需要注入大量高黏壓裂液，壓裂后還要泵入破膠劑返排，不僅成本高昂、工序復雜，而且在對頁巖層、煤層等高含黏土礦物的水敏性儲層進行水力壓裂時，水基壓裂液中的水會使黏土膨脹，堵塞儲層孔隙，影響壓裂效果［4］。雖然目前已研制出多種清潔壓裂液，但是仍然無法徹底消除壓裂時造成的儲層損害。

在環境保護方面，首先，水基壓裂液中添加了大量的化學藥劑，不僅會污染地下水，而且返排至地面后，也會對地表環境造成污染［5］；其次，非常規油氣藏常用的大規模水力壓裂會耗費大量水資源，以美國的Barnett 頁巖氣田為例，平均每口井壓裂用水量高達13 650 t［6］。

隨著鉆完井技術的快速發展，20 世紀末超臨界CO2流體被應用到鉆完井工程中。研究表明，超臨界CO2連續油管噴射壓裂技術可望解決這些問題。超臨界CO2流體的黏度接近于氣體、密度接近于液體，而且擴散系數較高、表面張力接近于0［7］，所以超臨界CO2流體在噴射壓裂過程中具有較低的流動摩阻、較強的噴射射孔能力、射流增壓效果和滲透能力。這意味著利用超臨界CO2流體可以在較低的地面泵壓下完成噴射射孔作業，并依靠其射流增壓效果顯著提高孔內壓力，最后，憑借其極強的滲透能力在儲層中產生大量的微裂縫網絡。而且，超臨界CO2壓裂流體中不含水也不含固相，在壓裂過程中不會對儲層造成傷害，是一種清潔壓裂流體。更重要的是，在利用超臨界CO2對頁巖氣藏和煤層氣藏進行壓裂改造時，CO2會因其更強的吸附能力置換出儲層中的吸附態甲烷，可以有效地提高非常規天然氣的采收率［8］。因此，超臨界CO2連續油管噴射壓裂有望成為環保、高效、安全的新型壓裂方法。

筆者在分析超臨界CO2流體特性的基礎上，通過分析超臨界CO2射流的射孔能力和增壓效果，驗證了將其用于噴射壓裂施工的可行性；然后闡述了該技術在油氣藏增產方面的優勢，并提出了超臨界CO2連續油管噴射壓裂的工藝流程。

1 超臨界CO2 流體及其特性

常溫常壓下，CO2為無色無味的氣體，對人和環境都沒有傷害，沒有燃燒性和助燃性。當溫度大于其臨界溫度（TC=31.1℃），壓力大于其臨界壓力（PC=7.38 MPa）時，CO2就會達到超臨界狀態，成為超臨界CO2流體，圖1 是CO2的相態圖［7］。因此，在壓裂施工的高壓高溫條件下，CO2很容易達到超臨界狀態。

圖1 CO2 相態圖

超臨界流體既不同于氣體，也不同于液體，它具有許多獨特的物理化學性質。超臨界CO2的密度接近于液體，黏度接近于氣體，而且擴散系數較高、表面張力接近于0，具有很強的滲透能力。表1 為超臨界流體與常溫常壓氣體及液體不同性質的比較。

表1 超臨界流體和氣體、液體的性質比較［9］

1.1 密度和溶解性能

超臨界CO2的密度接近于液體，具有較強的溶解性能，而且密度和溶解性能都隨壓力的升高而顯著增大［10］。因此，在壓裂施工的高壓條件下，超臨界CO2具有較高的密度和很強的溶劑化能力，能夠溶解近井地帶的重油組分和其他有機物，減小油氣在近井地帶的流動阻力，進一步提高壓裂增產的效果。

1.2 黏度、擴散系數、表面張力

超臨界CO2的黏度接近于氣體，比液體小兩個數量級，因此，即使在較小尺寸的管柱中流動，超臨界CO2的流動摩阻也不會很大，在壓裂施工中有利于降低地面泵壓，保證施工的順利進行。

同時，超臨界CO2具有較高的擴散系數，表面張力接近于0，因此滲透能力極強，所以在壓裂過程中很容易滲入儲層中的孔隙和微裂縫，從而產生大量的微裂縫網絡，提高油氣藏采收率。

2 超臨界CO2 射流的射孔能力和射流增壓效果

水力噴射壓裂技術包括水力噴砂射孔和水力壓裂兩個過程。首先，高壓壓裂液通過井下射流裝置，在套管和巖石上形成一定直徑和深度的射孔孔眼；然后，高速射流繼續進入孔眼中，直至在孔眼中滯止。根據射流增壓原理，孔眼內的滯止壓力高于環空壓力，當滯止壓力達到地層破裂壓力時，射流孔道頂端將產生裂縫并延伸［11］。所以，要實現噴射壓裂工藝，工作流體必須要具有一定的噴射射孔能力和射流增壓能力。

超臨界CO2射流的射孔機理與水射流類似，包括射流沖擊作用、楔劈作用等，但是超臨界CO2的楔劈作用特別突出（圖2）。與水相比，超臨界CO2流體的黏度較低、擴散系數較大，而且表面張力接近于0，所以非常容易滲入巖石微孔隙和微裂縫中，可有效降低巖石強度［12］。如圖3，在193 MPa 的壓差下水射流只能在Mancons 頁巖上切割出狹窄的斷口，而超臨界CO2射流可在90 MPa 的壓差下切割出更深更寬的斷口［13］。所以，利用超臨界CO2進行噴射射孔，可以在較低的壓力條件下射開套管和地層巖石，形成射孔孔眼。

圖2 水射流與超臨界CO2 射流楔劈作用對比

圖3 水射流和超臨界CO2 射流在Mancons 頁巖上的 噴射破巖效果

為了證實超臨界CO2射流的射流增壓效果，利用計算流體力學方法模擬了超臨界CO2噴射壓裂過程中的孔內流場，并對比了超臨界CO2噴射壓裂與水力噴射壓裂的孔內增壓效果。如圖4，在3 種噴嘴壓降下，超臨界CO2噴射壓裂的孔內滯止壓力都高于相同條件下水力噴射壓力的孔內滯止壓力，在噴嘴壓降為30 MPa時，其增壓值比水力噴射壓裂高2.4 MPa，可見超臨界CO2噴射壓裂具有比水力噴射壓裂更強的增壓效果。所以，利用超臨界CO2進行噴射壓裂，在相同噴嘴壓降下可獲得更高的孔內增壓值，更有利于使地層起裂。

圖4 超臨界CO2 噴射壓裂與水力噴射壓裂的 孔內壓力分布對比

綜上兩點，超臨界CO2射流比水射流的射孔能力更強，射流增壓效果更好，可以在更低的施工壓力下實現噴射射孔和壓裂工藝。

3 超臨界CO2 壓裂流體在油氣增產方面的優勢

在水力壓裂中，水基壓裂液中的水分不可避免地使儲層中的黏土膨脹，堵塞儲層孔隙，這在頁巖層和煤層等水敏性儲層中尤為嚴重。而超臨界CO2流體不含水，從根本上避免了水敏傷害的發生，是一種清潔壓裂流體。相反地，超臨界CO2滲透到儲層后，還能憑借其獨特的性質進一步提高增產效果。

（1）超臨界CO2壓裂流體不含水，不僅不會使儲層中的黏土膨脹，反而可以使致密的黏土砂層脫水，打開砂層孔道，疏通儲層與井筒間的流動通道，降低近井地帶的表皮系數［14］。

（2）相對于常規壓裂液，超臨界CO2壓裂流體黏度低而擴散能力強，表面張力接近0，所以滲透能力很強，很容易滲入儲層中的孔隙和微裂縫，從而產生大量的微裂縫網絡，最大程度地增加泄油面積，并有效地驅替其中的油氣，提高油氣藏采收率［15］。

（3）超臨界CO2溶劑化能力強，能夠溶解近井地帶的重油組分和其他有機物，降低表皮系數，減小油氣在近井地帶的流動阻力，進一步提高壓裂增產的效果。

（4）超臨界CO2滲透能力強，能滲透到原油中，使其體積膨脹，黏度降低，從而增大原油流動性，增加儲層能量，有利于儲層中原油的驅替，適合稠油油藏的增產作業［14］。

（5）與天然氣主要成分CH4一樣，CO2可被煤層、頁巖層等吸附儲層吸附，而且CO2與儲層的吸附能力強于CH4與儲層的吸附能力。所以在利用超臨界CO2噴射壓裂技術改造頁巖氣藏和煤層氣藏時，注入的CO2與CH4之間會存在競爭吸附的關系，吸附能力更強的CO2會置換出儲層中的吸附態甲烷，顯著提高氣藏的采收率［16］。

4 超臨界CO2 連續油管噴射壓裂流程及優勢

4.1 超臨界CO2 連續油管噴射壓裂流程

超臨界CO2連續油管噴射壓裂包括超臨界CO2噴砂射孔和超臨界CO2壓裂兩個過程，示意圖見圖5。在施工前要準備好充足的CO2氣源，而且CO2儲罐要加裝制冷機組，以保證儲罐內溫度在-15～10 ℃，壓力保持在4～8 MPa，以保證進入混砂車的CO2處于液態。在地層的溫度和壓力條件下，CO2流體非常容易達到超臨界條件（溫度超過31.1 ℃，壓力超過7.38 MPa）。據文獻報道，在超臨界CO2鉆井過程中，一般井深超過750 m，CO2就會進入超臨界狀態［12］。而在壓裂施工中，壓裂層位的管柱內CO2流體壓力比鉆井時更高，更容易進入超臨界狀態。因此，在絕大部分壓裂井段，CO2都已成為超臨界流體，不需要額外的相態控制手段。在極其特殊的地層情況下（如非常淺的井段或者異常低溫地層），可在井口加裝CO2加熱裝置，幫助CO2達到超臨界溫度。

圖5 超臨界CO2 連續油管噴射壓裂的原理示意圖

超臨界CO2噴砂射孔：壓裂車組將CO2和磨料的混合物通過連續油管泵入到井筒中。CO2在井筒中下行的過程中，CO2的溫度和壓力都會逐漸升高，當溫度和壓力同時超過臨界點時，CO2會從液態轉變為超臨界態。當超臨界CO2到達噴射壓裂裝置，產生超臨界CO2磨料射流，射穿套管和儲層巖石，形成射孔孔眼。

超臨界CO2壓裂：循環洗井后，通過連續油管與環空同時泵入純凈的超臨界CO2。由于超臨界CO2射流具有較強的增壓效果，孔眼內的滯止壓力明顯高于環空壓力。超臨界CO2擴散能力很強，在高壓下將滲透進入地層孔隙和微裂縫，使地層破裂壓力降低。最終，射孔孔眼內壓力超過地層破裂壓力，地層產生裂縫并延伸。最后用混砂車將支撐劑混入液態CO2，使支撐劑隨CO2進入裂縫。

超臨界CO2壓裂流體是一種清潔壓裂流體，因此作業后不需要返排，可以直接生產。如果壓裂儲層是頁巖氣藏、煤層氣藏或稠油油藏，在生產前可以關閉環空和連續油管進行燜井，使CO2充分置換頁巖氣藏和煤層氣藏中的吸附態甲烷，或使CO2與稠油充分作用，降低原油黏度，從而提高油氣藏的采收率。

4.2 超臨界CO2 連續油管噴射壓裂優勢

連續油管水力噴射分層壓裂技術一次下管柱作業層數多，避免了炮彈射孔的壓實效應，無需機械封隔，是一種有效的油氣增產手段［17］，但也面臨著嚴峻的挑戰，如：連續油管內徑小，流動摩阻大，導致井下水力能量不足；連續油管承壓能力有限，限制了施工壓力。

由于超臨界CO2的獨特性質，利用超臨界CO2進行連續油管噴射壓裂使得連續油管的優勢得到有效發揮：首先，超臨界CO2流體的黏度遠小于常規壓裂液，可顯著減小連續油管中的流動摩阻，從而保證井下噴射壓裂設備獲得足夠的水力能量；其次，由于超臨界CO2射流的破巖門限壓力低，孔內增壓效果好，利用超臨界CO2流體進行噴射壓裂，可以在連續油管的承壓條件下完成射孔和壓裂作業；最重要的是，由于超臨界CO2壓裂流體是一種清潔壓裂流體，施工后無需返排，縮短了作業周期，降低了成本，進一步發揮了連續油管技術高效、經濟的特點。

綜上，超臨界CO2連續油管噴射壓裂使超臨界CO2噴射與連續油管壓裂的技術優勢都得到了有效發揮，非常適合于頁巖氣藏、煤層氣藏、稠油油藏等非常規油氣藏的壓裂改造，有望成為未來非常規油氣資源高效開發的新型壓裂方法。

5 結論

（1）超臨界CO2流體的黏度接近于氣體、密度接近于液體，而且擴散系數較高、表面張力接近于0，吸附能力比甲烷更強，利用超臨界CO2進行連續油管噴射壓裂有望解決常規水力壓裂技術無法解決的難題。

（2）超臨界CO2射流比水射流的射孔能力更強，射流增壓效果更好，可以在更低的施工壓力下實現噴射射孔和壓裂工藝，提高了壓裂施工的安全性。

（3）利用超臨界CO2作為壓裂流體，不僅可以從根本上避免黏土膨脹、水鎖等儲層傷害的發生，而且還能憑借其獨特的性質進一步提高增產效果，尤其適合頁巖氣藏、煤層氣藏、稠油油藏等非常規油氣藏的壓裂改造。

（4）超臨界CO2連續油管噴射壓裂技術使超臨界CO2噴射與連續油管壓裂的技術優勢得到有效發揮，進一步增強了連續油管壓裂技術的適應性，有效拓寬了其作業范圍。

［1］ 李建忠，鄭民，張國生，等. 中國常規與非常規天然氣資源潛力及發展前景［J］. 石油學報，2012，33（1）：89-98.

［2］ SCHUMANN J, VOSSOUGHI S. Unconventional gas resources in the USA［M］. Melville∶ Amer Inst Physics, 2012∶ 301-306.

［3］ SOLIMAN M Y, DAAL J A, EAST L E. Impact of fracturing and fracturing techniques on productivity of unconventional formations［R］. SPE 150949, 2012.

［4］ ANDERSON R L, RATCLIFFE I, GREENWELL H C, et al. Clay swelling—a challenge in the oilfield［J］. Earth-Science Reviews, 2010, 98（3-4）∶ 201-216.

［5］ SAKMAR S L.Shale gas development in North America∶ An overview of the regulatory and environmental challenges facing the industry［R］. SPE 144279, 2011.

［6］ ARTHUR J D, COUGHLIN B J, BOHM B K. Summary of environmental issues, mitigation strategies, and regulatory challenges associated with shale gas development in the United States and applicability to development and operations in Canada［R］. SPE 138977, 2010.

［7］ 彭英利，馬承愚. 超臨界流體技術應用手冊［M］. 北京：化學工業出版社，2005：1-40.

［8］ WENIGER P, KALKREUTH W, BUSCH A, et al. Highpressure methane and carbon dioxide sorption on coal and shale samples from the Parana Basin, Brazil［J］. International Journal of Coal Geology, 2010, 84（3-4）∶ 190-205.

［9］ KUMAR K K, JOHNSTON K P. Modeling the solubility of solids in supercritical fluids with density as the independent variable［J］. Journal of Supercritical Fuilds, 1988, 1（1）∶ 15-22.

［10］ 韓布興. 超臨界流體與科學［M］. 北京：中國石化出版社，2005：1-4.

［11］ 田守嶒，李根生，黃中偉，等. 水力噴射壓裂機理與技術研究進展［J］. 石油鉆采工藝，2008，30（1）：58-62.

［12］ 沈忠厚，王海柱，李根生. 超臨界CO2連續油管鉆井可行性分析［J］. 石油勘探與開發，2010，37（6）：743-747.

［13］ KOLLE J J, MARVIN M H. Jet assisted drilling with supercritical carbon dioxide［R］. Washington∶ Tempress Technologies Inc., 2000∶ 1-12.

［14］ WANG Haizhu, SHEN Zhonghou, LI Gensheng. The development and prospect of supercritical carbon dioxide drilling［J］. Petroleum Science and Technology, 2012, 30（16）∶1670-1676.

［15］ WANG Haizhu, LI Gensheng, SHEN Zhonghou. A feasibility analysis on shale gas exploitation with supercritical carbon dioxide［J］. Energy Sources∶Part A, 2012, 34（15）∶ 1426-1435.

［16］ 周理，呂昌忠，王怡林，等. 述評超臨界溫度氣體在多孔固體上的物理吸附［J］. 化學進展，1999，11（3）：221-229.

［17］ 田守嶒，李根生，黃中偉，等. 連續油管水力噴射壓裂技術［J］. 天然氣工業，2008，28（8）：61-63.