液態(tài)CO2壓裂技術(shù)與工藝研究

張世春

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西部低滲-特低滲油藏開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西西安 710065）

液態(tài)CO2壓裂技術(shù)與工藝研究

張世春1，2

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西部低滲-特低滲油藏開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西西安 710065）

本文通過(guò)對(duì)液態(tài)CO2壓裂關(guān)鍵技術(shù)要求做了介紹，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂初期的非穩(wěn)態(tài)變化過(guò)程和穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)液態(tài)CO2壓裂技術(shù)在油氣田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

液態(tài)CO2壓裂；體積排量；黏度

液態(tài)CO2壓裂技術(shù)將混合有支撐劑的液態(tài)二氧化碳利用密閉混砂車(chē)泵入地層進(jìn)行壓裂作業(yè)。其CO2密閉混砂車(chē)，技術(shù)占有核心地位。該工藝典型處理范圍是在114 m3～136 m3的液態(tài)二氧化碳中加16 t～21 t支撐劑。液態(tài)CO2壓裂技術(shù)可以解決低壓低滲以及水敏性地層在利用水力壓裂時(shí)存在的問(wèn)題。

1 液態(tài)CO2壓裂技術(shù)要求

壓裂過(guò)程中對(duì)于攜砂液的攜砂能力具有很高要求，而且在作業(yè)過(guò)程中對(duì)于其泵送速度和湍流度具有嚴(yán)格要求。作業(yè)過(guò)程中如果攜砂液的泵入速度過(guò)低，其攜砂能力會(huì)嚴(yán)重下降；泵入速度過(guò)高，又會(huì)使得攜砂液的消耗量及泵送摩阻增加，結(jié)果會(huì)使得壓裂作業(yè)成本過(guò)高。將液體CO2用于攜砂液而不添加水或其他處理劑是CO2壓裂作業(yè)的核心技術(shù)[1]。由于液體CO2的黏度約為水黏度的1/10很低，作為攜砂液其攜砂能力較差，為了滿(mǎn)足壓裂的施工要求，壓裂施工時(shí)最好使用壓裂作業(yè)技術(shù)要求排量在5.0 m3/min～9.0 m3/min的φ114.3 mm或φ139.7 mm的壓裂管線(xiàn)。

2 液態(tài)CO2壓裂工藝中非穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析

在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬壓裂初期壓裂液的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程（見(jiàn)圖1）。通過(guò)分析圖1（a）可知，壓裂初始階段，壓裂液從井口泵入地層的過(guò)程中，前期泵入的壓裂液會(huì)被地層迅速加熱，壓裂液進(jìn)入井筒后使得井筒周?chē)牡貙訙囟冉档?，壓裂液與地層的溫度差不斷減小，經(jīng)過(guò)2 min～5 min后，兩者溫度差逐漸趨于零[2]。在壓裂作業(yè)中常使用φ114.3 mm或φ139.7 mm的管道輸送壓裂液，因此以壓裂液排量5.0 m3/min～9.0 m3/min對(duì)壓裂初期非穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果（見(jiàn)圖1、表1、表2）。

由圖1（b）可知，當(dāng)壓裂穩(wěn)定后井底壓力值高于壓裂初期井底壓力值。在壓裂過(guò)程中，地層溫度較高，對(duì)泵入的液體CO2壓裂液進(jìn)行加熱會(huì)導(dǎo)致壓裂液密度降低，泵入壓裂液的摩擦壓降也將不斷變化。

圖1 壓裂液泵入地層后其參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系圖

表1 φ114.3 mm管道不同排量時(shí)壓裂液參數(shù)計(jì)算表

表2 φ139.7 mm管道不同排量時(shí)壓裂液參數(shù)計(jì)算表

圖1（c）中壓裂液泵入量為6.0 m3/min，當(dāng)壓裂液泵送至地層深度2 000 m處時(shí)，由于升溫膨脹，壓裂液膨脹率高達(dá)17.2%。在進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，泵入的溫度較低的液體CO2使得壓裂管線(xiàn)遇冷收縮，因此，作業(yè)時(shí)為避免壓裂事故的發(fā)生，禁止使用應(yīng)力調(diào)解采油封隔器，而應(yīng)該使用壓力調(diào)解采油封隔器。

3 結(jié)論

（1）在壓裂目的層位，地層溫度變化會(huì)引起地層應(yīng)力變化，其變化結(jié)果對(duì)于壓裂井井筒射孔孔眼附近地層的開(kāi)裂有極大的幫助作用。

（2）液體CO2用于攜砂液而不添加水或其他處理劑，故壓裂液中只有液態(tài)CO2和支撐劑顆粒，對(duì)地層無(wú)污染。而且液態(tài)CO2易溶于油和水，其溶于油后可以降低油的黏度從而改善其流動(dòng)性；溶于水后生成pH值在3.3～3.7的碳酸水溶液，在與含有黏土的地層接觸之后可以抑制黏土膨脹。

（3）隨著井深的增加儲(chǔ)層的溫度梯度不斷加大。當(dāng)井深為2 000 m時(shí)，地層溫度較大易引起井筒周?chē)鷥?chǔ)層熱應(yīng)力增加，易于儲(chǔ)層壓裂。

（4）在壓裂作業(yè)過(guò)程中液態(tài)CO2與其他施工流體混合后，在被泵入井內(nèi)過(guò)程中其仍然能保持液態(tài)，進(jìn)而維持液態(tài)CO2良好的攜砂性能。

［1］劉青峰，馬曉爽.液態(tài)CO2壓裂技術(shù)及在油田增產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科技博覽，2011，（15）:286.

［2］陸友蓮，王樹(shù)眾，沈林華，宋振云，李志航.純液態(tài)CO2壓裂非穩(wěn)態(tài)過(guò)程數(shù)值模擬［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（11）:93-95+144-145.

Research and field application of liquid CO2fracturing technology

ZHANG Shichun1，2
（1.College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.MOE Engineering Research Center of Development＆Management of Western Low ＆ Ultra-Low Permeability Oilfield，Xi'an Shanxi 710065，China）

Based on the key technology of liquid CO2requirements of the fracturing is introduced,and combined with the unsteady process and steady state change process of fracturing early analysis,provide technical reference for the field of liquid CO2fracturing of oil and gas fields.

liquid CO2fracturing；volume displacement；viscosity

TE357.13

A

1673-5285（2017）11-0059-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.11.014

2017-10-26

張世春（1992-），碩士，就讀于西安石油大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)業(yè)，目前從事于天然氣開(kāi)采，提高采收率方面的研究工作，郵箱：1256139052@qq.com。