非常規(guī)油氣CO2壓裂技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用實(shí)踐

王香增 ，孫 曉，羅 攀，穆景福

（1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安710075；2.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）

0 引言

隨著我國(guó)油氣資源勘探開發(fā)力度的不斷加大，開發(fā)以致密油氣、頁巖油氣等低品質(zhì)資源為代表的非常規(guī)油氣資源占比逐年增加［1］。2017年我國(guó)致密氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣產(chǎn)量已達(dá)478億m3，約占天然氣總產(chǎn)量的1/3，非常規(guī)油氣將成為我國(guó)未來油氣開發(fā)的重要組成部分。致密油氣、頁巖氣等低孔、低滲儲(chǔ)層普遍具有的特點(diǎn)是儲(chǔ)層物性差，滲透率普遍低于0.1 mD［2-3］，自然產(chǎn)能低于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行儲(chǔ)層改造，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。目前成熟應(yīng)用的大規(guī)模水力壓裂技術(shù)面臨著一系列挑戰(zhàn)：（1）“千方砂、萬方液”的大型水力壓裂用水量大，如在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)寧區(qū)塊，單井用水量在2萬m3以上［4-5］，與我國(guó)水資源缺乏、人均淡水占有量低的資源現(xiàn)狀矛盾突出［6］；（2）對(duì)于黏土礦物含量高的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，如鄂爾多斯盆地中生界頁巖，水敏、水鎖效應(yīng)會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成永久傷害［7-8］，導(dǎo)致壓裂效果變差，單井產(chǎn)量變低；（3）返排的胍膠壓裂液的化學(xué)組分復(fù)雜、處理難度大，存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

CO2具有無毒無害、易儲(chǔ)運(yùn)、擴(kuò)散能力強(qiáng)、可增加地層能量等特點(diǎn)，作為壓裂液的重要組成部分，20世紀(jì)60年代美國(guó)率先開展了CO2泡沫壓裂技術(shù)的研究，并于70年代首次進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。到80年代在北美地區(qū)開始開展CO2干法壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用［9］，隨后CO2壓裂技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。從90年代開始，北美90%的氣井和30%的油井均采用CO2壓裂技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行增產(chǎn)改造，每年現(xiàn)場(chǎng)施工約3 600井次，增產(chǎn)效果均在50%以上［10］。筆者系統(tǒng)分析CO2壓裂技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)、增產(chǎn)機(jī)理及技術(shù)進(jìn)展，以期促進(jìn)我國(guó)非常規(guī)油氣綠色和高效開發(fā)。

1 CO2壓裂技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

CO2壓裂技術(shù)主要適用于低滲、低壓、水敏等非常規(guī)油氣的儲(chǔ)層改造，其最大特點(diǎn)是采用液態(tài)CO2部分或者全部替代傳統(tǒng)水基壓裂液，充分利用CO2自身的物理化學(xué)特性提高儲(chǔ)層的改造效果。相對(duì)于常規(guī)水力壓裂技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于：①節(jié)水：CO2壓裂可節(jié)約大量的淡水資源，單井節(jié)水達(dá)40%以上，可緩解缺水地區(qū)的用水矛盾。以延長(zhǎng)石油為例，通過低成本（約20$/t）捕集煤化工排放的高濃度CO2（體積濃度為81.38%），用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的壓裂改造，這既降低了壓裂液的成本，同時(shí)減少了油田開發(fā)的用水。②環(huán)保：CO2壓裂化學(xué)添加劑少、返排液少，可有效降低對(duì)土壤及地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。③減排：延長(zhǎng)石油通過自主研發(fā)的壓后放噴氣體組分監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)壓后返排CO2量的連續(xù)監(jiān)測(cè)表明，CO2壓后返排量?jī)H為注入量的25%～35%，大量CO2壓后滯留在地層中。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明壓后部分CO2以地層吸附、礦物固化、地層水溶解等形式滯留地層中，實(shí)現(xiàn)了CO2的地質(zhì)埋存。④增產(chǎn)：CO2壓裂具有可以增加裂縫復(fù)雜程度、增加地層能量、降低儲(chǔ)層傷害、溶于原油后增加原油黏度、能置換吸附于頁巖的甲烷等特點(diǎn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及礦場(chǎng)實(shí)踐均證明CO2壓裂技術(shù)具有很高的技術(shù)可行性以及較好的投入產(chǎn)出比［11］。

2 CO2壓裂技術(shù)的增產(chǎn)機(jī)理

2.1 降低儲(chǔ)層傷害

CO2壓裂可顯著減少水基壓裂液的地層注入量，形成的弱酸性環(huán)境能有效抑制水敏儲(chǔ)層中黏土礦物的水化膨脹，降低儲(chǔ)層傷害，返排后的殘?jiān)^常規(guī)胍膠壓裂液更少。研究表明［12］，CO2可脫出黏土礦物中的結(jié)合水，使黏土礦物粒徑變小；CO2溶解于地層水所形成的碳酸溶液可溶解地層中的碳酸鹽等礦物（圖1），這可有效改善儲(chǔ)層的物性［13］。

2.2 降低巖石起裂壓力

CO2具有表面張力小的特點(diǎn)，超臨界CO2的表面張力幾乎為0 MPa，可進(jìn)入任何大于其分子直徑的空間［14-15］。相對(duì)于水基壓裂液，CO2能更有效地滲入巖石孔隙或基質(zhì)，增加孔隙壓力［16-21］，降低巖石的起裂壓力，更有利于造縫，降低施工壓力。如圖2所示，由三軸應(yīng)力條件下CO2壓裂與水力壓裂起裂壓力對(duì)比曲線可看出，相同條件下超臨界CO2壓裂巖石起裂壓力比液態(tài)CO2低15%，約為水力壓裂的一半。

圖1 液態(tài)CO2濾失前（a）和濾失后（b）巖心端面SEM照片對(duì)比Fig.1 Core surface SEM pictures before（a）and after（b）liquid CO2filtration experiment

圖2 CO2壓裂與水力壓裂起裂壓力對(duì)比Fig.2 Initiation pressure correlation between hydraulic fracturing and CO2fracturing

2.3 易于形成復(fù)雜縫網(wǎng)

超臨界或液態(tài)CO2的黏度不足水基壓裂液的1/100［22］，擴(kuò)散性約為水的10倍，壓裂時(shí)具有更好的貫穿能力。在裂縫延伸過程中CO2能夠進(jìn)入水基壓裂液無法進(jìn)入的微小孔隙，這能增加裂縫擴(kuò)展壓力，降低地應(yīng)力對(duì)裂縫擴(kuò)展方位的制約，有效地溝通地層天然裂縫，形成更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)［23-24］。進(jìn)一步研究表明，CO2壓裂形成的裂縫可有效引導(dǎo)后續(xù)水力壓裂裂縫的擴(kuò)展，這能促進(jìn)形成具有高導(dǎo)流能力的復(fù)雜立體縫網(wǎng)（圖3），增加儲(chǔ)層改造體積。

圖3 不同壓裂階段裂縫形態(tài)監(jiān)測(cè)圖Fig.3 Fracture extending shape under different fracturing stages

2.4 置換甲烷

CO2在巖石表面的吸附能力比甲烷更強(qiáng)。等溫吸附測(cè)試表明CO2在巖石表面的吸附能力是甲烷的4～16倍，CO2分子與巖石間的作用力更強(qiáng)，更具競(jìng)爭(zhēng)性，可高效置換巖石表面的吸附甲烷，使甲烷由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，從而提高氣井產(chǎn)量。

2.5 降低原油黏度

通過壓裂方式注入地層的CO2會(huì)快速與近井地帶原油形成混合相，一方面會(huì)顯著降低原油黏度，提高原油的流動(dòng)性；另一方面CO2溶解于原油，可使原油體積膨脹，增加液體的內(nèi)動(dòng)能，從而最終提高原油的采出效果。

3 CO2壓裂技術(shù)進(jìn)展

3.1 CO2泡沫壓裂技術(shù)

CO2泡沫壓裂技術(shù)采用液態(tài)CO2與水基壓裂液混合注入的形式，并以形成泡沫體積分?jǐn)?shù)（CO2體積比）大于52%的混合流體作為攜砂液。由于具有獨(dú)特、穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)，使得CO2泡沫壓裂液具有黏度高、地層濾失低、增能助排效果好的特點(diǎn)，同時(shí)CO2溶于水基壓裂液形成的酸性流體可有效抑制黏土膨脹、降低儲(chǔ)層傷害，是一種適用于低壓、水敏性儲(chǔ)層的改造技術(shù)［25］。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的泡沫體系主要是水基CO2泡沫，常用的與CO2混合的聚合物壓裂液主要有羥丙基胍膠、羥甲基胍膠與羧甲基胍膠等，但由于常規(guī)聚合物壓裂液普遍存在殘?jiān)扛摺⒉荒退帷?chǔ)層傷害大等問題，與CO2配伍的低傷害弱酸性水基壓裂液研發(fā)是CO2泡沫壓裂技術(shù)的主要發(fā)展方向。Hosseini等［26］使用油田采出水作為配液基液，既減少了水資源的需求，又解決了水與地層的配伍問題，選用的PENCP泡沫穩(wěn)定劑提高了高礦化度液體中的泡沫穩(wěn)定性。陳挺等［27］通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成的易降解的多元共聚物CLT-1，增大了壓裂液的返排能力，使CO2泡沫壓裂液破膠后殘?jiān)|(zhì)量濃度降到73 mg/L，該壓裂液體系在蘇里格氣田Ⅱ類井壓裂后得到了31.1萬m3/d的無阻流量［27］。延長(zhǎng)石油集團(tuán)研發(fā)的小分子黏彈性表面活性劑，開發(fā)形成的VES-CO2清潔泡沫壓裂液可將泡沫壓裂液儲(chǔ)層傷害率降低至20%以內(nèi)［28］，同時(shí)在80℃，500 s-1條件下黏度仍然可以保持在 60 mPa·s以上［29］（圖4），成本較胍膠壓裂液體系降低了10%～15%，實(shí)現(xiàn)了CO2泡沫壓裂技術(shù)向無殘?jiān)⒌蛡Α⒌统杀镜姆较虬l(fā)展。

圖4 VES-CO2泡沫壓裂液流變特性測(cè)試曲線（剪切速率500 s-1）Fig.4 Rheology characteristics curve of VES-CO2foam fracturing fluid

3.2 CO2混合壓裂技術(shù)

對(duì)于低壓、低滲儲(chǔ)層，常規(guī)水力壓裂存在水鎖傷害、壓后返排率低等問題，可以采用CO2增能壓裂的方式解決。通過注入體積濃度小于50%的液態(tài)CO2，可以有效增加地層能量，提高返排效率，減小儲(chǔ)層傷害。傳統(tǒng)增能壓裂采用的是CO2伴注的方式，這種方式存在施工摩阻高、砂比低、難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模改造等問題。CO2混合壓裂技術(shù)，首先利用CO2自身易破巖、高造縫的能力進(jìn)行前置純CO2壓裂，隨后配合水力加砂壓裂擴(kuò)展和支撐裂縫，其工藝流程如圖5所示，可以有效解決CO2伴注增能壓裂的技術(shù)難題，簡(jiǎn)化施工流程、降低施工成本。

圖5 CO2混合壓裂工藝流程Fig.5 Process flow diagram of CO2mixed fracturing technology

同時(shí)相對(duì)于常規(guī)水力加砂壓裂，前置CO2壓裂有效地開啟了微裂縫，增加了人工裂縫的擴(kuò)展方位和復(fù)雜程度（圖6），而后續(xù)水力加砂壓裂可進(jìn)一步延伸及有效支撐裂縫，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的增能、體積改造和大規(guī)模改造。延長(zhǎng)石油集團(tuán)采用液態(tài)CO2/滑溜水混合壓裂技術(shù)在鄂爾多斯盆地陸相頁巖應(yīng)用表明，用較純滑溜水壓裂，返排率由40%提高到了72.6%，排液周期由 45 d縮短至25 d［30］。在東勝氣田開展了使用超臨界CO2作為前置液、以液態(tài)CO2/雙極性壓裂液混合液作為攜砂液的復(fù)合壓裂先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，較常規(guī)壓裂更易形成復(fù)雜縫網(wǎng)［31］。

3.3 CO2干法壓裂技術(shù)

CO2干法壓裂技術(shù)使用純液態(tài)CO2作為壓裂液，無水相注入地層，可完全避免地層水敏傷害，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層無傷化改造。自20世紀(jì)80年代首次應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)以來，已開展累計(jì)超過1 000井次的現(xiàn)場(chǎng)施工，廣泛應(yīng)用于滲透率在0.1～10 000.0 mD的各種地層中，最大作業(yè)井深已超過3 000 m，延長(zhǎng)油田在陸相頁巖的成功應(yīng)用進(jìn)一步表明了CO2干法壓裂技術(shù)是一種適用于強(qiáng)水敏超低滲儲(chǔ)層改造的技術(shù)，也是陸相頁巖最具前景的增產(chǎn)措施。

圖6 不同壓裂方式裂縫形態(tài)對(duì)比Fig.6 Fracture extending shape under different fracturing technology

液態(tài)CO2作為牛頓流體，其攜砂方式為純黏性攜砂，而施工條件下液態(tài)CO2黏度低，不到水黏度的1/10，攜砂性能差、地層濾失高，導(dǎo)致CO2干法壓裂施工砂比低、加砂難度大，僅通過提高施工排量改善攜砂性能的方式會(huì)顯著增加施工摩阻［32］，不利于施工安全，因此CO2干法壓裂如何加砂是當(dāng)前世界性難題，目前普遍采用的是添加增黏劑，從而增加液態(tài)CO2黏度，提高攜砂性能的方式。從國(guó)外現(xiàn)有報(bào)道看，高分子非氟聚合物類增稠劑效果需要提高，含氟聚合物類增稠劑成本較高，含硅聚合物類增稠劑需要較多共溶劑，有機(jī)小分子類增稠劑效果有限。中國(guó)石油大學(xué)（北京）研發(fā)的高級(jí)脂肪酸增稠劑［33］，可將液態(tài) CO2增黏17～184倍，并在長(zhǎng)慶氣田得到了成功應(yīng)用，但是現(xiàn)有液態(tài)CO2增稠劑均為非極性溶劑，水溶性差，可降解能力低，壓后增稠劑滯留地層，會(huì)造成儲(chǔ)層傷害。延長(zhǎng)石油為解決CO2干法加砂難題，采用的是自懸浮超低密度支撐劑，不添加增稠劑的方式，形成了無增黏CO2干法加砂壓裂技術(shù)。采用的支撐劑為納米材料聚合物小球，是目前全球已知密度最低的支撐劑，如1表所列，支撐劑視密度為0.95～1.05 g·cm-3，可在液態(tài)CO2中保持懸浮，既解決了液態(tài)CO2攜砂難題，同時(shí)保證了地層完全無傷化改造。

表1 自懸浮支撐劑常規(guī)物性檢驗(yàn)Table 1 Conventional physical property testing of self-suspension proppant

制約國(guó)內(nèi)CO2干法壓裂技術(shù)推廣的主要原因是壓裂設(shè)備不配套，尤其是密閉混砂裝置，目前全國(guó)僅有7套密閉混砂車，無法滿足大量生產(chǎn)應(yīng)用需求，且最大有效容積僅為25 m3，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工加砂規(guī)模較小，無法實(shí)現(xiàn)裂縫的有效支撐。

4 CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，我國(guó)吉林、長(zhǎng)慶、中原、延長(zhǎng)等油田相繼開展CO2壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用已超過350井次［34-35］。以延長(zhǎng)石油為例，采用CO2壓裂技術(shù)先后在致密油、致密氣以及陸相頁巖氣開展了167井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其中在延安氣田山2段、盒8段等致密氣層主要采用的是CO2混合壓裂技術(shù)以及VES-CO2清潔泡沫壓裂技術(shù)，與液氮伴注增能壓裂相比，壓裂液返排率平均提高15%，投產(chǎn)時(shí)間平均縮短10 d，單井產(chǎn)量提高了2～8倍，增產(chǎn)效果顯著；在長(zhǎng)6、長(zhǎng)8等油層組的致密油層主要采用的是CO2混合壓裂技術(shù)（表2），壓后壓裂液返排率較鄰井提高25%，平均單井產(chǎn)量是相鄰常規(guī)水力壓裂井的1.9倍；延長(zhǎng)陸相頁巖氣主要采用的是CO2混合壓裂技術(shù)及無增黏CO2干法壓裂技術(shù)，單井日產(chǎn)氣量從水力壓裂的平均8 000 m3提高至2萬m3以上，其中延20 XX井獲日產(chǎn)6.92萬m3高產(chǎn)工業(yè)氣流，取得了頁巖氣產(chǎn)量的突破，為陸相頁巖氣高效開發(fā)提供了技術(shù)保障。

表2 延長(zhǎng)油田致密油井CO2壓裂與水力壓裂產(chǎn)量對(duì)比表Table 2 Contrast of Yanchang tight oil production between CO2fracturing and hydraulic fracturing

5 結(jié)論

（1）近20年來，國(guó)內(nèi)已逐步形成了CO2混合壓裂、CO2干法加砂壓裂、超臨界CO2壓裂等技術(shù)系列，并取得了良好的應(yīng)用效果。CO2壓裂技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)，能在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層體積改造的同時(shí)降低儲(chǔ)層傷害，增加地層能量，提高壓后返排效果，增加單井產(chǎn)量，同時(shí)該技術(shù)可以節(jié)約大量淡水資源、降低水力壓裂對(duì)地層水以及土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)捕集CO2的地層埋存。

（2）無論是液態(tài)CO2還是超臨界CO2，低黏度的特性使其更易進(jìn)入地層微小孔隙，促進(jìn)形成復(fù)雜縫網(wǎng)，但低黏也使其攜砂性能變差，因此，配套的CO2低成本高效的増黏劑、低密度高強(qiáng)度的支撐劑是需要研究的方向，確定合適的增黏程度也是值得探討的問題。

（3）CO2干法加砂壓裂對(duì)儲(chǔ)層幾乎沒有傷害，但目前面臨的最大問題是缺乏大容量大排量的密閉混砂裝置，導(dǎo)致加砂規(guī)模較小；CO2伴注增能與CO2泡沫壓裂面臨的問題則是管柱摩阻相對(duì)于常規(guī)水基壓裂液高得多，不太適用于深度較大的地層。

（4）未來通過工藝技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化、研發(fā)配套設(shè)備及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，積極探索區(qū)塊整體開發(fā)模式，CO2壓裂技術(shù)必將極大地促進(jìn)我國(guó)非常規(guī)油氣綠色開發(fā)和高效開發(fā)。