二氧化碳壓裂供液系統設計

楊延增, 聶 俊, 葉文勇, 章東哲, 趙航博, 宋曉梅, 譚 歡

(1 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 3中國石油天然氣集團公司油氣藏改造重點實驗室-二氧化碳壓裂增產研究室)

在低滲透油氣藏增產開發中，CO2壓裂技術作為一種無水壓裂新技術，以無水的液態CO2作為壓裂介質，具有低傷害、易返排、造縫容易、環保等優點，適合低壓低滲透、致密及水敏性強的復雜巖層，對油氣層傷害嚴重、含水率較低的儲層改造效果良好，可大幅提高單井產量[1-4]。

在CO2壓裂技術前期應用中，使用常規的CO2運輸槽車、CO2增壓泵車作為壓裂車的供液組合裝備。通過前期多井次的現場試驗，發現采用這種供液方式存在以下四個方面的問題：

(1)施工過程中增壓泵車的抽汲作用和管路摩阻使地面供液管線中的液態CO2部分氣化，導致壓裂車走空泵，排量難以提高且極不穩定，容易造成砂堵[5-6]。

(2)使用的常規CO2運輸槽車氣、液相接口尺寸較小，無法滿足CO2壓裂施工排量要求。

(3)由于管線摩阻影響，CO2槽車液位下降的速度不一致，若其中一臺或多臺槽車內的液態CO2提前用盡，會導致氣體進入地面管線，造成壓裂車走空泵。

(4)根據目前CO2壓裂施工規模，每次所需的CO2槽車數量10余臺，由于常規CO2運輸槽車為大型半掛車，因此對井場面積有較高要求。

針對上述問題，通過設計制造專用的CO2儲罐，引入氣體增壓技術，開發全自動供液控制系統，形成一套完善的供液系統，完全解決了CO2壓裂施工中存在的供液問題。

一、技術分析

防止液態CO2氣化是實現大排量CO2壓裂施工的關鍵。依托于中國石油天然氣集團公司油氣藏改造重點實驗室-二氧化碳壓裂增產研究室，在室內試驗平臺對CO2的特性進行研究，從理論上分析了氣體增壓的原理。

1.理論計算

液態CO2在管中為氣-液混合的兩相流動，模擬現場施工情況，當施工管線內CO2溫度t=-20℃，施工壓力p=1.9 MPa時氣、液CO2的密度分別為ρc=51.41 kg/m3、ρl=1 029.9 kg/m3，由式(1)～式(4)可以計算得到管線中CO2氣液相體積比為Vc/Vl≈1.4，說明在現場施工過程中由于增壓泵車的抽吸和管路的摩阻，液態CO2的氣化現象非常嚴重。

(1)

(2)

Uc/Ul≈1.4

(3)

(4)

式中：mr—管內兩相流總流量，kg/s；

Uc、Ul—管內CO2氣、液相流速m/s，通常Uc/Ul=1.4；

αc—管內氣相CO2的質量分數；

A—管段截面積，m2；

ρl—液態CO2密度，kg/m3。

2.氣體增壓原理

液態CO2常規情況下處于臨界狀態，此時CO2狀態與圖1中OC段曲線一致[4]，假設此時CO2位于圖1中的點p2。

液態CO2輸送到壓裂車的過程中，由于管路沿程摩阻及增壓泵車的抽汲導致液態CO2產生壓力降，部分液相轉換為氣相，造成CO2供液能力下降、壓裂車走空泵、施工排量降低、排量波動。

氣體增壓就是在處于臨界狀態下的CO2之上使用增能氣體進行增壓，氣體增壓作用后，設此時CO2位于圖1點p3，若Δp1=p3-p2、增壓泵車的抽汲和地面管路的摩阻轉換為當量壓頭損失為Δp2，那么只要保證氣體增壓后Δp1>Δp2，就能確保CO2始終處于液相狀態，即圖1中D區。

圖1 氣體增壓原理

二、系統功能

1.氣體增壓功能

(1)主要由氣體增壓裝置實現該功能，利用增能氣體穩定的物理特性給CO2儲罐加壓，防止液態CO2從儲罐輸送到壓裂車的過程中因氣化而導致壓裂車走空泵。

(2)使用增能氣體驅替儲罐內的液態CO2，使壓裂車得到持續且穩定的供液。

2.CO2儲罐供液控制功能

CO2儲罐供液控制系統地面設備包括CO2儲罐、地面管匯,主要滿足以下功能：

(1)采集各CO2儲罐壓力參數，自動控制輸出壓力調節閥開度(如圖2)，使最大壓力穩定在一定范圍內。

(2)系統采集各CO2儲罐液位參數，通過計算和比對，控制CO2儲罐流量調節閥(如圖2)至適當開度以保證施工過程中各儲罐的液位同步下降。

(3)控制系統將采集到的氣體增壓裝置各種電測參數、CO2儲罐壓力及液位等傳送至儀表車。

三、系統結構

1.氣體增壓裝置

氣體增壓裝置分為兩條管路，對稱分布，減壓閥前端為高壓管匯區(圖3中A區)，減壓閥后端為低壓管匯區(圖3中B區)，兩條管路之間通過連通閥連通，出口主管路上設置有流量計、壓力傳感器。施工過程中，氣體增壓裝置的?101.6 mm出口與CO2儲罐氣相通過管線連接，增能氣源從氣體增壓裝置的高壓入口經減壓閥，轉換成低壓氣體，提供給CO2儲罐。

圖3 氣體增壓裝置管匯系統

2.CO2儲罐

CO2儲罐用來存放CO2液體，為壓裂車供液。液相輸出為?101.6 mm接口，能滿足大排量施工要求；相比CO2槽車，其占地更小，便于井場擺放。

3.控制系統

控制系統對氣體增壓裝置、CO2儲罐、各項電測參數實時監測，在施工過程中自動控制CO2儲罐和壓力調節閥、流量調節閥開度從而控制壓力和液位，連接至儀表車上的手提控制箱，在儀表車上實現對氣體增壓裝置、CO2儲罐、地面管匯遠程控制。

4.地面管匯

地面管匯是氣、液相介質的流動通道，指施工過程中的低壓區內所有管線和分配器，主要包括氣體增壓管匯(如圖4藍色線)、上液管匯(如圖4綠色線)。氣體增壓管匯內介質為增能氣體，以串連方式為CO2儲罐增壓；上液管匯內介質為液態CO2，為壓裂車供液。

圖4 地面管匯布置

四、現場應用

供液系統自2017年4月開始先后在長慶油田公司、延長石油集團進行了多井次的現場應用，應用結果表明該系統能從根本上解決壓裂車走空泵、排量波動、CO2供液能力有限的問題。

如2017年8月在長慶蘇里格氣田試驗井3進行的CO2干法加砂壓裂現場試驗,該井井深3 420 m，采用油套同注、環空加砂方式壓裂，壓裂施工過程順利，壓裂施工參數如表1所示。此次施工刷新了國內氣田相同工藝井深之最、單井單層加砂量之最、環空排量之最、施工砂比之最，最高砂比達到15%。

表1 試驗井3壓裂施工參數統計表

該供液系統控制CO2儲罐壓力在2.1 MPa，從圖5可知氣體增壓平穩，CO2儲罐出液穩定；壓裂施工環空排量始終穩定在3.7～4.5 m3/min,大排量為大砂比施工奠定了基礎，有效改善了壓后效果。

圖5 氣體增壓系統增壓壓力、施工排量曲線

五、結論

(1)該供液系統從根本上解決了CO2壓裂施工過程中液態CO2氣化而導致的壓裂車走空泵問題。

(2)該供液系統保證了施工過程中持續、穩定為壓裂車供液。

(3)該供液系統現場試驗成功為今后大砂比、大排量CO2壓裂技術的推廣應用提供了技術支撐。

(4)該供液系統可應用于CO2伴注壓裂、CO2泡沫壓裂、增能壓裂，保證大排量施工的同時提高液態CO2利用效率。