CO2 準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用

羅成

中國(guó)石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院

致密砂巖氣藏普遍具有儲(chǔ)層物性差、黏土礦物含量高的特點(diǎn),常規(guī)水力壓裂易對(duì)儲(chǔ)層造成水敏、水鎖傷害,影響增產(chǎn)效果。液態(tài)CO2壓裂技術(shù)作為一種最新的可替代水的低傷害、清潔環(huán)保的無水壓裂技術(shù),具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-4]。

近年來,國(guó)內(nèi)外發(fā)展了CO2干法壓裂,該技術(shù)使用100%液體CO2為壓裂液,可避免對(duì)儲(chǔ)層的水敏水鎖傷害,返排時(shí)CO2以氣態(tài)排出,無殘留、無傷害。按照液體是否增稠,可分為純干法壓裂和增稠干法壓裂。增稠干法壓裂可將液態(tài)CO2提黏17～184倍,提高了液體造縫攜砂性能。但CO2干法壓裂也存在一些問題:①需要密閉的混砂設(shè)備來實(shí)現(xiàn)支撐劑與液體CO2混合,支撐劑中含有水分,在低溫下易凍堵,安全風(fēng)險(xiǎn)高;②加砂規(guī)模受密閉混砂設(shè)備的儲(chǔ)罐尺寸限制,國(guó)內(nèi)密閉儲(chǔ)罐最大容積為25 m3;③需要特殊設(shè)備多,操作相對(duì)復(fù)雜。基于以上原因,研究了CO2準(zhǔn)干法壓裂,該技術(shù)是液態(tài)CO2干法壓裂和常規(guī)水基壓裂的結(jié)合,具有低傷害,無需專用密閉混砂設(shè)備,操作流程控制相對(duì)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模加砂壓裂等特點(diǎn)[5-10]。

1 CO2 準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)

CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)是以70%的液態(tài)CO2和30%的清水混合,并加入AP-6和AP-2增稠劑,形成具有一定黏度的混合相液體,通過地面高壓泵以較大排量注入,壓開地層形成一條動(dòng)態(tài)裂縫,并對(duì)動(dòng)態(tài)裂縫進(jìn)行加砂充填,施工結(jié)束后,為油氣的流出提供一條具有較高滲透性的滲流通道,從而達(dá)到增產(chǎn)改造目的。

1.1 CO2 準(zhǔn)干法壓裂液性能研究

壓裂工作液性能是CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)實(shí)施成敗的關(guān)鍵因素,需要具有:液態(tài)CO2和清水混合后形成均勻穩(wěn)定的混合相;壓裂液體系要有一定黏度,可滿足造縫加砂需求。因此,重點(diǎn)研究了以下幾個(gè)問題:

(1)液態(tài)CO2的黏度低,懸砂能力和降濾失性能差,不利于壓裂造縫,需要評(píng)價(jià)AP-2 增稠劑在液態(tài)CO2中溶解狀態(tài)和增稠后的懸砂性能。

(2)液態(tài)CO2是一種弱溶劑,與清水不互溶,CO2準(zhǔn)干法壓裂工藝需要利用含有少量水基壓裂液的液態(tài)CO2體系進(jìn)行攜砂。因此,需要評(píng)價(jià)AP-6增稠劑在清水中的增黏性能,且增黏后的液體在液態(tài)CO2中能夠較好地分散,形成穩(wěn)定的混合相。同時(shí)優(yōu)化液態(tài)CO2和水基的混合比例,在保證壓裂液性能穩(wěn)定的條件下,水基壓裂液用量要求最少,傷害最小。

(3)CO2準(zhǔn)干法壓裂工藝需要加砂,故需評(píng)價(jià)壓裂液體系的耐溫耐剪切性能,滿足造縫和攜砂的需求。

1.1.1 主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

利用CO2水基壓裂液高壓測(cè)試儀,開展了液態(tài)CO2增稠劑AP-2的增稠懸砂效果和液態(tài)CO2與水基壓裂液混合比例研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作壓力0～30 MPa,工作溫度-10～90℃,高壓配樣器容積500 mL。

實(shí)驗(yàn)流程:先在高壓配樣器中預(yù)置實(shí)驗(yàn)所需的樣品(添加劑、支撐劑、水基壓裂液),向其中注入CO2氣體,隨著壓力逐漸升高,CO2轉(zhuǎn)化為液態(tài),利用攪拌電機(jī)充分?jǐn)嚢枧錁悠髦械囊后w,通過可視窗觀察液體的狀態(tài)。高壓配樣器帶有等壓轉(zhuǎn)移功能,可將配制好的壓裂液轉(zhuǎn)移至中間活塞容器,進(jìn)行巖心驅(qū)替?zhèn)?shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)(見圖1)。

1.1.2 液態(tài)CO2 增稠劑AP-2增稠效果評(píng)價(jià)

在30～90 ℃下,開展了AP-2增稠劑在液態(tài)CO2中的溶解狀態(tài)和懸砂性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表1 和圖2。從表1和圖2可看出,AP-2增稠劑易分散和溶解于液態(tài)CO2中,無分散相。隨著實(shí)驗(yàn)溫度和壓力的逐漸升高,增稠后液態(tài)CO2體系穩(wěn)定,懸砂性能好,陶粒無沉降現(xiàn)象。

表1 不同溫度、壓力下AP-2增稠效果測(cè)試

1.1.3 AP-6自交聯(lián)壓裂液性能評(píng)價(jià)

AP-6增稠劑加入清水中可形成一種乳液型一體化自交聯(lián)壓裂液,具有增黏速度快,在液態(tài)CO2中分散性好的特點(diǎn),適合CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)。

(1)AP-6 自交聯(lián)壓裂液增黏和懸砂性能評(píng)價(jià)。清水中加入1.5%(φ,下同)的AP-6增稠劑后,10～20 s可溶解,利用旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)試其表觀黏度可達(dá)100 m Pa·s以上,加入50%(體積分?jǐn)?shù))的支撐陶粒,在90℃的水浴中靜置懸砂1 h,無沉降(見圖3),可滿足攜帶高含量砂漿的需求(最高地面砂體積分?jǐn)?shù)可達(dá)50%～60%)。

(2)AP-6自交聯(lián)壓裂液在液態(tài)CO2中分散性評(píng)價(jià)。利用CO2水基壓裂液高壓測(cè)試儀,在高壓配樣器中提前預(yù)置AP-6自交聯(lián)壓裂液,采用低溫氮?dú)夂銐恨D(zhuǎn)移方法,把液態(tài)的CO2轉(zhuǎn)移至高壓配樣器中。在溫度83 ℃、壓力19 MPa、攪拌速度1400 r/min的條件下,可看出攪拌前液態(tài)CO2在上部,AP-6自交聯(lián)壓裂液在下部,二者之間存在界面;攪拌后乳液型一體化自交聯(lián)壓裂液能夠在液態(tài)CO2中快速均勻分散,形成穩(wěn)定的混合相(見圖4)。

(3)液態(tài)CO2和AP-6自交聯(lián)壓裂液混合比例研究。在80 ℃,壓力20 MPa,攪拌速度1400 r/min的條件下,測(cè)試清水和液態(tài)CO2按不同比例混合、加入2%的AP-2和1.5%的AP-6 后,支撐劑的沉降速度見表2。隨著清水比例不斷提高,支撐劑的沉降速度逐漸加快,當(dāng)清水體積分?jǐn)?shù)大于40%后,支撐劑沉降速度加快。CO2準(zhǔn)干法壓裂工藝實(shí)施中,優(yōu)選AP-6自交聯(lián)壓裂液的體積分?jǐn)?shù)為10%～30%。若按6 m3/min的施工排量計(jì)算,泵注水基壓裂液的排量在0.6～1.8 m3/min,需要攜帶高濃度的砂漿,高砂比、低排量易造成壓裂泵車出現(xiàn)沉砂、抽空風(fēng)險(xiǎn)。因此,液態(tài)CO2與AP-6自交聯(lián)壓裂液的最優(yōu)體積比為7∶3。

表2 液態(tài)CO2 和AP-6自交聯(lián)壓裂液混合比例

1.1.4 準(zhǔn)干法壓裂液流變性能評(píng)價(jià)

利用哈克RS6000高溫高壓流變儀,配套CO2流變測(cè)試組件(最高耐壓30 MPa),開展CO2準(zhǔn)干法壓裂液流變性能測(cè)試。測(cè)試準(zhǔn)干法壓裂液體系為70%的液態(tài)CO2+30%的清水,并加入1.5%的AP-6 和2.0%的AP-2增稠劑。在80 ℃、170 s-1下,90 min表觀黏度大于53 mPa·s(壓力由9.52 MPa上升至29.74 MPa)。結(jié)果(見圖5)表明,CO2準(zhǔn)干法壓裂液耐溫耐剪切性能較好,能夠滿足壓裂造縫、攜砂的要求。

1.1.5 準(zhǔn)干法壓裂液巖性傷害評(píng)價(jià)

由表3可知,針對(duì)冀東油田南堡某斷塊沙三1儲(chǔ)層的巖心,CO2準(zhǔn)干法壓裂液(70%液態(tài)CO2+30%清水+1.5%AP-6+2.0%AP-2)對(duì)巖心的平均傷害率為-4%,具有明顯降低儲(chǔ)層傷害的優(yōu)勢(shì),且CO2注入后溶蝕巖心中的碳酸鹽類礦物,疏通了微小孔喉,可提高巖心滲透性。

表3 巖心傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 CO2 準(zhǔn)干法壓裂工藝流程

CO2準(zhǔn)干法壓裂具有操作簡(jiǎn)單、無需密閉混砂設(shè)備的特點(diǎn)。其工藝流程可分為兩部分:一部分為液態(tài)CO2注入系統(tǒng),將液態(tài)CO2加壓泵送至井筒;另一部分為常規(guī)壓裂注入系統(tǒng),將清水、AP-2、AP-6、支撐材料通過混砂車混合后,形成具有高黏彈性的支撐劑砂漿,泵送至井筒(見圖6)。兩部分泵送的液體在井口處匯合,在湍流條件下,形成具有足夠黏度和結(jié)構(gòu)的混合液相,進(jìn)行減阻攜砂一體化壓裂施工。

為保證CO2準(zhǔn)干法壓裂施工成功,實(shí)施過程中需要控制好以下問題:

(1)液態(tài)CO2的氣化問題,一旦氣化的CO2進(jìn)入泵腔將出現(xiàn)泵車抽空,施工中止。因此,需要控制好液態(tài)CO2低壓向高壓轉(zhuǎn)換過程中的排量和壓力,CO2低壓入口的排量大于高壓出口的排量,高壓端的壓力要保證平穩(wěn)。同時(shí),CO2增壓泵車要有自動(dòng)液位控制及氣液分離裝置,能夠?qū)崟r(shí)排放氣化的CO2。

(2)CO2增稠劑AP-2和清水增稠劑AP-6均在常規(guī)壓裂注入系統(tǒng)加入,建議AP-6在混砂車入口端加入,AP-2在混砂車的出口端加入,更利于形成均勻的混合相高黏度壓裂液。

(3)液態(tài)CO2注入系統(tǒng)需要配備耐低溫管線、CO2增壓泵車和CO2壓裂泵車。

1.3 CO2 準(zhǔn)干法壓裂優(yōu)勢(shì)

表4 幾種CO2 壓裂工藝特點(diǎn)對(duì)比

對(duì)比不同CO2加砂壓裂工藝的特點(diǎn)(見表4),可見CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下:專業(yè)設(shè)備需求少,現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng);壓裂液造縫攜砂性能好,可滿足大規(guī)模加砂壓裂要求,平均砂比可達(dá)10%～15%,更易推廣應(yīng)用[11-13]。

2 南5-A井CO2 準(zhǔn)干法壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 南5-A井CO2 準(zhǔn)干法壓裂方案研究

南5-A 井壓裂目的層埋深3700 m,孔隙度7.8%,滲透率0.5×10-3μm2,低孔低滲,以細(xì)砂巖為主,黏土礦物含量12.5%,為中等偏強(qiáng)水敏儲(chǔ)層。常規(guī)壓裂壓后返排率為50%～60%,壓后效果不理想。

為降低傷害,該井采用CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù),根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行壓裂方案設(shè)計(jì):壓裂液體系中液態(tài)CO2與AP-6自交聯(lián)壓裂液體積比為7∶3;總施工排量6～7 m3/min,液態(tài)CO2的注入排量4.5～5.2 m3/min,水基壓裂液的注入排量1.5～1.8 m3/min;支撐劑選用70～140 mm 陶粒與40～70 mm 陶粒組合方式,體積比為4∶6;加砂強(qiáng)度4.5 m3/m,平均砂比13%,最高砂比21%。

2.2 實(shí)施情況及效果

2019年9月,在南5-A 井順利實(shí)施CO2準(zhǔn)干法壓裂施工,本次施工累計(jì)用CO2910 m3,水基壓裂液330 m3,累計(jì)加砂65 m3,施工壓力60～80 MPa,CO2注入排量4.8 m3/min,水基壓裂液注入排量1.7 m3/min。如圖7所示,在前置液1注入階段,由于注入純液態(tài)CO2,沒有加入AP-2減阻增稠劑,施工摩阻較大,壓力較高;在前置液2和攜砂液階段壓力存在小幅波動(dòng),主要是由于AP-2添加劑加入量變化引起(調(diào)整施工排量時(shí)需同步調(diào)整添加劑的加量,由于電泵量程過大導(dǎo)致瞬時(shí)加入流量波動(dòng)較大)。措施后,日產(chǎn)液10.5m3,日產(chǎn)油6.5 m3,日產(chǎn)氣2.5×104m3。返排率120%,返排周期15天。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,該井的產(chǎn)量較以往壓裂單井日增油2.5倍,日增氣8.6倍,增產(chǎn)效果明顯提高。

3 結(jié)論與建議

(1)CO2準(zhǔn)干法壓裂無需專用密閉混砂設(shè)備,工藝流程簡(jiǎn)單,操作性強(qiáng),壓裂液性能穩(wěn)定,造縫攜砂性能好,是CO2加砂壓裂技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

(2)CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)是CO2干法壓裂和常規(guī)水基壓裂的合理組合。既發(fā)揮了CO2干法壓裂技術(shù)優(yōu)勢(shì),又實(shí)現(xiàn)了高砂比對(duì)壓裂施工技術(shù)的要求,對(duì)低孔、低滲、強(qiáng)水敏和水鎖等油氣藏的開發(fā)適用性強(qiáng)。

(3)CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)在冀東、延長(zhǎng)等油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn),壓后增產(chǎn)效果顯著。同時(shí),該技術(shù)利于CO2的埋存,減少溫室氣體排放,具有環(huán)境保護(hù)與油氣田增產(chǎn)雙重作用,應(yīng)用前景廣闊。