CO2壓裂技術現狀與發展趨勢

閆琪(延長氣田質量監督中心，陜西 延安 716000)

0 引言

國外于20世紀50年代開始CO2泡沫壓裂試驗，1981年純液態CO2壓裂技術首次于加拿大應用并申請專利，1986年德國成功進行了CO2泡沫壓裂，其后美國開展了大量的CO2泡沫壓裂。20世紀90年代起，吉林、大慶等油田開始CO2伴注和吞吐解堵方面嘗試性試驗，2010年延長氣田開始CO2泡沫壓裂試驗；2013年，國內首例(蘇東44-xx井)純液態CO2壓裂試驗在蘇里格氣田獲得成功，2015年，延長氣田在云頁4井上進行了純液態CO2壓裂試驗。

1 CO2壓裂的技術特點

(1) CO2流動性強，破巖能力強，可以流入儲層的微裂隙，形成更復雜的裂縫網絡，更好的溝通儲集層[1]；(2) CO2具備比甲烷更強的吸附力，可置換出吸附于母巖(特別是致密砂巖氣(孔隙度＜10%，滲透率＜0.5 mD，含氣飽和度＜60%)，煤層氣和頁巖氣)中的甲烷，從而提高天然氣的產量，并實現部分CO2的永久埋存；(3) CO2的酸性可以阻止微粒運移，抑制粘土膨脹，減少基質傷害；(4)與N2相比CO2與地層流體的相容性更好，單位體積具有更高的返排能量(體積膨脹系數1:517)，界面張力低能有效降低水鎖傷害，返排更迅速更徹底；(5)純液態CO2在汽化后，無水相，殘渣，僅有支撐劑留在地層，不會對儲層造成傷害。

2 CO2壓裂技術分類及應用

2.1 CO2增能壓裂

定義：液態CO2、CO2泡沫(泡沫質量一般小于52%)以前置液、后置液的形式泵入地層增加地層返排能量，幫助壓裂液快速破膠并迅速返排，主要適用于低壓、弱水敏儲層。

延長田 在Y865、Y1106、Y1159、Y1159-3、H 2-1井采用前置液態CO2增能壓裂工藝施工，層位都是山西組，Y865井、Y1159-3井無氣無液，Y1106井無阻30 443 m3/d，Y1159井44 029 m3/d，H 2-1井28 845 m3/d。

通過對比Y1106井、Y1159井、H 2-1井的測井曲線，Y1159井砂體厚度大、純度高，挖掘效應明顯；Y1106井與H 2-1井相比，Y1106井山23層在砂體厚度、巖性、挖掘效應方面的顯示均較好，氣測顯示也均較H2-1井好。

通過對比得出結論：

(1)從山23砂體展布趨勢上看，Y1106、Y1159井到H 2-1井之間表現出由東北到西南儲層條件逐漸變差的情況。

(2)Y1106、Y1159井實測井底靜壓較H2-1井高，說明前2口井地層能量較H2-1大。

綜上，從儲層條件及壓后效果分析來看，H2-1井試氣成果較為理想，達到增產預期。

延安氣田CO2增能壓裂效果分析如表1所示。

通過表1的數據對比分析可知：CO2增能壓裂技術具有較高的返排效率；根據儲層壓力系數設計增能比；增能比與自噴返排率、自噴返排時間呈現正相關。

2.2 CO2泡沫壓裂

2.2.1 工藝特點

(1)由于CO2內相的存在，降低壓裂液使用量(僅為30%～50%)，減少了入地液量；(2)濾失低、黏度高、密度低、易返排，有效排液時間較胍膠壓裂液短；(3)CO2界面張力低，可進入更小的儲層微裂隙，可減輕水鎖和水敏傷害；(4)CO2泡沫流體的酸性介質(pH=4～5)，能夠抑制粘土膨脹，減少顆粒分散運移，降低固相傷害；(5)耐溫、耐剪切性能好；(6)不能在堿性交聯壓裂液體系(常規羥丙基胍膠)中使用；(7)具有較高的沿程摩阻，施工壓力高。

2.2.2 CO2泡沫壓裂液綜合性能

測試綜合性能采用的CO2壓裂液試驗配方：0.6%改性胍膠+1.0%起泡劑+0.05%殺菌劑+1%粘土穩定劑+0.1%破乳助排劑+0.06%破膠劑+1.5%酸性交聯劑。通過對比發現 CO2泡沫壓裂液在耐溫、耐剪切性能、濾失和傷害性能、破膠性能、粘彈特性、摩阻特征(27/8)方面均優于胍膠壓裂液。

2.2.3 應用實例

在Y563井、Y355井、S3井用CO2泡沫壓裂技術進行了舊井重復壓裂，Y563壓前無阻流量為10 438m3/d，壓后為18 716 m3/d，Y355井壓前無阻流量為5 059 m3/d，壓后為9259 m3/d，S3井壓前無阻流量為21 533 m3/d，壓后為99 293 m3/d，均增產80%以上，在Y673井、S261、Y310井、C51這幾口新井也用CO2泡沫壓裂技術進行了改造，這幾口井均位于相應層位主砂體條帶的邊緣部位，地質基礎較差，相對也獲得了不錯的改造效果。

取得成果認識一： CO2泡沫壓裂技術具有良好的增產效果[2]。

6口井均采用了變泡沫質量的設計方法，充分利用了泡沫液的低濾失、低傷害優點，提高了造縫能力，但施工過程較難控制，可以看出6口井的綜合砂比均較低，延765井、Y310和S261井施工過程還發生了砂堵。

從施工過程來看，6口井的施工壓力并不高，因此可以認為，在變泡沫質量的施工方法中，攜砂液隨泡沫質量的變化始終保持合適穩定的砂比才是該工藝施工過程控制的重點和難點。

取得成果認識二： 砂比控制是該工藝的核心質量控制點。

表1 延安氣田CO2增能壓裂效果分析

2.3 CO2干法壓裂

2.3.1 工藝特點

(1)無水相，壓裂改造后僅有支撐劑和少量添加劑留在地層中，避免了水相造成的水敏或水鎖等儲層滲透率傷害；(2)無殘渣，不會對儲層和支撐裂縫滲透率造成殘渣傷害，返排率100%；(3)流動性強，可以流入儲集層中的微裂縫，更好地溝通儲集層；(4)液態CO2黏度低(在儲層環境下約0.03～0.10 mPa·s)，攜砂性能差，形成的裂縫體積小，閉合快，對排量砂比較敏感，施工難度大。

2.3.2 典型配方

1.5%-2.0%TNJ＋(98.5%-98%)液態CO2在溫度62~63 ℃、壓力15~20 MP a實驗條件下，1.5%TNJ＋98.5%CO2壓裂液黏度為5~9 mPa·s；2%TNJ＋98%CO2壓裂液黏度6~10 mPa·s。實驗結果表明，1.5%~2.0%提黏劑加量下，超臨界CO2黏度提高了240~490倍，較大幅度地提高了CO2的黏度。

2.3.3 摩阻特征

(1) 隨著排量的增加，清水和液態CO2摩阻梯度均相應增大，但清水增加的幅度更快。

(2) 排量等于3.0 m3/min時，兩者摩阻梯度基本相當。

(3) 排量大于3.0 m3/min時，清水摩阻梯度大于液態CO2，且差距越來越大。

(4) 排量小于3.0 m3/min時,清水摩阻梯度略小于液態CO2，且差距越來越小。

2.3.4 施工參數

施工參數典型取值為：施工排量4.0～8.0 m3/min，前置液比例20%～30%，支撐劑為40/70目陶粒，加砂濃度為100～200 kg/m3。

2.3.5 工藝流程

CO2罐車中的CO2通過CO2增壓泵車進入密閉混砂裝置，提黏劑也通過泵注裝置進入密閉混砂裝置，CO2、提黏劑、支撐劑在混砂裝置混合后通過主壓車進入地層。

2.3.6 設備配置

超臨界CO2壓裂使用的主要設備有：CO2罐車、 密閉混砂車、壓裂泵車、壓裂管匯車。CO2密閉混砂車是CO2干法壓裂的關鍵設備。

2.3.7 應用實例

在云頁4井開展了頁巖氣無增粘CO2干法壓裂。加入支撐劑10 m3，泵入液態CO2385 t，施工排量4 m3/min，砂比最高達10%。

3 結語

(1)純液態CO2黏度很低，在20 ℃、10 MPa條件下其粘度只有0.1 mPa·s左右，因此提高攜砂性、降低濾失性是主要的技術攻關方向；

(2)液態CO2是牛頓流體，摩阻較高，導致施工排量受限，故應研發一種適合液態CO2壓裂的高效減阻劑；

(3)在目前的增稠劑技術水平下，研制開發小粒徑超低密度的支撐劑可以有效提高攜砂效果；

(4)CO2密閉混砂車施工排量較小，不能滿足大規模施工作業，還需進一步改進升級；

(5)開發一套有CO2壓裂液描述模塊的全三維壓裂軟件作為CO2干法加砂壓裂設計的模擬軟件。