二氧化碳干法壓裂發展現狀及難點問題分析

＊劉廣春

（川慶鉆探長慶井下技術作業公司 陜西 712000）

1.C02干法壓裂介紹

C02干法壓裂以純液態C02為壓裂液，以人造陶粒為支撐劑，壓裂過程中由液態C02攜帶支撐劑進入地層，井底溫度升高后，液態C02氣化，從地層中返排出來，支撐劑留在地層中形成一條具有高導流能力的支撐裂縫。

C02干法壓裂技術的優點：

（1）采用無液相壓裂技術，避免了水敏、水鎖傷害的發生；

（2）無殘渣，避免了儲層滲透率傷害及支撐劑滲透率傷害；

（3）具有很好的增能作用，壓后不需要進行油吸作業，有利于低壓井壓后的迅速返排。

2.C02壓裂技術發展現狀

該技術在我國目前還處于試驗階段：2010年，由我公司組織的國內第一口該工藝油井試驗井胡X井的施工填補了國內該工藝技術的空白；2013年由我公司組織施工的我國第一口天然氣井C02干法加砂壓裂在長慶蘇里格氣田獲得成功；2014年9月份吉林油田與煙臺杰瑞集團聯合研發對高凝油井“黑X井”進行了C02干法壓裂，這是目前我國第一次應用自主研發的大容量密閉混砂車和液態C02壓裂液體系進行規模加砂壓裂技術試驗。2016年我公司組織施工了低致密低滲透砂巖氣藏“神X井”和延長頁巖氣井“云頁X井”，分別加砂9.6m3和10.0m3，相繼刷新了國內C02干法壓裂加砂記錄。2017年我公司又在長慶油田完成演X和雙X井干法壓裂，最大砂比達到30%，最大排量達6m3/min，最大加砂量30m3，改造規模與常規壓裂相當，施工能力處于國內領先水平。

3.C02壓裂技術應用難點及問題分析

(1)液態C02摩擦阻力大

液態C02是牛頓流體，摩擦阻力較高，其在管柱中流動的摩阻壓降遵循Fanning公式：dpf=2ρfμ2Dl/D摩擦因子F由流速和管柱的粗糙程度決定。

圖1為不同管徑油管摩阻大小與排量的關系，可以看出：隨著排量的增加，摩阻迅速增大，當排量提升到7.0m3/min時，摩阻已高達48MPa/1000m。

圖1 為不同管徑油管摩阻大小與排量的關系

在壓裂過程中，壓裂液的摩阻直接關系到施工的成敗，對確定合理的施工壓力，選取適當的壓裂管柱有著重要的意義。

在液態C02中添加減阻劑。不過截止到目前適用于液態C02的高效減阻劑未見報道。水溶液中常用的超高分子量聚合物減阻劑并不能對液態C02有效減阻，C02泡沫壓裂液常用的減阻劑也并不適用于純液態C02。因此有必要對液態C02的高效減阻劑進行進一步的研究。

(2)液態C02粘度低、攜砂能力差

在壓裂施工條件下液態C02粘度僅為0.02～0.16mPa·s，由于液態C02的低粘度，懸砂能力差，濾失量大，不利于壓裂造縫是導致加砂量得不到提高的主要原因。

提高液態C02粘度的方法可以在液態C02中添加提粘劑，國外主要采用表面活性劑和氮氣協同提粘，關鍵產品成本較高，我們是通過分子模擬技術，開發了一種油溶性聚合物C02粘劑（TNJ），不溶于水也不溶于油，粘度約為 20～30Pa·s。

圖2 C02液體粘度與TNJ加量曲線

所以解決方向就是選用一種小粒徑、低密度、高強度支撐劑來達到低粘攜砂液的要求。在云頁X井干法壓裂中，就采用超低濃度的支撐劑，雖然沒有添加提粘劑，但是攜砂能力非常好，達到了預期要求。

(3)現場冷泵過程中的排空

圖3 C02壓裂現場布局圖

上圖是現場C02干法壓裂平面圖：連接管線是將C02槽車并聯，并依次與C02增壓泵車、密閉混砂罐、壓裂泵車、井口裝置聯通。由于液態C02在現場地面中的壓力和溫度是在C02壓力大于0.5Mpa，所以在這個階段C02是能夠氣液共存的。如果液態C02在地面管線流動過程中吸收熱量或者壓力降低使其氣化，那么氣體進入主壓車泵腔中就會導致主壓車走空泵，冷泵失敗。

目前C02壓裂冷泵方式是外循環冷泵為主，具體操作流程：

①地面液態C02沖壓后，打開槽車液相閥門、關閉氣相閥門；

②打開增壓泵氣液分離罐上三個液位閥及密閉混砂器進液至正常液位；

③啟動增壓泵、關閉井口旋塞、打開截流泄壓旋塞；

④逐臺啟動壓裂車控制壓力在10MPa用液態C02冷卻泵車及地面管線；

⑤待排量正常，泵體與地面管線結霜后，停泵，打開井口主閘門進行正式壓裂。

在增壓泵撬排出端至密閉混砂罐吸入端管線連接方面：管線的最遠端必須有管線連接，確保管線中所有部位的液體一直處于流動狀態，這樣即使有部分液體氣化也能夠及時排出。

在進行上述第五步操作的時候，從停泵到打開井口的時間必須短，避免液體氣化。其次在外循環時候由于是先停主壓車后關該主壓車后面的放空旋塞，所以在這個階段壓力會相應的降低，液體會進行氣化，以至于在壓裂過程中會出現主壓車走空泵的現象。

鑒于此，在米X井施工過程中，我們采用內循環方式冷卻地面管線及設備。

內循環就是冷泵循環過程的管線是一個回路。即在高壓管線末端連接1～2根低壓管線，中間用旋塞控制，低壓管線另一端連接到增壓泵撬吸入端，通過增壓泵撬分離罐進行氣液分離。內循環的優勢是中途不需要停泵，缺點是6臺主壓車所有的液體全部回流到增壓撬中的分離罐中，分離罐氣液分離不充分。因此，如何安全方便有效的進行氣體排空是該工藝壓裂的一大現場難點。

4.結論

由C02的相態圖我們能夠看出C02液體的物性對于溫度及壓力的影響比較大，那么在現場施工中，由于我們無法控制溫度，那么我們只能控制它的壓力；因此在液態C02進入地面流程前和壓裂結束泄壓過程中，我們都需要用氣相進行全程替換，確保壓力維持在0.5MPa以上，如果一旦管線中間一部分壓降太快結干冰，就會形成局部的高壓，對人及設備都有較大的危害。