煤層氣井液態(tài)CO2高壓泵注技術(shù)應(yīng)用前景分析

楊攀，崔玉環(huán)，王佳，王國(guó)玲，史紅玲

（北京奧瑞安能源技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100190）

0 引言

《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告2021》數(shù)據(jù)顯示2020年，全國(guó)天然氣產(chǎn)量1925億立方米，其中煤層氣產(chǎn)量67億立方米，占比僅3.48%。而我國(guó)埋深2000米以淺煤層氣可采資源量就超過10萬億立方。但是全國(guó)煤層氣資源動(dòng)用率不足1%，工程成功率不足60%，產(chǎn)能轉(zhuǎn)化率不足50%。煤層氣產(chǎn)量和資源量并不匹配。煤層氣的開采不同于常規(guī)油氣，需要進(jìn)行新工藝新技術(shù)的嘗試[1]。

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”“雙碳”目標(biāo)的提出，也給能源生產(chǎn)行業(yè)提出了更高的技術(shù)要求和更緊迫的時(shí)間要求。要實(shí)現(xiàn)碳中和，單純的減排措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)該在減排的同時(shí)增加增匯途徑來減輕減排的壓力，即研發(fā)負(fù)排放的方法與途徑。2019年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)國(guó)家工程院和美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)科學(xué)院聯(lián)合發(fā)表了《負(fù)排放技術(shù)與可靠的碳封存：研究議程》。負(fù)排放是實(shí)現(xiàn)碳中和的必由之路。按照當(dāng)前的碳排放走勢(shì)看，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰時(shí)碳排放量將約為113億噸/年。據(jù)估計(jì)，即便充分利用了替代能源，中國(guó)達(dá)峰后每年仍有巨大的負(fù)排放缺口。因此，要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，必須同時(shí)采取減排和增匯措施[2]。

煤層具有良好的吸附作用，特別是對(duì)CO2的吸附能力較強(qiáng)。在煤層氣開采增產(chǎn)過程中可以同時(shí)實(shí)施的CO2封存技術(shù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行重點(diǎn)突破。我國(guó)從2004年開始在沁水盆地開展CO2注入微型先導(dǎo)性試驗(yàn)以及深部煤層的單井吞吐試驗(yàn)，初步證實(shí)了CO2注入可提高煤層氣井甲烷采收率及CO2有效封存。

而國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的多個(gè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)液態(tài)CO2有利于煤層破巖和煤層復(fù)雜裂縫的形成，液態(tài)CO2具有明顯的煤層氣增產(chǎn)效果，并且能夠提高采收率。對(duì)于技術(shù)應(yīng)用來說亟需進(jìn)行煤層氣增產(chǎn)和CO2封存協(xié)同的新技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。所以本文提出了煤層氣液態(tài)CO2高壓泵注壓裂技術(shù)。

1 煤層氣CO2壓裂工藝分類

采用CO2作為壓裂液介質(zhì)的壓裂都可以叫CO2壓裂。在煤層氣的壓裂過程中采用液態(tài)CO2作為介質(zhì)實(shí)施壓裂增產(chǎn)，能夠在煤層基質(zhì)中形成更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)格，跟煤層中的CH4形成競(jìng)爭(zhēng)吸附，從而提高煤層CH4采收率和產(chǎn)出速度。總結(jié)前人CO2壓裂工藝應(yīng)用情況，大致把CO2壓裂工藝分為三大類，分類和工藝特點(diǎn) 如下：

（1）CO2泡沫壓裂技術(shù)、CO2+N2二元泡沫壓裂技術(shù)，CO2和輔助氣體介質(zhì)都是氣態(tài)。

CO2泡沫質(zhì)量52%～96%為CO2泡沫壓裂，此時(shí)混合壓裂液具有泡沫壓裂液的性能，相比常規(guī)水基壓裂液，有效提高攜砂性能并且可以極大降低液體濾失。可以節(jié)省壓裂用水和壓裂液中使用的化學(xué)劑，另外還可以提高返排液排出效率。

CO2+N2二元泡沫壓裂是在壓裂過程中同時(shí)使用氣態(tài)的CO2和N2，性能和CO2泡沫壓裂類似。因?yàn)镃O2相態(tài)變化更為復(fù)雜，所以CO2+N2二元泡沫壓裂液體性能更穩(wěn)定。但是現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備需求和施工流程的復(fù)雜程度更高。所以此種工藝并未廣泛應(yīng)用。

（2）CO2增能壓裂（前置液態(tài)CO2壓裂）技術(shù)和純液態(tài)CO2干法壓裂技術(shù)：CO2為純液態(tài)。

純液態(tài)CO2增能壓裂，是采用大排量將液態(tài)CO2先注入地層，然后再進(jìn)行常規(guī)水基壓裂。利用液態(tài)CO2極低的粘度和界面張力、流動(dòng)性強(qiáng)的特性，在儲(chǔ)層中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。然后通過常規(guī)壓裂液把液態(tài)CO2推送到距離井筒較遠(yuǎn)的儲(chǔ)層深部，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層流體的稀釋和置換。利用CO2氣化后增加地層能量，實(shí)現(xiàn)快速高效返排、補(bǔ)充煤儲(chǔ)層能量[3]。

純液態(tài)CO2增能壓裂可以快速大量地注入CO2到煤層深部，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，可以有效實(shí)現(xiàn)CO2大量封存和有效增產(chǎn)的雙重目的。施工難度較低、應(yīng)用成本較低，是未來煤層氣壓裂可以嘗試應(yīng)用推廣的工藝。

純液態(tài)CO2干法壓裂，利用液態(tài)CO2作為攜砂液進(jìn)行壓裂施工。需要特制的密閉混砂車，因?yàn)橐簯B(tài)CO2粘度較低，可以實(shí)現(xiàn)的砂濃度較低，不能滿足煤層氣的要求。需要再額外加入CO2增稠劑。

（3）液態(tài)CO2+N2壓裂技術(shù)（N2為氣態(tài)）：CO2為純液態(tài)，輔助氣體為氣態(tài)。

這種復(fù)合工藝是在液態(tài)CO2中添加一定比例的氮?dú)獾墓に嚰夹g(shù)，液態(tài)CO2與支撐劑混合后經(jīng)過壓裂泵車加壓，然后和N2混合，氮?dú)獾谋壤秊?0%～70%。與純液態(tài)CO2壓裂的增產(chǎn)效果類似，可以有效減少液態(tài)CO2的使用量，從而成本較低。另外混合液體粘度和攜砂性能得到很大提升，同時(shí)又是無水壓裂，適用于水敏性強(qiáng)的煤層。

2 煤層氣井液態(tài)CO2高壓泵注技術(shù)可行性

煤層氣井液態(tài)CO2高壓泵注技術(shù)就是：以突破煤層破裂的注入速度快速注入大量液態(tài)CO2，液態(tài)CO2具有低的粘度和界面張力、流動(dòng)性強(qiáng)，高壓注入過程中易于流入煤層中的割理或天然微裂縫中，從而更好地連通儲(chǔ)集層中的割理或天然微裂縫，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，大體積地深度改造煤層。并且把液態(tài)CO2推送到距離井筒較遠(yuǎn)的煤層深部或者通過關(guān)井?dāng)U散使CO2有效運(yùn)移到煤層深部從而實(shí)現(xiàn)CO2在煤層中的吸附并且對(duì)CH4實(shí)現(xiàn)置換的工藝技術(shù)。可以是純液態(tài)CO2高壓泵注，也可以作為壓裂液注入前的預(yù)前置液注入煤層。

壓裂時(shí)CO2介質(zhì)為液態(tài)，屬于CO2壓裂工藝種類的第二大類。

既然是結(jié)合煤層氣增產(chǎn)和CO2封存的新技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)煤層氣增產(chǎn)的基礎(chǔ)上還需要實(shí)現(xiàn)CO2的有效封存。在“雙碳”目標(biāo)下CO2封存技術(shù)還需要有大量和快速處理CO2的特點(diǎn)。

（1）液態(tài)CO2煤層氣增產(chǎn)有效性

室內(nèi)試驗(yàn)證明，在相同地應(yīng)力和注入排量下CO2壓裂原煤形成的裂縫與水力壓裂相比，形成了更復(fù)雜的多級(jí)裂縫。而對(duì)于煤層氣壓裂增產(chǎn)來說，更復(fù)雜的裂縫可以增加煤層的改造體積，增加煤層基質(zhì)的改造強(qiáng)度和改造范圍。增大煤層的增產(chǎn)改造效果。

CO2與CH4分子相比，具有更強(qiáng)的極性，更容易與煤巖中的極性官能團(tuán)結(jié)合，煤層對(duì)CO2的吸附能力大于CH4，在相同儲(chǔ)層條件下CO2更容易吸附在煤層，從而增加CH4的解吸效率（解吸速度和解吸程度都大大增加）。沁水盆地前期研究表明通過注入CO2煤層氣的采收率可以提高20%～83%。

（2）CO2在煤層中的封存有效性

CO2在煤層中的封存有四種模式，吸附封存、溶解封存、礦化封存、靜態(tài)封存。煤層氣生產(chǎn)過程主要依靠排水降壓，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)后，井筒周圍的儲(chǔ)層壓力較低，并且在煤層氣產(chǎn)量較好的區(qū)域通常裂縫系統(tǒng)較發(fā)育，在煤層氣開發(fā)中同時(shí)要實(shí)現(xiàn)CO2封存依靠常規(guī)靜態(tài)封存不容易實(shí)現(xiàn)，主要依靠吸附封存。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程已經(jīng)證明CO2的短期置換和長(zhǎng)期吸附封存有效性。

（3）煤層氣液態(tài)CO2高壓泵注對(duì)CO2負(fù)排放處理能力及經(jīng)濟(jì)性

煤層氣液態(tài)CO2是在煤儲(chǔ)層破裂的情況下注入液態(tài)CO2，注入速率與煤層氣正常壓裂泵注的排量相當(dāng)或者略小于壓裂泵注速率，從而實(shí)現(xiàn)快速注入的目的，注入速度可以達(dá)到3～8m3/min，單段注入量200m3～400m3，假設(shè)使用該工藝的每年壓裂段數(shù)僅按照5000段計(jì)算，則年處理液態(tài)CO2100萬-200萬噸（壓裂泵注工況下液態(tài)CO2密度近似按照1g/cm3計(jì)算）。這只是煤層氣井壓裂很小一部分應(yīng)用，根據(jù)煤層氣井壓裂層數(shù)和單段注入增加，不久的未來就能實(shí)現(xiàn)千萬噸級(jí)別的CO2年封存能力[4]。

通過工藝的優(yōu)化，與常規(guī)壓裂相比不需要額外的設(shè)備，僅增加液態(tài)CO2費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用，目前液態(tài)CO2加運(yùn)輸費(fèi)用價(jià)格約800元/噸。目前歐洲碳排放權(quán)交易價(jià)格約為50歐元/噸，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)突破50元/噸。同時(shí)液態(tài)CO2注入可以減少常規(guī)壓裂液的用量約200m3/段，抵消后每層壓裂施工成本僅增加10%左右，而采收率增加約30%，具備相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。并且隨著液態(tài)CO2價(jià)格逐年下降，碳排放權(quán)交易價(jià)格逐年上漲，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)會(huì)越來越大。

3 煤層氣井液態(tài)CO2高壓泵注設(shè)計(jì)和施工分析

煤層氣井液態(tài)CO2高壓泵注與普通活性水壓裂設(shè)計(jì)和施工類似，但是因?yàn)橛幸簯B(tài)CO2的加入，在工程上也具有明顯的特性，具體分析如下：

（1）CO2注入排量的確定

要提高CO2的注入效率和預(yù)前置液的破巖效果需要以超過地層破裂壓力的注入速率進(jìn)行施工。所以在施工前首先要確定煤層的破裂壓力（一般通過測(cè)試和區(qū)域分析確定），以及對(duì)應(yīng)破裂壓力的排量確定為注入的最小排量；另外，為了保證CO2的有效封存和煤層改造的有效性，在壓裂過程中不能突破煤層頂板，確定突破頂板的排量為最大排量（一般通過裂縫模型數(shù)值模擬確定）。設(shè)計(jì)的CO2注入排量需介于兩者之間。

（2）注入過程液態(tài)CO2相態(tài)變化分析

CO2臨界溫度為31.2℃，臨界壓力為7.38MPa。超臨界態(tài)二氧化碳密度近于液體，粘度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍，在煤層中有更強(qiáng)的穿透性。但是煤層氣井的儲(chǔ)層壓力和溫度一般較低，目前壓裂的大部分煤層氣井很難實(shí)現(xiàn)超臨界態(tài)壓裂。煤層氣液態(tài)CO2高壓泵注施工過程相態(tài)變化如圖1所示：

1：CO2儲(chǔ)液罐（液態(tài)）—2：CO2增壓泵（液態(tài)）—3壓裂泵車（液態(tài)）—4煤儲(chǔ)層（液態(tài)）—5返排（液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)）。

（3）壓裂設(shè)備及地面流程配套要求

①液態(tài)CO2具有極低的溫度（儲(chǔ)罐溫度-28.9℃），在經(jīng)過增壓泵以后也接近-20℃，所以在以液態(tài)CO2為介質(zhì)進(jìn)行的壓裂泵注中，需要對(duì)液態(tài)CO2接觸部件進(jìn)行排查優(yōu)化，更換為耐低溫耐腐蝕件，主要是壓裂泵車的低壓空氣包、泵配件，以及橡膠密封件等；②CO2氣化后在空氣中流動(dòng)性較差，需要配備鼓風(fēng)設(shè)備；③液態(tài)CO2施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高，在施工流程中管線應(yīng)平直，盡量減少下垂彎曲避免流速不暢[5]。

（4）施工程序特殊性

液態(tài)CO2在流經(jīng)高溫部分會(huì)發(fā)生氣化，氣化過程會(huì)吸收熱量，如果有水存在會(huì)造成結(jié)冰，所以需要避免冰堵發(fā)生，施工前井筒需要進(jìn)行防凍預(yù)處理；現(xiàn)場(chǎng)注入系統(tǒng)按順序進(jìn)行冷卻后再進(jìn)行泵注作業(yè)CO2液灌冷卻—增壓泵冷卻—高壓注入系統(tǒng)冷卻。

充分利用液態(tài)CO2能量形成復(fù)雜縫網(wǎng)，同時(shí)有效置換CH4，使CO2在煤層中形成充分吸附，需要在高壓泵注液態(tài)CO2后有足夠的悶井時(shí)間。

4 煤層氣井液態(tài)CO2高壓泵注試驗(yàn)條件分析

（1）配套設(shè)備條件：1997年吉林油田引進(jìn)我國(guó)第一臺(tái)CO2壓裂設(shè)備，到目前為止國(guó)內(nèi)已經(jīng)能自主生產(chǎn)液態(tài)CO2壓裂設(shè)備，包括專用的增壓設(shè)備和帶壓混砂設(shè)備也已經(jīng)自主生產(chǎn)并且進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。而與液態(tài)CO2壓裂配套的低溫配件及工具生產(chǎn)也已經(jīng)成熟，工程技術(shù)具備市場(chǎng)化條件。

（2）2005年開始實(shí)施純液態(tài)CO2壓裂，2013年國(guó)內(nèi)完成第一口純液態(tài)CO2干法加砂壓裂，2007年國(guó)內(nèi)煤層氣首次進(jìn)行CO2泡沫壓裂。截至目前液態(tài)CO2的工藝在國(guó)內(nèi)常規(guī)油氣和頁巖氣中的運(yùn)用已經(jīng)非常成熟。工程施工經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)非常成熟，具備在煤層氣應(yīng)用的條件。

（3）煤層氣液態(tài)CO2注入僅進(jìn)行了小規(guī)模注入試驗(yàn)，采用和正常壓裂排量相同的快速泵注的技術(shù)認(rèn)識(shí)僅停留在理論和實(shí)驗(yàn)室階段，需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證研究成果[6-8]。

5 結(jié)語

（1）從機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明煤層氣儲(chǔ)層具有強(qiáng)吸附能力，在低壓力條件下能夠有效吸附CO2，可以實(shí)現(xiàn)CO2的有效封存并且可以提高CH4采收率。實(shí)驗(yàn)室證實(shí)液態(tài)CO2可以增加煤層壓裂裂縫的復(fù)雜程度。

（2）煤層氣液態(tài)CO2高壓泵注技術(shù)有別于煤層氣常規(guī)壓裂，需要根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，后續(xù)需要結(jié)合實(shí)際施工反饋優(yōu)化技術(shù)措施。

（3）煤層氣需要突破性增產(chǎn)新技術(shù)，“雙碳目標(biāo)”下CO2快速高效封存技術(shù)的需求迫切，而液態(tài)CO2高壓泵注技術(shù)具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件，并且應(yīng)用前景較好。