CO2在非常規油氣增產領域應用研究進展*

侯向前，盧擁軍，張福祥，胡廣軍，張 濤，苗紅生

（1.洲際海峽能源科技有限公司，四川成都 610051；2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083）

近年來，隨著非常規油氣資源開發的蓬勃發展和實現碳達峰、碳中和“雙碳目標”的迫切需要［1］，CO2由于在超臨界相態下具有低黏度、低表界面張力、高擴散性、高密度及強溶解能力等特點［2-3］，在增加儲層能量、提高裂縫復雜性、降低儲層損害、提高采收率等方面的技術優勢，成為非常規油氣增產領域研究的新熱點［4-5］。

在非常規油氣增產中，研究如何有效利用并封存CO2，對提高非常規油氣產量、減少溫室氣體排放、實現“雙碳目標”具有重要的意義［6］。本文系統總結了CO2在壓裂、驅油、封存過程中的應用機理及CO2壓裂技術和CO2驅油技術的研究現狀與技術需求，并展望了CO2在非常規油氣增產領域的未來研究重點。

1 CO2應用機理

1.1 CO2壓裂

1.1.1 降低起裂壓力

CO2降低起裂壓力主要有2個原因：①CO2具有低黏特性，超臨界CO2的黏度更低，壓裂過程中CO2能進入巖石微細裂隙，增加巖石的孔隙壓力，減小地應力對裂縫擴展的影響，從而降低起裂壓力［2］；②碳酸對巖石有溶蝕作用，CO2溶解于水后形成碳酸，碳酸可以與石灰石、白云石、方解石等巖石發生化學反應而在其表面形成溶蝕孔隙，碳酸與白云石、方解石的反應式見式（1）和（2）［7-9］。

Zou 等［3］采用碳酸水浸泡巖石，浸泡0.5、2 h 分別可將巖石的起裂壓力降低2.7、11.7 MPa。Sampath等［8］研究發現液態CO2在煤層中起裂壓力比水力壓裂低約19.6%。Zhang 等［9］研究發現50 MPa 圍壓下液態CO2壓裂對粉砂巖和頁巖的起裂壓力比水力壓裂分別低18%和58%，CO2壓裂的裂縫孔徑是水力壓裂的2～5倍。

1.1.2 增加裂縫復雜性

CO2壓裂可以增加裂縫復雜性主要有3 個原因：①CO2和水對巖石的溶解可以增加儲層的整體非均質性［7］；②儲層條件下CO2通常以超臨界狀態存在，超臨界CO2具有很低的黏度，通常為0.02～0.05 mPa·s，低黏度CO2可以通過任何直徑大于其分子直徑的孔喉，壓裂過程中CO2可以進入巖石微孔隙并溝通更多的天然微裂縫［3-4］；③在裂縫擴展階段，裂縫體積增大會引起CO2從超臨界態轉變氣態，體積急劇膨脹，從而產生類似于氣體爆破的沖擊效應和焦耳-湯姆遜冷卻效應，促使裂縫進一步起裂與擴展［2，10］，壓裂過程中超臨界CO2誘導產生的裂縫比水基流體誘導產生的裂縫更復雜［11］。

Pramudyo 等［11］研究發現，在200～450 ℃的高溫條件下超臨界CO2能夠穿透花崗巖，并溝通天然微裂縫形成復雜的裂縫網絡，花崗巖在碎裂過程中的應力變化遵循Griffith斷裂準則，即可產生復雜裂縫。Jia 等［12］利用液態CO2對致密頁巖進行了三軸壓裂實驗。結果表明，CO2對層理面或天然裂縫的張開能力強，天然裂縫發育程度是影響復雜裂縫形態形成的因素，當存在天然裂縫時，天然裂縫與層理同時張開，形成復雜的裂縫網絡。

1.1.3 降低儲層損害

與常規的水基壓裂液相比，CO2壓裂液降低儲層損害主要有2 個方面：①水的用量大幅減少降低了對儲層造成的水敏、水鎖損害［4，13］；②無殘渣或低殘渣降低了對儲層和支撐裂縫造成的殘渣損害。

1.1.4 增能促進返排

液態CO2在壓力釋放后可迅速膨脹，在一定的溫度、壓力下CO2的體積膨脹系數最大可以達到517，極大地增加了地層能量，可實現迅速返排［14］。

Li等［15］采用驅替實驗研究了“不同體積超臨界CO2+相同體積滑溜水”的增能效果，當注入CO2摩爾分數為0%、10%、25%、35%和45%時，系統壓力分別為8.13、9.05、10.28、10.92 和12.20 MPa，隨著CO2注入量的增加系統壓力上升，增能效果明顯。

1.2 CO2驅油

1.2.1 原油膨脹增能

CO2在原油中的擴散和溶解會促使原油體積膨脹，膨脹幅度一般可達10%～60%。對非常規儲層而言，隨著CO2注入量的增加，儲層能量得到補充，原油膨脹增能可使油滴從微觀孔隙中驅出，從而提高原油采收率［16］。

李陽等［16］研究發現，原油體積膨脹系數隨著原油中溶解CO2的增加而增大，在地層壓力32 MPa下原油中CO2的摩爾分數達到71%，原油體積膨脹最高可達1.51 倍。魏兵等［17］研究了CO2在碳酸水-原油體系中的擴散行為，發現在兩相界面附近水相中CO2濃度和水相密度逐漸降低，而油相中的CO2濃度和油相密度逐漸升高，油相體積膨脹。

1.2.2 原油增溶降黏

超臨界CO2在原油中的溶解及其與原油的超低界面張力可以促使原油增溶降黏，提高原油流動性，進而提高采收率。超臨界CO2與原油之間的界面張力隨著壓力的增加而降低，當壓力達到混相壓力時CO2和原油之間的界面張力接近于零，CO2可以與輕質原油或中質原油實現混相，混相驅采收率可達到90%以上［18-19］。

陳世杰等［20］研究發現，在31 MPa壓力下CO2可將高凝油黏度從8 mPa·s 以上降至2.6 mPa·s 左右。李兆敏等［21］研究發現，在油藏條件下CO2對毛8塊稠油的降黏率可達到95%以上。

李巖等［18］采用軸稱滴形-輪廓法在95 ℃下測得焉2區塊原油與CO2的最小混相壓力為25 MPa。馮嘉［22］利用微納流控技術在25 ℃下測得CO2與癸烷體系的最小混相壓力為5.4 MPa。

1.2.3 原油萃取抽提

在非混相條件下，超臨界CO2對原油輕質組分的萃取抽提可進一步提高采收率。CO2萃取出原油的輕質組分后，瀝青質、膠質、石蠟等重力組分從原油中析出導致原油黏度降低，原油流動性提高［23］。

Lobanov 等［24］研究了液態CO2對俄羅斯某油藏稠油的萃取作用，發現CO2含量為26%時，CO2對稠油輕質組分的萃取效果最好，原油的膨脹體積最大。李洪毅［25］研究發現，超臨界CO2難以在瀝青質中運移，而容易在芳香烴、飽和烴中溶解和運移，CO2對芳香烴、飽和烴的萃取率可分別達到53%和25%。

1.2.4 氣泡賈敏效應阻水

超臨界態CO2在地層水具有較好的溶解能力，CO2由于壓力變化等原因從地層水中釋放時，會形成氣泡賈敏效應從而增加地層水的滲流阻力，最終實現控水增油的效果［19］。

1.3 CO2封存

1.3.1 溶解封存

溶解封存的主要原理是在一定的壓力、溫度及礦化度下CO2溶解于儲層巖石孔隙中的地層水或碳氫化合物中，溶解于不可流動地層水或者碳氫化合物中的CO2被封存，而溶解在可流動的碳氫化合物中的CO2會返出地面［26］。

Reynolds等［4］對采用CO2泡沫壓裂工藝的50口水平井的CO2返排進行了監測，發現含有機質高的井CO2的封存量高于砂巖，主要原因是儲層中有機質對CO2捕獲封存。

1.3.2 結構封存

結構封存的主要原理是CO2通常以液體形式注入，在儲層條件下轉變為超臨界流體，超臨界CO2密度低于儲層流體，CO2會在浮力的作用下向上移動，此時，CO2通過附著在巖石表面上來防止其向上移動，最終形成將CO2封存在地下的結構圈閉［4］。

1.3.3 吸附封存

吸附封存的主要原理是頁巖對CO2具有物理吸附作用，頁巖對CO2比對CH4和其他碳氫化合物具有更強的吸附性，CO2注入地層后可與CH4置換而吸附在頁巖表面實現封存［17］。

Eshkala等［27］研究發現，頁巖對CO2的吸附能力與對CH4的相比約為5∶1，CO2在頁巖儲層中可以實現有效封存。Lafortune等［28］定量研究了CO2在頁巖上的吸附量，在298 K、5 MPa的條件下，CO2在頁巖上的吸附量約為0.3 mmol/g，隨著溫度的升高頁巖對CO2吸附能力減弱。

1.3.4 礦化封存

礦化封存的主要原理是超臨界CO2與地層水反應生成碳酸，在酸性條件下生成的碳酸根與地層中的Ca2+、Mg2+等結合生成沉淀物，從而以沉淀的形式實現封存［29］。

2 CO2壓裂技術

2.1 CO2干法壓裂技術

CO2干法壓裂技術是以純液態CO2代替常規水基壓裂液的無水壓裂技術，可完全避免對儲層的水敏水鎖損害，具有無水相、無殘渣、增加儲層能量、降低原油黏度等特點［30］。

國內外學者相繼開發了含氟聚合物、聚硅氧烷、聚酯等類型的增稠劑，如表1所示，但加量高、增黏效果差、成本高、對環境有害等問題一直沒有得到突破［31-38］。張軍濤等［39］研制了視密度為0.95～1.05 g/cm3的新型自懸浮低密度支撐劑，開發了“液態CO2+自懸浮低密度支撐劑”干法壓裂工藝，在延長頁巖氣藏成功應用，最高砂比達到了10%，顯著提高了CO2干法加砂壓裂的技術水平。

CO2干法壓裂裝備研發比較成熟，國內外針對CO2儲罐、增壓泵、密封等關鍵部件設計了配套的密閉混砂裝置和壓裂泵車。Zheng等［40］開發的裝備施工排量可高達12 m3/min，單次施工可滿足27 m3砂量、1500 m3CO2的規模。

盡管CO2干法壓裂具有很多優勢，但目前仍然無法實現規模化應用，相關理論研究少。CO2黏度低，攜砂能力差，施工規模小，有效增黏技術突破難，自2013 年以來，CO2干法壓裂技術已在延長頁巖氣和長慶致密氣應用10 余口井，但砂比不到15%，儲層改造規模嚴重受限［41］。CO2液體摩阻高，壓裂施工排量嚴重受限。劉廣春［42］研究表明，隨著排量的增加，CO2摩阻迅速增大，排量為7.0 m3/min時的摩阻高達48 MPa/1000 m。CO2增稠、攜砂、降阻性能評價手段有限，攜砂、降阻等方面機理研究較少，Richard等［43］發明了CO2密閉降阻性能測試裝置，測試聚二甲基硅氧烷增稠的CO2的降阻率最高為45%左右。

2.2 CO2泡沫壓裂技術

CO2泡沫壓裂技術是一種適用于低壓、水敏性儲層的壓裂技術，該技術是以CO2氣液兩相泡沫流體為載體，通過液態CO2與含起泡劑的水基體系在線混合注入的方式，實現減少入井液量、提高返排效率、降低儲層損害的目的［44-46］。

針對非常規儲層用CO2泡沫壓裂液體系，國內外學者近年來將研發重點逐漸由含傳統增稠劑的高黏度泡沫體系轉向無聚合物泡沫體系及納米粒子強化泡沫體系。Ahmed 等［47］開發了配方為0.5%α-烯烴磺酸鹽+0.5%甜菜堿的無聚合物CO2泡沫壓裂液體系，在高溫高壓高剪切條件下該泡沫體系與聚合物穩定泡沫體系的性能接近。Emrani 等［48］研究發現，在α-烯烴磺酸鹽溶液中添加SiO2納米顆粒可以提高CO2泡沫的穩定性，泡沫的半衰期隨著溫度的升高而降低。呂其超等［49］研究發現，高溫高壓下SiO2納米顆粒可以提升琥珀酸酯磺酸鹽泡沫體系的界面黏彈模量和泡沫穩定性，泡沫質量分數為50%～93%時，0.5%的SiO2納米顆?？梢詫⑴菽ざ忍岣?.2～4.8倍。

泡沫壓裂液流變性、摩阻等性能研究為其現場應用提供了重要的理論指導。申峰等［50］設計了大型高參數泡沫壓裂液試驗流變儀，研究表明，在低剪切速率下CO2泡沫流體表現出剪切變稀行為，而在較高剪切速率下黏度保持恒定；隨著泡沫質量的增加，稠度系數呈指數增加。李松等［51］通過室內管流實驗研究發現，在頁巖儲層條件下CO2泡沫壓裂液的摩擦阻力系數，隨溫度升高而減小，隨流速增加先降低后逐漸穩定，隨泡沫質量的增加而增大。

現場應用證實了CO2泡沫壓裂技術在非常規儲層開發中的潛力。Yang 等［52］報道了CO2泡沫壓裂在Yanbei 超致密儲層4 口井的應用，CO2平均用量達到63%，壓后產量比常規壓裂技術提高了3 倍。Reynolds 等［53］對比了5 種壓裂液體系在Montney 致密儲層的應用情況，在形成等同有效裂縫半長和導流能力的情況下，與滑溜水相比，泡沫壓裂液的淡水用量減少79%，支撐劑用量減少32%。

國內外對CO2泡沫壓裂液體系及性能有較多研究，但需進一步揭示在壓裂過程中含砂泡沫壓裂液的氣液固三相流變控制機制和恒定內相壓裂設計方法，完善抗高溫耐鹽低摩阻CO2壓裂液體系，探索簡化CO2泡沫壓裂施工流程，降低壓裂施工成本，增大現場應用規模。

2.3 CO2混合壓裂技術

CO2混合壓裂技術又稱為CO2增能壓裂技術，包括CO2前置和CO2拌注兩種實施方式，應用較多的是CO2前置增能壓裂技術，該技術首先以CO2作為前置液來形成復雜裂縫結構，然后以傳統壓裂液作為攜砂液來擴大儲層改造體積及近井的導流能力，實現增加儲層能量、提高返排效率、降低儲層損害及封存CO2的目的［54］。

國內外針對CO2混合壓裂技術開展了較深入的理論和實驗研究工作。Carpenter 等［55］研究發現，CO2比水基流體更容易侵入微裂縫，低黏度的CO2可通過增加改造裂縫表面積和裂縫密度來實現裂縫的復雜性，CO2比滑溜水具有更高的無支撐裂縫導流能力。Yi等［56］對致密油藏CO2前置增能壓裂工藝進行了實驗研究及數值模擬。結果表明，①CO2浸泡后巖石表面形成了復雜的裂縫結構，巖心滲透率顯著提高；②前置CO2增能壓裂工藝較普通壓裂首年可增產15%以上；③對新井壓裂而言，由于CO2擴散能力較弱，推薦使用“壓裂液+CO2+壓裂液”施工工藝，對于重復壓裂井而言，推薦使用“CO2+壓裂液”施工工藝。

CO2混合壓裂技術促進返排、增加產量及封存CO2的優勢在現場應用中得到驗證。Ribeiro等［57］報道了CO2混合壓裂技術在Williston 盆地11 口水平井應用，每口井注入5000 噸的CO2，12 個月的產量平均增加了約18%，實現70%～85%CO2封存。焦中華等［14］采用“液態CO2+活性水”的增能工藝在煤層氣井中完成現場應用，增能工藝可以使煤層氣井早產氣，同時提高單井產氣量。王香增等［54］指出CO2前置增能壓裂技術在陸相頁巖氣應用后返排率提高35%，排液周期從之前的平均45 d縮短到25 d。

盡管CO2混合壓裂技術應用比較成熟，并形成了相關的技術規范，即DB61/T 1189—2018《前置CO2混合壓裂技術規范》，但室內理論研究與現場推廣應用的結合遠遠不夠，應該推動相關工藝理論的現場試驗。

3 CO2驅油技術

CO2驅油技術是一種通過將CO2注入油藏從而使原油黏度降低、流動性提高、提高采收率的工藝技術。在CO2驅油的過程中，大量的CO2可以實現封存。儲層巖石特性、油品、溫度、壓力等因素對CO2提高采收率有顯著影響［58］。

國內外學者對CO2驅油過程中影響因素及施工工藝開展了較多的研究工作。Fakher 等［59］研究發現，升高CO2注入壓力和延長CO2浸泡時間均可以提高頁巖油的采收率，主要原因是升高CO2注入壓力和延長CO2浸泡時間可以促進天然裂縫溝通、強化CO2與原油相互作用以及加快CO2擴散。Hawthorne 等［60］發現，在110 ℃和34.5 MPa 下，CO2與Bakken 儲層巖石接觸96 h 后CO2對碳氫化合物的驅替效率達到95%以上，較長的接觸時間和較高的巖石表面積可提高采收率。Hamdi 等［61］發現，雙管完井條件下可以延長CO2與稠油的接觸時間，在少于24個循環的情況下，石油采收率達到50%，CO2封存率達到37%。Ajoma等［62］研究了CO2與水的混合體系對砂巖的驅油效率，在70 ℃和11.7 MPa下，CO2含量為100%、99.3%、75%、0%時體系的驅油率分別為72%～74%、78%、54%、34%～35%，CO2含量為99.3%時體系驅油效率最高，且CO2封存率達到65%。原因是體系混入油中時少量水會凝結，隨著巖石孔隙中水飽和度的增加，CO2流動性降低，CO2會移動到未波及的相鄰孔隙中，從而提高驅油效率。目前，CO2驅油技術在非常規油藏的應用整體效益比較差［16］，需加強驅油機理研究、開發降低最小混相壓力的相關技術、明確影響CO2驅油效率主控因素，以實現非常規油藏的效益開發。

4 結語及展望

CO2在壓裂、驅油、封存過程中共基于12 種應用機理，CO2壓裂主要基于降低起裂壓力、增加裂縫復雜性、降低儲層損害和增能促進返排；CO2驅油主要基于原油膨脹增能、原油增溶降黏、原油萃取抽提和氣泡賈敏阻水；CO2封存主要基于溶解封存、結構封存、吸附封存和礦化封存。

超臨界CO2的黏度低、攜砂能力差、摩阻高等問題極大程度制約了CO2干法壓裂技術的推廣應用，開發低成本、綠色環保的CO2高效增稠技術、高效的CO2降阻技術及耐溫抗剪切技術仍是研究重點。另外，氣液固三相流變控制與設計方法、降低最小混相壓力的相關技術等關鍵難題亟待攻關。

CO2在非常規油氣增產領域的未來研究重點包括：CO2“壓裂-驅油-封存”一體化技術、CO2在地熱能和天然水合物開采方面的機理研究及現場應用。

鑒于CO2在壓裂、驅油、封存等方面所展現出的技術優勢，CO2壓裂、驅油、封存技術對實現非常規油氣資源增產提效、減少溫室氣體排放、實現“雙碳目標”具有重要的意義。將油藏、地質、工程相結合，加強對儲層巖性物性、儲層流體與CO2之間相互作用的研究，用于指導工程設計及現場實施，充分發揮出CO2的優勢和特點，最終實現效益最大化。