裂縫內CO2壓裂液相態分布特征的數值模擬研究

摘要：CO2干法壓裂工藝利用純液態CO2進行攜砂壓裂施工，對儲層進行改造，該技術已實現大量現場應用。但是，CO2壓裂液在裂縫內的相態分布尚未進行系統的研究。運用流體模擬軟件，建立二維裂縫的物理模型，分析CO2壓裂液在造縫過程中的相態分布。研究結果表明，在造縫過程中，CO2壓裂液以液態CO2和超臨界CO2兩種相態存在，并且以超臨界CO2的分布為主；CO2壓裂液充滿裂縫時，隨著測點與井口距離的增加，CO2溫度先增加，然后趨于穩定；CO2壓裂液進入裂縫內，壓裂施工完成20 min時，裂縫內CO2的溫度達到地層溫度；地層溫度越低，液態CO2吸熱越慢，達到超臨界相態所需時間越長，超臨界CO2分布區距離縫口越遠。

關鍵詞：裂縫；CO2壓裂液；相態；分布特征；數值模擬；液態CO2；超臨界CO2；干法壓裂

中圖分類號：TE357 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.012

Numerical simulation study on the phase distribution characteristics of CO2 fracturing fluid inside cracks

XU Zhihao， DU Bo， LI Dongdong

（Shaanxi Coallbed Methane Development Co.， Ltd.， Xi’an 710000， China）

Abstract： The CO2 dry fracturing technology utilizes pure liquid CO2 for sand carrying fracturing construction， and transforms the reservoir， this technology has been widely applied on site. However， the phase distribution of CO2 fracturing fluid within fractures has not been systematically studied. The physical model of two-dimensional fractures is established by using fluid simulation software to analyze the phase distribution of CO2 fracturing fluid during the fracturing process. The research results indicate that during the fracturing process， CO2 fracturing fluid exists in two phases of liquid CO2 and supercritical CO2， and the distribution of supercritical CO2 is the main one; when CO2 fracturing fluid is filled with cracks， as the distance between the measuring point and the wellhead increases， the CO2 temperature first increases and then tends to stabilize; CO2 fracturing fluid enters the crack， and when the fracturing construction is completed for 20 min， the temperature of CO2 in the crack reaches the formation temperature; the lower the formation temperature， the slower the heat absorption of liquid CO2， the longer it takes to reach the supercritical phase， and the farther the distribution area of supercritical CO2 is from the fracture.

Keywords： cracks; CO2 fracturing fluid; phase; distribution characteristics; numerical simulation; liquid CO2; supercritical CO2; dry fracturing

CO2干法壓裂是一種采用純液態CO2替代傳統水基壓裂液作為攜砂液的壓裂工藝，能有效降低儲層水敏、水鎖傷害，增加地層能量，提高壓后返排效果，特別適用于以煤層氣、頁巖氣為代表的水敏、水鎖儲層的增采改造。該技術具有儲層傷害小、改造能力強、增產效果好等優勢[1-3]，在非常規油氣藏的壓裂改造過程中表現出其應用優勢。但是，在壓裂施工條件下，液態CO2黏度低，濾失量大，攜砂能力差，這些問題制約該工藝效果的進一步發揮。

CO2干法壓裂起源于北美洲，目前已廣泛應用于天然氣和石油等開發項目，尤其是氣井開采，取得良好應用效果[4]。相較傳統水力壓裂，CO2干法壓裂的平均單井增產率為50%，最高增產率達到670%，經濟效益顯著。2005年，我國首次將該技術應用于油氣生產，長慶油田開展純液體CO2壓裂先導試驗。之后，該技術在延長油田、吉林油田等相繼開展系列推廣應用，改造效果良好[5-7]。純液態CO2干法壓裂技術已實現大量現場應用，但CO2壓裂液在裂縫內的相態分布尚未進行全面研究。因此，有必要運用流體模擬軟件，建立物理模型，分析CO2注入地層后在裂縫內不同位置的相態分布。

1 物理模型

建立二維裂縫的物理模型，針對液態CO2在地層多孔介質中的流動換熱過程進行模擬分析。物理模型如圖1所示。溫度較低的液態CO2從左端入口流入，被地層加熱。裂縫寬度為8 mm，裂縫半長為40 m。裂縫入口液態CO2流速為0.1 m/s，溫度為-10 ℃。

2 結果分析

超臨界CO2的臨界溫度為31.3 ℃，臨界壓強為7.38 MPa。某油氣井深度為3 000 m，地層壓力系數為0.85，地層溫度為90 ℃，地層壓強為30 MPa。下面分析壓裂過程中裂縫內CO2溫度隨時間及深度的變化特征，明確壓裂后CO2的升溫規律。

2.1 地層溫度波變化

CO2剛填充滿裂縫時，距裂縫入口5.8 m處，CO2溫度達到31.3 ℃。測點與裂縫入口的距離大于5.8 m后，CO2處于超臨界狀態。當CO2充滿裂縫時，CO2吸熱引起地層溫度降低，波及距裂縫入口0.1 m的位置。研究表明，低溫CO2注入地層，會快速與地層傳熱，發生相變，達到超臨界狀態，同時地層被冷卻，形成溫度梯度[8-10]。

2.2 裂縫內CO2溫度變化

CO2充滿裂縫后，縫內CO2溫度隨時間的變化曲線如圖2所示。時間為0 min時，CO2充滿裂縫，壓裂施工完成。隨著時間的增加，裂縫內CO2吸收地層的熱量，溫度不斷上升，但隨著時間的推移，溫度上升速率呈現減小的趨勢[11-12]。在造縫的過程中，液態CO2沿裂縫不斷吸收地層熱量，如圖3所示。在測點與井口距離大于22 m的裂縫內，CO2溫度與地層溫度接近。

2.3 壓裂后CO2溫度變化

CO2充滿裂縫后，隨著時間的變化，CO2溫度分別為31 ℃和60 ℃的測點與井口的距離變化如圖4所示。壓裂施工完成5 min時，除了裂縫入口處，裂縫內CO2的溫度基本都在31 ℃以上。壓裂施工后，裂縫內CO2很快達到超臨界狀態[13-14]。隨著時間的推移，裂縫內CO2溫度達到60 ℃的測點距離井筒越來越近，壓裂施工完成20 min時，裂縫內CO2的溫度基本都在60 ℃以上。

3 結論

CO2干法壓裂采用純液態CO2替代傳統水基壓裂液作為攜砂液，能有效降低儲層水敏、水鎖傷害，增加地層能量，提高壓后返排效果。該技術具有儲層傷害小、改造能力強、增產效果好等優勢，在非常規油氣藏的壓裂改造過程中表現出應用優勢，特別適用于以煤層氣、頁巖氣為代表的水敏、水鎖儲層的增采改造。研究表明，在造縫過程中，CO2壓裂液以液態CO2和超臨界CO2兩種相態存在，并且以超臨界CO2的分布為主；CO2壓裂液充滿裂縫時，隨著測點與井口距離的增加，CO2溫度先增加，然后趨于穩定；CO2壓裂液進入裂縫內，壓裂施工完成20 min后，裂縫內CO2溫度達到地層溫度；地層溫度越低，液態CO2吸熱越慢，達到超臨界相態所需時間越長，超臨界CO2分布區距離縫口越遠。

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