CO2壓裂液的研究進展、挑戰與未來展望

摘" 要：水基壓裂液污染環境，水資源浪費嚴重，甚至引發液相圈閉等，而CO2壓裂液可有效規避此類弊端。該文綜述3種CO2壓裂液的基礎研究進展，分析其在油氣田現場的應用效果，指出其在工業化應用過程中所面臨的挑戰，并對其未來的研究方向提出相關建議。

關鍵詞：CO2干法壓裂液;CO2泡沫壓裂液;超臨界CO2壓裂液;應用效果;研究方向

中圖分類號：P618.13" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0106-04

Abstract： Water-based fracturing fluids pollute the environment， waste serious water resources， and even cause liquid phase traps， etc.， and CO2 fracturing fluids can effectively avoid such shortcomings. This paper reviews the basic research progress of three CO2 fracturing fluids， analyzes their application effects in oil and gas fields， points out the challenges they face in the industrial application process， and puts forward relevant suggestions on their future research directions.

Keywords： CO2 dry fracturing fluid; CO2 foam fracturing fluid; supercritical CO2 fracturing fluid; application effect; research direction

我國的非常規油氣資源儲存量極為可觀，而形成非常規油氣儲層的巖性較為致密，非均質性較強[1]，在這種地質環境下，儲層壓裂改造方法成為了其開發的重要技術手段，而壓裂液作為整個壓裂過程中必不可少的媒介，可謂是至關重要。關于壓裂液的研究，應朝著對儲層適應性強，增產效果顯著和綠色環保的方向發展，CO2壓裂液的開發與利用就非常符合這一標準。當前，各國使用的CO2壓裂液主要有3種類型[2]。

1" CO2干法壓裂液

1.1" CO2干法壓裂液的定義

CO2干法壓裂液是一種改造儲層、形成裂縫的工作液，屬于非水基壓裂液。壓裂液主要組分為純液態CO2和增稠劑，不含任何水分。

1.2" CO2干法壓裂液的特點

CO2干法壓裂液作為無水壓裂介質注入地層，具備一定的優勢。①對儲層危害低。CO2干法壓裂液無水相，能夠節約水資源，可避免因涉及水相而導致儲層水敏感性等問題的出現。②返排效率高。返排時，不需抽汲井處理，原本壓縮的氣體因壓強的變化而急速膨脹，地層能量提高，排液時間縮短，實現高效返排。③提高滲流性能。憑借液態CO2的造壁性能，為油氣運移開辟一條裂縫通道，油氣導流速度加快。④置換頁巖氣。CO2比頁巖氣更容易吸附于頁巖儲層，因而能夠高強度地置換出頁巖氣。⑤易于構造網縫。在壓裂改造時，由于CO2具有較強的流動性能，能夠更容易接觸并刺激地層中的微小裂縫，形成復雜而廣泛的裂縫，又可與地下的天然裂縫連通，進而創建出更為復雜的網縫。

CO2干法壓裂液也顯露出了一些劣勢：①黏度過低的壓裂液攜砂效果差，流體濾失嚴重，極為影響壓裂造縫功能和裂縫導流性能，不利于儲層壓裂改造。②在施工過程中，需要施加壓力使CO2保持液相，又由于壓裂液受到的較高摩阻，需采用專用設備達到要求。③在壓裂作業時，壓裂液的相態極易受到地層環境的干擾，從而對壓裂施工造成影響。

1.3" CO2干法壓裂施工工藝

CO2干法壓裂施工工藝大致可分為以下幾類：①CO2干法不加砂壓裂工藝。由于壓裂液增粘技術的落后，導致此種工藝的壓裂液黏度極低，壓裂液濾失嚴重，造縫和攜砂效果極其有限，嚴重影響施工進度，因而這種工藝只適合在低孔低滲儲層進行試驗。②CO2干法加砂壓裂工藝。CO2干法壓裂液增黏技術的逐步提升以及施工專用混砂裝置的成功研制，該工藝壓裂液的造縫功能、攜砂能力和濾失性都進一步得到改善，是國內外公認的無水壓裂前沿技術，十分適宜低壓低滲儲層的壓裂作業。③復合加砂壓裂工藝。此工藝的前置液采用CO2干法壓裂工藝，攜砂液采用常規水力壓裂工藝。該工藝結合了水基壓裂液的高黏度攜砂性能和液態CO2有效增能的優勢，高效解決了常規水基壓裂液返排效率低和CO2干法壓裂液黏度低等問題，適合在低滲儲層或高滲儲層的壓裂作業。

此種壓裂工藝步驟如下[3]：施工前期，按照要求擺放并連接壓裂設備和管線，儲液罐中的CO2需保證在-34.4 ℃和1.4 MPa以下。預先向混砂車內加入定量支撐劑，對現場設備、管線及支撐劑同時進行冷卻，并將液態CO2充裝入混砂車內;施工中期，保證各類管線內壓范圍為2～2.5 MPa，對設備和管線進行試壓，結果合格后，將液態CO2泵入地層。然后將混砂車中的支撐劑注入到壓開的地層縫隙，接著進行頂替液的泵注，直到將支撐劑悉數輸送至地層，關泵。施工后期，燜井2 h左右，進行壓裂液返排，并對出口處的CO2濃度進行監測。

1.4" CO2干法壓裂液油氣田現場應用

國外研究者于1981年初次提議液態CO2可進行儲層壓裂施工。1993年，美國在肯塔基州東部某地層利用CO2干法壓裂液進行了現場施工[4]，壓裂增產效果明顯。20世紀晚期以來，在北美地區通過CO2干法壓裂進行施工已超過1 000口井。

國內關于此技術的發展相對較晚。2013年，我國利用此技術在蘇里格氣田進行了壓裂作業，效果優良[5]。截至2017年，蘇里格氣田累計完成了5口井的CO2干法壓裂試驗。2018年，吉林油田通過此技術進行了儲層改造，每日增油量為0.5 t，該井的現場應用極其成功，其加砂量打破了吉林油田以往CO2無水壓裂的加砂記錄。截至2020年，已有13口井在吉林油田進行CO2干法壓裂作業，作業后的產油量極其可觀，圖1[6]可見讓53平9-3井的最高產油量是常規重復壓裂的7倍，由此可證明CO2干法壓裂后的增產效果。

2" CO2泡沫壓裂液

2.1" CO2泡沫壓裂液的定義

CO2泡沫壓裂液是由CO2、水、起泡劑及其他化學添加劑一起所形成的一種混合液。

起泡劑的作用就是產生泡沫，其是一種附著于氣、液兩相界面上的表面活性劑。常用的起泡劑主要有4種類型：陰離子起泡劑、陽離子起泡劑、兩性離子型起泡劑及非離子型起泡劑。各種不同類型的起泡劑所具備的起泡能力和穩泡效果各不相同，針對不同的儲層，所使用的起泡劑也不盡相同。進行壓裂作業時，構成壓裂液的各種起泡劑通常配合使用，以達到最佳效果。

2.2" CO2泡沫壓裂液的特點

CO2泡沫壓裂液體系由作為內相的氣態CO2和作為外相的液態混合物所構成，具備以下優勢：①用水量少。壓裂液中液相含量一般不超過體系的50%，甚至更少。②攜砂效果好。壓裂液憑借泡沫特有結構表現出的高黏度優勢，使得支撐劑在地層中的懸浮效果優良，有助于支撐劑被運送至儲層內部。③較低的濾失量。壓裂液的氣相在進入地層縫隙時，毛細管力的作用加大了氣相通過喉道的難度，體系液相的相對滲透率也相應減小，濾失量也隨之減小。④較大的滲流量。CO2的存在使得壓裂液體系酸化，黏土的膨脹和運移幅度受到限制，導致滲流通道加大。同時，因為CO2和原油能夠更好地相溶，原油的體積、黏度和油水界面張力等條件得到改變，原油的滲流阻力減小，滲流量增大。

關于CO2泡沫壓裂液的進展，仍舊存在一些問題。①CO2泡沫壓裂液添加劑中的固體不溶物和壓裂液破膠后的殘留物無法完全清除，導致儲層滲透率發生改變。②當前使用的CO2泡沫壓裂液添加劑中一般含有胍膠，受到胍膠性質的影響，體系的耐剪切性能極易發生改變。③構成CO2泡沫壓裂液的配方較為復雜，壓裂液體系中需加入各種添加劑，還需要根據儲層特點和壓裂作業要求的不同，配制不同配方的壓裂液，給施工帶來了諸多不便。

2.3" CO2泡沫壓裂施工工藝

此工藝由兩套流程組合而成[7]。一方面，CO2以液態存儲于CO2罐車中，通過增壓泵車和壓裂泵車后，在到達井口時的CO2被增壓至施工壓力，此過程中的CO2一直處于液態。另一方面，配置水基壓裂液，讓水基壓裂液與砂在混砂車內均勻混合并通過壓裂泵車輸送至井口。液態CO2與水基壓裂液在井口匯合后泵至井底的過程中，CO2由于溫度升高逐漸氣化，混合液逐步成為氣液兩相流體，其中CO2為氣相，壓裂液為液相。在進入地層前，氣液兩相流體最終形成CO2泡沫壓裂液。

2.4" CO2泡沫壓裂液油氣田現場應用

國外最早于1970年左右就開始了CO2的泡沫壓裂工作，在其發展過程中，研究者逐步意識到了其諸多性能強于其他泡沫壓裂液。

國內關于CO2泡沫壓裂作業的研究相對較晚。2016年，延長油田同時進行了CO2泡沫壓裂和常規胍膠壓裂作業，并將2種壓裂效果進行了對比（見表1[7]），不難看出，利用CO2泡沫壓裂液進行施工的生產井增產效果極為明顯，其整個壓裂過程也十分順利，這也進一步證實了CO2泡沫壓裂液具有良好的攜砂性能、低摩阻性能和高滲流性能，并且可進行大范圍高溫度井的作業。2018年，在西部某油田實施了CO2泡沫壓裂施工。該井所處的致密砂巖儲層中，裂縫極為發育，在作業過程中易造成大范圍裂縫，使得壓裂液利用率不高，加砂難度提升，因而使用了CO2泡沫壓裂液進行壓裂作業。據統計，該井的施工排量為1.5～5 m3/min，平均砂比可達到17.5%。其穩定產油量是采用羥丙基胍膠壓裂液的2倍不止，該試驗充分證實了CO2泡沫壓裂液具有明顯排液優勢，效益更大。

3" 超臨界CO2壓裂液

3.1" 超臨界CO2壓裂液的定義

超臨界CO2壓裂液屬于非水基壓裂液。其主要組成為超臨界CO2和增稠減阻劑。在標準大氣壓條件下，CO2性質穩定，密度較空氣大。CO2達到超臨界狀態所需要的條件是溫度不低于31.3 ℃、壓力不低于7.39 MPa。

3.2" 超臨界CO2壓裂液的特點

超臨界CO2壓裂液擁有以下優勢：①節省水資源，避免地層損傷。壓裂液中無水相，作業無需水資源的介入。②易于創建裂縫。在壓裂改造時，超臨界CO2的擴散性和穿透性較強，能夠大范圍地與裂縫接觸，進而構建出更為復雜的裂縫。③較強的滲流性能。超臨界CO2的存在導致儲層顯酸性，限制了黏土的膨脹程度和運移幅度，使得裂縫孔隙擴大，滲流性能增強。④返排能力強。外界壓強的改變，使得壓裂液中的CO2由超臨界狀態轉化為氣態，體系能量聚集，排液效率加快。⑤高效置換頁巖氣。由于超臨界CO2的表面張力小得幾乎可以忽略不計，因此其比頁巖氣更容易附著于頁巖儲層，可以輕易置換出儲層中的頁巖氣，在提高油氣產能的同時，又能夠吸收CO2，緩解環境壓力。

該壓裂液也附帶了一些不利因素：①自身黏度太低，增稠劑的效果不能滿足施工要求，在高砂比情況下，攜砂效果更差。又由于其超強的流動能力，在儲層中的濾失量也較大。②壓裂作業時，隨著外界環境的變化，壓裂液的相態變化極為復雜，施工難度加大。③超臨界CO2壓裂液擁有極強的穿透能力，需提供特殊設備，保證其密封效果。

3.3" 超臨界CO2壓裂施工工藝

此工藝施工步驟如下[8]：施工前期，按照要求擺放設備及管線并進行連接。為防止CO2在到達井筒中時無法達到超臨界狀態所應具備的溫度，因而須提前加熱壓裂液;施工中期，將經過處理達到超臨界狀態的CO2泵注至井筒，然后開始燜井造縫操作，等到壓力平穩后，與增稠劑按相關要求相互溶合，形成超臨界CO2壓裂液。然后把支撐劑與壓裂液按照一定的比例在密閉混砂車中均勻混合，隨后將混合體系加壓升溫后注入至井底裂縫;施工后期，壓強的改變使得超臨界CO2轉變為氣態，CO2返回地面。

3.4" 超臨界CO2壓裂液油氣田現場應用

國內關于超臨界CO2壓裂液油氣田現場應用的研究較少。2017年，超臨界CO2壓裂液在延長油田用于壓裂施工（圖2[8]）。施工時，受限于超臨界CO2壓裂液的密度和黏度，導致現場造成了裂縫砂堵，因而中途更換其他壓裂液進行作業，但盡管如此，效益仍舊可觀。此次現場應用證實了超臨界CO2壓裂液能夠不受應力因素對地層裂縫形態的約束，促使地層大量復雜裂縫的形成，但也證實了其具有較高的摩擦阻力，較低的黏度，攜砂能力較弱等不利因素。

4" 挑戰與展望

CO2壓裂改造技術已運用于國內外許多油田，關于CO2壓裂液的研究也進行得如火如荼。然而，有關CO2壓裂液的發展還有許多值得關注的地方。

在這項技術能夠普及更多油田之前，有幾個不容忽視的挑戰如下。

第一，CO2干法壓裂施工中，既能保證壓裂液的工作特性又能規避其帶來的風險，是以后研究的核心問題。

第二，CO2泡沫壓裂作業中，各種添加劑的使用使得壓裂液配方較為復雜，并且其中的固體不溶物始終無法完全根除。

第三，利用超臨界CO2壓裂液進行壓裂作業時，始終未能開發出低成本并且高效的增稠減阻劑，使得該壓裂液的發展受到極大限制。

對于未來的展望，需要進一步關注以下研究領域。

第一，利用CO2響應的表面活性劑及其他助劑，構筑出新型CO2壓裂液體系，該體系不僅能夠提高壓裂液的各種性能，還可在返排液中繼續添加其他成分進行再次利用，大幅度節省了壓裂液的用量。

第二，通過納米材料，表面活性劑及其他材料的相互配合可研制出壓裂-排驅一體化CO2壓裂液體系，此體系既能夠實現壓裂液的各種功能，還能夠利用壓裂返排液的能量進行驅油，不僅解決了返排液的處理難題，還能高效開發非常規油藏，同時又可對CO2進行埋存。

參考文獻：

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[2] 王滿學，何娜.液態CO2干法加砂壓裂增稠劑技術現狀及展望[J].石油與天然氣化工，2017，46（4）：57-62.

[3] 鄭超.基于相態變化的液態CO2壓裂液濾失機制研究[D].青島：中國石油大學（華東），2021.

[4] KING S R. Liquid CO2 for the stimulation of low-permeability reservoirs [C]//SPE 11616，1983.

[5] 張新民.二氧化碳干法加砂壓裂在長慶首獲成功[N].中國石油報，2013-09-04（001）.

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[7] 楊浩瓏，向祖平，李龍，等.CO2泡沫雙子表面活性劑清潔壓裂液研究與試驗[J].石油鉆探技術，2018，46（2）：92-97.

[8] 李曉楓.超臨界二氧化碳增稠劑的篩選與性能評價[D].北京：中國石油大學（北京），2021.

基金項目：中國科學院項目（XAB2021YW03）

作者簡介：張舵（1994-），男，碩士研究生。研究方向為油氣田開發。