液态CO_2压裂技术研究现状与展望_吴金桥

　［收稿日期］２０１３－１０－２０　［基金项目］国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＣ２６Ｂ００）；陕西省科学技术研究发展计划项目（２０１１ＫＪＸＸ－５７）；陕西省科技统筹创新

工程计划项目（２０１２ＫＴＺＢ０３－０３）。

　［作者简介］吴金桥（１９７５－），男，博士，高级工程师，现主要从事油气井增产改造技术方面的研究工作。

液态ＣＯ２压裂技术研究现状与展望

吴金桥，高志亮孙晓，梁小兵

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安７１００７５）

［摘要］液态

ＣＯ２压裂是采用液态ＣＯ

２

作为压裂液进行增产改造的工艺技术，对储层无伤害，可替代水

基压裂液，近年来该技术在致密气藏、页岩气藏开发中受到广泛关注。介绍了液态ＣＯ２压裂技术的特点，详细阐述了液态ＣＯ２压裂技术的发展阶段，对液态ＣＯ２压裂技术类型进行了对比分析，并指出了今后该技术的研究方向，以期为开发低渗、特低渗致密油气资源提供帮助。［关键词］液态

ＣＯ

２

压裂；压裂改造；无伤害压裂工艺

［中图分类号］ＴＥ３５７．１３［文献标志码］Ａ ［文章编号］１６７３－１４０９（２０１４）１０－０１０４－０４

压裂改造是开发低渗、特低渗致密油气资源最主要的增产技术［１］。近几年，

美国页岩气的成功开

发，使得其开发过程中应用的“大排量、大液量”的体积压裂技术在致密油气、页岩油气勘探开发中得到迅速推广［２，３］，但压裂液巨大的耗水量、对地下水及地表环境潜在的污染是使用该技术的一大弱点［４］。

因此，寻找一种能替代水作为压裂液的低伤害压裂技术成为石油工程技术人员的研究热点。由于液态ＣＯ２压裂技术采用无水相的液态ＣＯ２作为压裂液，压裂后ＣＯ２

变成气体从地层中完全排出，对储层几

乎无伤害，因而在低渗、低压、水敏性储层开发中得到广泛应用，迄今为止累计实施２０００井次以上［５］。

为此，笔者对液态ＣＯ２压裂技术研究现状与应用前景进行了详尽分析，以便为油气田的压裂改造提供参考。

１　

液态ＣＯ２压裂技术特点

液态ＣＯ２压裂是指采用纯液态ＣＯ２作为压裂液进行增产改造的工艺技术。ＣＯ２临界温度、压力分别为３１．０℃、７．３８ＭＰａ，易于液化，在实际压裂工况条件下，液态ＣＯ２的密度与水接近且黏度约为水的１／１０，因而具备了压裂液的基本性能［６］；压裂时，液态ＣＯ２作为压裂无水相进入地层，压裂施工结束后，当温度升高、压力降低时，液态ＣＯ２变成气态，快速、彻底地从地层排出，不留残渣，因而是一种真正意义上的无伤害压裂工艺［７］。

１．１　

液态ＣＯ２压裂技术的优势

１）对储层伤害小　ＣＯ２是一种非极性分子，与地层岩石、流体配伍性好。ＣＯ２

溶于原油，显著降

低原油黏度，有利于原油流动。此外，ＣＯ２溶于水，生成弱酸性碳酸，能抑制黏土膨胀。同时，当地层中温度超过３１．１℃时，液态ＣＯ２气化变成气体，无残留，完全避免了对裂缝导流能力的损害。２）返排迅速彻底　当温度升高后，液态ＣＯ２在地层中气化膨胀（１ｍ３液态ＣＯ２约变成５４０ｍ３气态ＣＯ

２

），大大增加了地层能量，可以完全不依靠地层压力并在２～４ｄ内实现迅速彻底的返排，从而缩

短投产周期。３）容易形成网缝

　液态ＣＯ２黏度低，较冻胶压裂液更容易进入微小裂缝，进而增加网缝的形

成［８］。同时，压裂后具有较高的基质渗透率恢复值和较高的导流能力，储层基质、

裂缝端面及人工裂缝

渗透性好。４）综合作业成本低，经济效益好

　实施液态ＣＯ２压裂技术时需要的化学添加剂少，压裂后没有压

·４０１·长江大学学报（自科版）

２０１４年４月号理工上旬刊第１１卷第１０期

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ　Ｓｃｉ　Ｅｄｉｔ）　Ａｐｒ．２０１４，Ｖｏｌ．１１Ｎｏ．１０裂废液，既避免了环境污染，又节约了生产成本。此外，与常规压裂措施井相比，使用液态ＣＯ２压裂技术的油气产量高且稳产期长，因而经济效益好。１．２　液态ＣＯ２

压裂技术劣势

１）携砂能力差　由于液态ＣＯ２

的黏度低，因而携砂能力差。为保证施工安全，砂浓度要低，支撑

剂尺寸要小一些。同时，液态ＣＯ２在地层滤失速度快，泵注排量要大，因而需要动用较多的压裂设备。２）加砂规模受限　由于施工中必须保持ＣＯ２

处于液态，因此需要在较高的压力条件下才能实现

ＣＯ２与支撑剂的混合，因而不能使用常规混砂车，必须采用专用的ＣＯ２

密闭混砂设备。此外，加砂规

模受密闭混砂设备尺寸的限制，因而不适合加砂规模较大的压裂改造，如致密气、页岩气井的体积压裂等。

２　液态ＣＯ２

压裂技术的研究进展

２．１　纯液态ＣＯ２

加砂压裂技术阶段

从２０世纪６０年代开始，液态ＣＯ２作为压裂液的增能助排剂在油气井增产改造中得到应用［９］。

１９８１年，美国首次采用１００％液态ＣＯ２

作为压裂液对低渗气层进行加砂压裂改造，获得了良好的增产

效果［１０，１１］。纯液态ＣＯ２加砂压裂是采用１００％液态ＣＯ

２

（无水或其他添加剂）作为携砂液进行压裂施

工的工艺技术。该技术施工流程如下：作业前，将支撑剂装入密闭混砂车并加入液态ＣＯ２预冷，然后利用Ｎ２驱动液态ＣＯ２与支撑剂混合后经压裂泵车增压注入地层。作业完成后，关井一段时间，确保ＣＯ２完全气化，然后开井排液，将气态ＣＯ２排出井筒。１９８６年，Ｓｅｔｌａｒｉ等［１２］开展了液态ＣＯ２

压裂数

值模拟研究，探讨了低温低黏液体对压裂裂缝形态、滤失、携砂性能的影响。Ｃａｍｐｂｅｌｌ等［１３］介绍了液态ＣＯ２加砂压裂的地面设备流程和压裂设计的摩阻－排量图版。１９９３至１９９４年，美国、加拿大等国家

石油公司开展了超过１２００井次以上液态ＣＯ２加砂压裂作业，井深７００～５０００ｍ、ＣＯ２用量８７～３３７ｔ

、

加砂量５．７～５４．４ｔ，施工后油气井产量增加了几倍至十几倍，尤其是针对Ｌｅｗｉｓ、Ｄｅｖｏｎｉａｎ等页岩气层进行了几十井次的应用对比，增产效果明显好于邻近Ｎ２压裂、Ｎ２泡沫压裂井［１４－１５］。

２．２　液态ＣＯ２／Ｎ２

压裂技术阶段

１９９４年，Ｍａｚｚａ［１６］发明了在液态ＣＯ２中添加一定比例的Ｎ２

进行携砂压裂的工艺技术，即液态

ＣＯ２／Ｎ２压裂技术，其施工流程与液态ＣＯ２加砂压裂类似，首先对支撑剂加压预冷，然后液态ＣＯ２

与

支撑剂混合并经压裂泵车增压，在井口与Ｎ２按一定比例混合后泵入地层，Ｎ２的体积比例一般为５０％

～７０％。Ｔｕｄｏｒ等［１７］提出了液态ＣＯ２、液态ＣＯ２／Ｎ２

低黏流体的临界携砂流速准则和管流摩阻计算公

式。Ｓａｍｕｅｌ等［１８］对液态ＣＯ２／Ｎ２压裂进行了模拟计算，研究了Ｎ２比例等因素对摩阻、压裂成本等影响。Ｍｅｉｅｒ等［１９］首次利用现场和实验室数据测定了液态ＣＯ２、液态ＣＯ２／Ｎ２的滤失系数，结果显示液态ＣＯ２可以降低含水饱和度并提高气井产量。截至１９９７年为止，液态ＣＯ２／Ｎ２

压裂技术在加拿大浅层气

井成功应用了２００井次，井深１９４～１６７０ｍ，液态ＣＯ２泵注排量为２．０～５．５ｍ３／ｍｉｎ，Ｎ２比例为５０％～

６７％，加砂２．５～１１．９ｔ，与液态ＣＯ２

压裂相比，增产效果相当，而平均单井成本降低２３％

［２０］。

２．３　液态ＣＯ２／Ｎ２

泡沫压裂技术阶段

１９９８年，ＢＪ公司开发了液态ＣＯ２／Ｎ２泡沫压裂技术［２１］，即在液态ＣＯ２

中加入一种能完全溶解的氢

氟醚类起泡剂（如ＨＦＥ－７１００），通过调节Ｎ２的掺入比例（一般在７５％～８０％

），使整个体系形成一种

稳定性好、黏度高的非常规泡沫流体，并以此作为携砂液的压裂工艺，其施工流程与纯液态ＣＯ２压裂类似。１９９９至２００３年，利用液态ＣＯ２／Ｎ２泡沫压裂技术成功实施了３５０多次压裂作业，井深１０００～

１２００ｍ，泵注排量２～３ｍ３／ｍｉｎ，最高砂浓度可达４００ｋｇ／ｍ３，主要用于低渗、低压水敏性气藏压裂改

造［２２］。另外，该技术在煤层气井上的压裂应用效果也很好。从２００５年开始，

长庆油田在低渗致密气藏

上开展了４～５井次纯液态ＣＯ２（不加砂）压裂，取得了初步的认识［２３－２４］。２００８年，陆友莲等［２５］对纯液态ＣＯ２压裂的非稳态过程进行了数值模拟研究，了解其井底压力、温度随时间的变化规律；２００９年，孙晓等［２６－２７］采用高温高压泡沫循环回路测试了“液态ＣＯ

２／Ｎ２

／起泡剂”压裂液体系的流变特性和摩阻

特性，初步建立了相应的数学拟合公式。２０１１年，延长石油在陆相页岩气井上完成了１井次纯液态

·５０１·第１１卷第１０期吴金桥等：液态ＣＯ

２

压裂技术研究现状与展望