二氧化碳压裂
二氧化碳压裂施工安全技术要点
二氧化碳压裂施工安全要点CO₂泡沫压裂是低压低渗、水敏性地层有效的增产措施，具有对地层伤害低、液体返排率高、携砂性能好、抑制粘土膨胀、降低滤失及水的表面张力等优点，增长效果较好，目前在国内外各油气田得到广泛应用。
但是由于液态的CO2容易形成干冰堵塞而出现炸裂等事故，因此，CO₂泡沫压裂施工安全显得尤为重要。
介绍主要从两个方面入手：CO2物理特性和现场施工安全注意事项，对CO₂压裂安全施工具有较好的指导作用，保证压裂施工的安全有效进行。
一、CO₂的物理性质1、性质CO₂在-56.6°C和0.531MP(绝对)的条件下，气态、液态和固态三种形态同时存在，即CO₂的三态点。
在低于0.531MP(绝对)时，CO₂以固体（干冰）或者是气体的形态存在，高于30.6°C和7.5MP时，它将以气体的形态存在。
在大气压条件下，固态在其温度达到-78.5°C时，便开始升华。
超过30.6°C时，CO₂都是蒸汽，超过这个临界温度增加压力也不能使之转变到液态。
CO₂常温下是一种无色无味、不助燃、不可燃的气体，密度比空气大，略溶于水，与水反应生成碳酸。
CO₂压缩后俗称为干冰。
2、人体危害（1）CO₂密度较空气大，当CO₂少时对人体无危害，但其超过一定量时会影响人（其他生物也是）的呼吸，原因是血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，并产生酸中毒。
因为CO₂比空气重，所以在低洼处的浓度较高。
CO₂的正常含量是0.04%，当CO₂的浓度达1%会使人感到气闷、头昏、心悸，达到4%~5%时人会感到气喘、头痛、眩晕，而达到10%的时候，会使人体机能严重混乱，使人丧失知觉、神志不清、呼吸停止而死亡（2）切记在每次接触干冰的时候，一定要小心并且用厚绵手套或其他遮蔽物才能触碰干冰，如果是在长时间直接碰触肌肤的情况下，就可能会造成细胞冷冻而类似轻微或极度严重冻伤的伤害。
二、CO₂压裂基本原理CO₂泡沫压裂液是由液态CO₂、水冻胶和各种化学添加剂组成的液-液两项混合体系，在向井下注入过程，随温度的升高，达到30.6°C临界温度以后，液态CO₂开始气化，形成以CO₂为内相，含高分子聚合物的水基压裂液为外相的气液两相分散体系。
二氧化碳干法压裂技术综述
里格气田现场试验成功。2014 年，延长油田在鄂尔多 斯盆地延长组长 7 层进行了 1 口页岩气井的二氧化碳 干法压裂试验，取得了圆满成功。
3 二氧化碳干法压裂增产机理及其技
术特点
3.1 二氧化碳干法压裂增产机理
二氧化碳干法压裂增产机理是： （1）压后增能作用。二氧化碳可压缩性的特点， 赋予它储存能量的能力。二氧化碳干法压裂除形成 具有一定导流能力的裂缝外，当二氧化碳进入储层 中，与原油接触，其升温后快速气化并溶解于原油中， 增加了溶解气驱的能量，使得举升液体能力显著提 高； （2）溶解降黏作用。当液态二氧化碳进入储层与 原油接触，其升温后与原油互溶，导致原油黏度的降 低； （3）置换作用。当液态二氧化碳与储层接触时， 由于二氧化碳分子相比于甲烷分子有更强的吸附能 力，可将甲烷置换出来，使甲烷从吸附态变成游离态， 从而提高采收率； （4）溶蚀作用。在压裂过程中当液态二氧化碳与 地层水接触，饱和二氧化碳的水 pH 值升至 4.5 以上 时，能与储层中存在的粘土矿物反应，且排液速度高， 可携带出大量固体颗粒及残留物，从而可以极大提高 裂缝的导流能力。
由于试验装备和技术的原因，国内二氧化碳干法 压裂技术的研究和现场试验起步较晚。从 2005 年开 始，长庆油田在低渗致密气藏上开展了 4 井次纯液态 二 氧 化 碳 干 法（不 加 砂）压 裂 ，取 得 了 初 步 的 认 识 。 2011 年川庆钻探公司工程技术研究院在苏里格气田 成功实施了国内第一口二氧化碳干法压裂现场试验； 2013 年 8 月国内第一口二氧化碳干法加砂压裂在苏
· 30 ·
新疆石油科技
2018 年第 1 期（第 28 卷）
二氧化碳干法压裂技术综述
张怀文① 周江 高燕
新疆油田公司工程技术研究院，834000 新疆克拉玛依
二氧化碳泡沫压裂技术及应用
为中浅层压裂增产改造的主要技术手段。
大庆探区二氧化碳泡沫压裂技术发展及应用
目前大庆探区二氧化碳泡沫压裂技术现状
1、车组设备能力;2006年以前压裂泵车应用双S3缸泵车组
,CO2液压裂施工排量最高2.7m3/min,大排量限流法压裂，泡沫质
量一般在50左右%,现在CO2液施工排量提高到3.0m3/min,泡沫质 量提高到60%以上 。
第一阶段,1998年-1999年,这期间引入吉林油田设备进行 技术服务,共压裂7口井11层,平均泡沫质量为51.02%,最大单 层加砂规模32.0m3,最高泡沫质量56.7%,压后平均单井日产油 3.82t。工艺水平相当于混气水压裂。
第二阶段,2001年-2006年,引进双S2000型压裂车组,建立 了大庆油田自己的二氧化碳泡沫压裂技术,形成了恒定内相泡 沫质量和变泡沫质量的设计方法,提高了施工成功率和泡沫质 量,这期间共压裂30口井40层,平均泡沫质量为60.56%,最大单 层加砂规模36.0m3,最高泡沫质量67.7%, 压后平均单井日产 油3.83t。真正实现了二氧化碳泡沫压裂。
• 改变原油性能,降低粘度和凝固点
CO2进入低饱和压力的油藏，可以大量溶于原油中，据统 计，中原稠油井采用CO2吞吐，原油粘度平均下降38%, 凝固 点一般下降10℃,原油的粘度和凝固点大幅度降低，减小了渗 流阻力，提高了油层产能。
大庆探区二氧化碳泡沫压裂技术发展及应用
• 大庆探区二氧化碳泡沫压裂技术发展大体分为三个阶段
CO2泡沫压裂排量与泡沫质量选择表
CO2排量 (m3/min ) 2.8 2.0 基液排量 (m3/min) 1.0 1.8 1.0 1.9 1.2 2.1 1.4 2.4 1.6 2.7 1.8 2.9 2.0 2.9 总排量 (m3/min ) 3.8 3.8 4.0 4.0 4.2 4.2 4.4 4.4 4.6 4.6 4.8 4.8 5.0 4.8 泡沫质 量(%) 73.7 73.7 75.0 73.6 71.4 71.6 68.2 67.8 65.2 64.0 62.5 62.3 60.0 62.3 质量类型
CO2干法压裂综合调研报告
CO2干法压裂据了解，二氧化碳压裂技术源于北美，是一种采用液态二氧化碳作为压裂液来代替水的技术，主要针对煤层气、水敏性储层、含原油较稠储层、低压储层的油气开发而设计。
液态二氧化碳在汽化后，无水相，无残渣，仅有支撑剂留在地层，不会对储层造成伤害，可实现快速排液投产；此外，二氧化碳具备比甲烷更强的吸附力，可置换出吸附于母岩的甲烷，从而提高天然气或煤层气的产量，并实现部分二氧化碳的永久埋存。
与常规水基压裂相比，二氧化碳干法压裂对地层几乎无伤害，具有良好的增产增能作用，大量节约了水资源，达到了节能减排、绿色环保的施工要求，对于非常规油气储层清洁、高效开发意义深远，具有广阔的应用前景。
一、工艺技术原理1、增产机理强水敏/水锁伤害储层由于水基压裂液的滤失而导致较大的储层渗透率损害，影响压裂作业的增产效果。
低压、低渗透气藏普遍具有较强的水锁伤害。
CO2干法加砂压裂能够较大幅度的提高强水敏/水锁伤害储层的压后产量，主要体现在：①压裂液具有极低的界面张力，受热汽化后能够从储层中完全、迅速返出；②压裂液无残渣，对支撑裂缝导流床具有较好的清洁作用，保持了较高裂缝导流能力和较长的有效裂缝长度；③CO2在地层原油中具有较高的溶解度，能够降低地层原油黏度，改善原油流动性；④超临界CO2具有极低的界面张力，理论上，对非常规天然气储层中吸附气的解析具有促进作用。
2、技术优点CO2干法加砂压裂具有诸多优点，主要体现在较小的储层渗透率伤害，较高的支撑裂缝导流能力保留系数，较快的压后返排速度和对吸附性天然气的解析等方面。
对于提高水敏／水锁伤害严重储层和吸附性天然气储层（页岩气、煤层气等）产能具有明显技术优势，是一项非常有前景的增产改造技术。
CO2干法压裂总结起来有以下优点：1）无水相，不会对储层造成水敏水锁伤害；2）无残渣，不会对储层和支撑裂缝渗透率造成残渣伤害；3）具有很好的增能作用，在压力释放后，二氧碳气体膨胀，可实现迅速返排，有低压气井的压后快速排液投产；4）CO2流动性强，可以流入储集层中的微裂缝，更好地沟通储集层；5）CO2溶于原油可以降低原油的黏度，利于原油的开采；6）CO2能够置换吸附于煤岩与页岩中的甲烷，在提高单井产量的同时，还可以实现温室气体的封存。
CO2泡沫压裂技术介绍
（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选
★起泡及稳泡性能试验 ★压裂液耐温耐剪切性能评价试验 ★静态与动态滤失试验 ★动态模拟试验 ★粘弹性试验 ★支撑剂沉降试验 ★压裂液破胶与残渣性能试验 ★压裂液的表面化学特性与吸附特性试验
(3) CO2泡沫压裂液添加剂优选
• 起泡剂优选
80
70
FL-36
YPF-1
770
825
600
400
200 70
0 YPF-1
136.7 B-18
212 FL-36
起泡体积（ml） 半衰期（×0.1min）
不同起泡剂的起泡效率与稳泡特性（1.0%水溶液）
（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选
•稳泡剂的优选
起泡体积（m l） 半衰期（m in）
羟丙基瓜尔胶 水溶液浓度越大， 形成的泡沫半衰 期越长，也就是 泡沫越稳定；同 样也使得泡沫体
四:CO2泡沫压裂工艺技术
工艺技术特点 总体上CO2泡沫压裂特点表现为“一少、一低、一
快”。与常规水基压裂相比，入井液量少；对储层伤害 低；压后返排快。
中国 . 西安
CO2泡沫压裂工艺流程
在水力压裂的泵注过程中，采用CO2泵注车将液体CO2经过地面三通与冻胶液混合注入井 内。利用液态CO2与冻胶液的混合液进行加砂压裂施工。
60
B-18
50
时间(min)
40
30
20
Hale Waihona Puke 100050
100
150
200
250
不同起泡剂水溶析液水的量(泡ml沫) 稳定性对比
（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选 • 起泡剂优选
从起泡效 率和泡沫稳 定性对比看， FL-36起泡剂 性能最好， B-18和YPF-1 起泡剂性能 相当。
二氧化碳压裂页岩技术
二氧化碳压裂页岩技术
二氧化碳压裂是一种新兴的页岩气开采技术。
它利用高压二氧化碳替代传统的水和化学品作为压裂液，将其注入到页岩岩层中，从而使岩石裂缝扩大，释放出埋藏在其中的天然气。
相比于传统压裂技术，二氧化碳压裂具有更高的效率和更少的环境影响。
二氧化碳压裂技术的优势在于其压裂液为二氧化碳，不仅可以减少对地下水资源的污染，还可以将二氧化碳气体注入到岩层中进行封存，起到减缓气候变化的效果。
此外，二氧化碳压裂所需的水资源也较少，适用于缺水地区的页岩气开采。
不过，二氧化碳压裂技术也存在一些挑战，例如二氧化碳的成本较高、压裂液的注入需要更高的压力等。
此外，岩层中的二氧化碳含量也会影响二氧化碳压裂的效果。
总体来说，二氧化碳压裂技术是一种有前途的页岩气开采方法，其环境友好、高效节能的特点使其备受关注。
未来随着技术的不断进步，二氧化碳压裂技术的应用前景也将变得更加广阔。
- 1 -。
二氧化碳在油井中的应用
二氧化碳在油井中的应用引言：二氧化碳是一种常见的气体，它在油井中有着广泛的应用。
二氧化碳的化学性质稳定，易于获取和使用，因此它被广泛应用于油井开采和增产过程中。
本文将详细介绍二氧化碳在油井中的应用，包括二氧化碳驱油、二氧化碳压裂和二氧化碳注入。
一、二氧化碳驱油二氧化碳驱油是指通过注入二氧化碳气体来推动原油向油井井口移动的一种增产方式。
二氧化碳在地下的高压下，能够渗入油层中，与原油发生物理、化学反应，降低原油的粘度和表面张力，提高了原油的流动性。
此外，二氧化碳的气体膨胀性能也能够推动原油向油井井口移动。
通过二氧化碳驱油技术，可以有效地提高油井的采收率，延长油田的寿命。
二、二氧化碳压裂二氧化碳压裂是指在油井开采过程中，通过注入高压二氧化碳气体来破裂油层，并将原油从裂缝中释放出来的一种技术。
二氧化碳具有良好的渗透性和膨胀性能，可以在地下形成高压环境，使原油从油层中迅速释放出来。
与传统的水力压裂相比，二氧化碳压裂能够更好地保持油层的渗透性，提高原油的产量。
三、二氧化碳注入二氧化碳注入是指将二氧化碳气体注入到油井中的一种增产技术。
通过注入二氧化碳气体，可以改变油藏的物理性质，增加油层的压力，促使原油从油层中流出。
此外，二氧化碳还具有溶解原油的能力，可以提高原油的提取率。
二氧化碳注入技术在油井增产中具有广泛应用，能够有效地提高油井的产量和采收率。
四、二氧化碳的优势和挑战二氧化碳在油井中的应用具有以下几个优势。
首先，二氧化碳是一种环境友好的气体，与地球大气层中的二氧化碳没有任何区别，不会对环境造成污染。
其次，二氧化碳的获取和使用成本相对较低，适用于各种油田开采条件。
此外，二氧化碳的应用范围广泛，不仅可以用于常规油田开采，还可以用于页岩气、煤层气等非常规能源的开发。
然而，二氧化碳在油井中的应用也面临一些挑战。
首先，二氧化碳的获取和输送需要一定的成本和技术支持。
其次，二氧化碳的注入量和压力需要精确控制，否则可能会导致油井产量下降或油井堵塞。
页岩超临界二氧化碳压裂分析
平均源幅值67.53dB 破裂压力25.93MPa
随着压力梯度的增大，破裂压力增大，平均源幅值增大，说明压力梯度
较大时裂缝扩展所需能量较高
1. CO2压裂
应力差异 系数定义
k H h H
1.6 大尺寸试样不同应力差异系数超临界CO2压裂
k 0.050
k 0.286
两种试验工况：（左图）k=0.050，（右图） k=0.286
两种试验工况下页岩压裂后剖面：（左图）k=0.050，（右图）
1. CO2压裂
k 0.050
加 围 压 阶 段
k 0.286
压 裂 阶 段
破裂压力23.71MPa
破裂压力28.07MPa
；平均源幅值
；平均源幅值
应力差异系6数4.越55大dB，破裂压力越大。限于试验数据偏6少4.，33规dB律性仍需重复验
28 MPa 续上升
时页岩形 直至37.4
成贯穿裂 MPa而
缝；
引起密
平均源幅 封失效
声发射事件累计值随孔压变化 较低强值4裂6.0缝源dB扩幅展值能平力；均源较高弱
声发射定位图
声发射事件累计值随孔压变化
1. CO2压裂
1.2 圆柱试样不同压力梯度CO2压裂（轴压16kN，围压20MPa）
页岩L145三轴超临界CO2压裂
页岩超临界二氧化碳压裂试验分析
1. CO2压裂
1.1 圆柱试样超临界CO2/水压裂（轴压16kN，围压
页岩L145三轴超临界CO2压裂
20MPa） 页岩L143三轴水力压
声发射定位与实际
裂
位置基本吻合。
声发射定位图
超临界CO2压裂形 成了一个贯穿缝；
水力压裂只是在模 拟井筒周围形成裂
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二氧化碳泵车排量---压力性能
档位
发动机转速 （rpm）
4寸泵头
排量 最高压力
m3/min
MPa
1
1900
0.39
105
2
1900
0.548
105
3
1900
0.667
105
4
1900
0.835
95.8
5
1900
0.93
7
1900
1.478
54.4
4.5寸泵头
排量 m3/min
二氧化碳增压泵
二氧化碳泵车 二氧化碳罐车
1、二氧化碳压裂泵车（4台）
整车型号：2000型 发动机型号：底特律12V4000 发动机功率：2250马力/1950RPM 最高泵压：105MPa（额定） 生产厂家：江汉四机厂
二氧化碳压裂泵车工作原理与普通压裂泵车相同，但 因泵注的是零下几十度的低温液态二氧化碳，需拆除三 缸泵空穴消除器 ，并采用耐低温阀门、盘根、凡尔胶皮。
生产厂家：美国双S 最大排量：4.6m3/min 最高工作压力：350PSI 吸入口数量：8个 排出口数量：8个
3、二氧化碳罐车（9台）
生产厂家：河北盐山汇达公司 罐车容积：14.m3 工作压力：2.1MPa 数量：9台
4、二氧化碳控制车及配套设备
该车装备了软启动控制柜，二 二氧化碳控制车 氧化碳罐车卸车泵供电电缆，二 氧化碳罐车卸车阀远程控制开关， 可实现二氧化碳罐车卸车的远程 集中控制。
卸车阀远程控制开关
软启动控制柜
卸车泵供电电缆
配备了防冻液循环水泵 及储罐，保证了二氧化碳泵 车的循环试压的需要。
防冻液循环水泵
配备了空压机及压缩空气 储罐，满足了防冻液回收循环 扫线的需要
空压机
压缩空气储罐
配备四组泵车 控制面板，实现对 二氧化碳压裂泵车 的集中控制
控制面板
5、二氧化碳压裂配套设备
胜利油田二氧化碳压裂技术简况
井下作业公司 2010.06
主要内容
➢ 二氧化碳压裂工艺流程 ➢ 二氧化碳压裂设备配套 ➢ 二氧化碳压裂技术准备 ➢ 国内二氧化碳压裂技术应用情况 ➢ 几点建议
一、二氧化碳压裂工艺流程
二、二氧化碳压裂设备配套情况
经过近两年的引进配套，井下作业公司从 美国双S公司引进了二氧化碳增压泵车、在国内 配套了增压泵车控制车、二氧化碳罐车，自四 机厂购进了新的压裂机组，完成了二氧化碳压 裂设备配套完善，具备开展二氧化碳压裂施工 的能力。
调试最大排量： 1.8m3/min
( 受地面工矿条件限制，更
高的排量试验必须到现场
调试运行）
7、达到的技术指标
可实现同时对4台二氧化碳压裂泵车的集中控制，最高施工泵压 93MPa，此时最大排量3.5m3/min（还可通过增加泵车进一步提 高总排量）,增压泵车理论最大供液排量4.6m3/min。 可实现对9台二氧化碳罐车卸车的远程集中控制，最大二氧化碳 供液量达到126 m3。 可实现二氧化碳压裂施工各主要施工步骤，包括二氧化碳压裂泵 车的启动、循环泵、管线试压、扫线等全过程的远程集中控制。 配套完善了施工所需的各种管汇及附件。
常规水基压裂液：碱性环境下交联，酸性条件下破胶 CO2泡沫压裂液：弱酸性，酸性环境下交联，复合破胶。 国外大服务公司的CO2泡沫压裂液体系：
斯伦贝谢公司：YF8OOLPH体系 BJ公司：Medallion Frac 4000 with CO2/10%甲醇压 裂液体系
4、目前CO2压裂工艺技术准备情况
粘度,mPa.s
SJ-8 120度
1200
140
1000
120
800
100
600 400
80
T-t
60
v-t
40
200
20
0
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56
① CO2增能压裂技术： 泡沫质量小于52%，也称为混气水压裂
② CO2泡沫压裂技术： 泡沫质量达到60-85%
③ CO2+N2二元泡沫压裂技术 ： 压裂施工过程中同时应用CO2和N2
④ 纯CO2压裂技术： 液态CO2作为压裂液，以液态注入，在地层条件下气化。施工后地层无残
留液体。
3、CO2压裂技术----压裂液
1）压裂液体系
开发了酸性压裂液体系，140℃条件下 交联良好，辅助液态二氧化碳降温作用， 满足150-160 ℃储层改造需要。
酸性压裂液配方组成:
(0.7-0.9)%稠化剂+(0.3-1.0)%粘土稳定剂 +(0.3-1.0)%助排剂 +1%起泡剂(需要时)。
交联比：100:(0.7-0.9) 稠化剂：pH值 6.5 交联剂：pH值 1.0-3.0 酸性冻胶体系:pH值 4.0-5.5
最高压力 MPa
0.511
97.5
0.714
97.5
0.872
93.1
1.085
74.9
1.182
67
1.47
53.8
1.87
42.3
5寸泵头
排量 m3/min
最高压力 MPa
0.61
80.6
0.857
80.6
1.042
76.7
1.305
61.3
1.459
54.8
1.815
44
2.309
34.6
2、二氧化碳增压泵车（1台）
CO2储罐（中原）容积：20 m³
CO2增压泵车（中原）
撬装式、车载式CO2储罐（长庆）
主要技术参数： 最大额定压力：2.41MPa 最大排量：4.65 m³/min
CO2增压泵及低压流程（长庆）
三、二氧化碳压裂工艺技术现状
1、CO2的物理性质
CO2的相态: 气态、液态、固态
三相点（o）：
压力：0.527MPa 温度：-56.6 ℃
在二氧化碳罐车低压管汇上配 备了气动碟阀，可从控制车上远程 控制罐车的卸车阀门的开启和关闭。
气动碟阀
配备了300KW电源为控制车和 二氧化碳罐车供电，摆脱了对现场电 源的依赖。
配备了国产耐 低温蝶阀、液力端 清洗装置以及二氧 化碳循环管汇，保 证了低温施工的可 靠性。
6、设备调试情况
目前全部已基本配套完 成，进行了3次地面模拟 施工试验，各项配套设 备运行正常。
临界点（c）：
压力：7.38MPa 温度：31.06 ℃
标准状态（0℃，0.101MPa）下： 1m3 CO2（液态）＝546sm3 CO2（气态）
2、CO2压裂技术
二氧化碳压裂技术相对水基压裂而言比较复杂，压裂液体系是由液态 CO2、水冻胶和各种化学添加剂组成的液-液两项混合体系组成。泡沫液粘度 随泡沫质量的不同而发生很大变化，根据泡沫质量不同分为三种工艺技术：