宋振云 蘇偉東 楊延增 李勇 李志航汪小宇 李前春 章東哲 王玉

1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室

CO2干法加砂壓裂是以CO2代替常規(guī)水力壓裂液的一種無水壓裂技術(shù)。

CO2干法加砂壓裂具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在較小的儲層滲透率傷害，較高的支撐裂縫導(dǎo)流能力保留系數(shù)，較快的壓后返排速度和對吸附性天然氣的解析等方面。對于提高水敏／水鎖傷害嚴(yán)重儲層和吸附性天然氣儲層（頁巖氣、煤層氣等）產(chǎn)能具有明顯技術(shù)優(yōu)勢，是一項(xiàng)非常有前景的增產(chǎn)改造技術(shù)。

截至2003年，以美國和加拿大為首的北美地區(qū)已經(jīng)完成了1 100余井次CO2干法加砂壓裂的現(xiàn)場應(yīng)用，尤其對頁巖氣儲層增產(chǎn)效果特別明顯［1］。

國內(nèi)對于CO2干法加砂壓裂技術(shù)的研究尚處于起步階段。CO2干法加砂壓裂的主要技術(shù)難點(diǎn)包括壓裂液攜砂能力差，濾失速度快，難以實(shí)現(xiàn)高砂比、大砂量作業(yè)；地面施工壓力高，提高了對壓裂管柱、井口裝置和地面設(shè)備的性能要求；常規(guī)壓裂所使用的混砂設(shè)備無法滿足作業(yè)需要，需研制專用的密閉混砂設(shè)備［2］，并配套相應(yīng)的地面流程和井筒管柱。

1 CO2干法加砂壓裂的增產(chǎn)機(jī)理

強(qiáng)水敏／水鎖傷害儲層由于水基壓裂液的濾失而導(dǎo)致較大的儲層滲透率損害，影響壓裂作業(yè)的增產(chǎn)效果。低壓、低滲透氣藏普遍具有較強(qiáng)的水鎖傷害［3］，例如蘇里格氣田上古生界砂巖儲層的水鎖傷害率為24.9%～68.2%［4］。

CO2干法加砂壓裂能夠較大幅度的提高強(qiáng)水敏／水鎖傷害儲層的壓后產(chǎn)量，主要體現(xiàn)在：①壓裂液具有極低的界面張力，受熱汽化后能夠從儲層中完全、迅速返出；②壓裂液無殘渣，對支撐裂縫導(dǎo)流床具有較好的清潔作用，保持了較高裂縫導(dǎo)流能力和較長的有效裂縫長度；③CO2在地層原油中具有較高的溶解度，能夠降低地層原油黏度［5］，改善原油流動性；④超臨界CO2具有極低的界面張力，理論上，對非常規(guī)天然氣儲層中吸附氣的解析具有促進(jìn)作用。

2 CO2干法壓裂液體系

CO2黏度較低，液態(tài)下黏度約為0.1mPa·s，氣態(tài)和超臨界狀態(tài)下黏度約為0.02mPa·s。較低的黏度導(dǎo)致壓裂液濾失量大，攜砂和造縫能力差，需通過提高黏度改善體系性能。提高CO2黏度的方法是添加與CO2相溶的化學(xué)劑［6－7］。液態(tài)CO2為非極性分子，是一個非常穩(wěn)定的溶劑，具有極低的介電常數(shù)、黏度和表面張力［8］，常規(guī)增稠劑無法與CO2混溶提黏，需要開發(fā)特殊結(jié)構(gòu)的提黏劑產(chǎn)品。

采用分子模擬技術(shù)［9］，從微觀、介觀和宏觀三個層次研究了CO2黏度隨溫度、壓強(qiáng)變化的基本規(guī)律，探索化學(xué)劑的種類、濃度影響CO2黏度的微觀機(jī)理，并進(jìn)行提黏劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)了一種CO2提黏劑TNJ，建立了CO2干法壓裂液體系，配方為：1.5%～2.0%TNJ＋（98.5%～98.0%）液態(tài)CO2。

2.1 黏度

在溫度62～63℃、壓力15～20MPa實(shí)驗(yàn)條件下，1.5%TNJ＋98.5%CO2壓裂液黏度為5～9mPa·s；2%TNJ＋98%CO2壓裂液黏度為6～10mPa·s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1.5%～2.0%提黏劑加量下，超臨界CO2黏度提高了240～490倍，較大幅度地提高了CO2的黏度（圖1、2）。

圖1 CO2壓裂液黏度—提黏劑TNJ加量關(guān)系圖

圖2 CO2壓裂液（2%TNJ＋98%CO2）黏度—時間關(guān)系圖

2.2 管路摩阻損失

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的測試結(jié)果，近似計算了CO2干法壓裂液在 88.9mm油管（內(nèi)徑76.0mm）內(nèi)的管路摩阻損失，不同排量下的摩阻損失系數(shù)見表1。

2.3 濾失性

在天然氣儲層中，由于CO2干法壓裂液無殘渣，且黏度遠(yuǎn)高于天然氣，壓裂液的濾失主要受壓裂液黏度和地層流體的壓縮性控制。由于當(dāng)前尚無CO2干法壓裂液濾失性測定的實(shí)驗(yàn)裝置，使用理論公式計算了對于滲透率為0.4～1.2mD，孔隙度為14.0%，地層溫度為104.6℃的天然氣儲層，在壓差為5～14 MPa下的濾失系數(shù)的數(shù)量級為10－3～10－2m／min0.5。

表1 88.9mm油管中CO2干法壓裂液的管路摩阻損失表

2.4 巖心基質(zhì)滲透率損害率

目前尚無CO2干法壓裂液對巖心基質(zhì)滲透率損害率測定裝置，僅對CO2提黏劑TNJ的巖心基質(zhì)滲透率損害率進(jìn)行了評價。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2提黏劑TNJ對巖心滲透率平均損害率2.75%，損害較?。ū?）。

表2 CO2提黏劑TNJ的巖心基質(zhì)滲透率損害率數(shù)據(jù)表

3 CO2密閉混砂裝置

壓裂作業(yè)中普遍使用的壓裂泵能夠泵輸液態(tài)CO2，若CO2氣化將導(dǎo)致壓裂泵走空、失效。因此，在施工過程中，需確保地面泵注系統(tǒng)內(nèi)的CO2以液態(tài)形式存在。

CO2相態(tài)受溫度、壓力影響敏感，常規(guī)水力壓裂作業(yè)所使用的混砂裝置無法滿足CO2干法加砂壓裂作業(yè)需要。為此，自主研制了一套CO2密閉混砂裝置，該裝置具有保溫、承壓、輸砂控制、流量計量和砂濃度監(jiān)測等功能。

3.1 密閉混砂裝置組成

密閉混砂裝置主要由混砂罐總成、動力系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)和管匯系統(tǒng)組成。

混砂罐總成用于存放壓裂施工使用的支撐劑，具有保溫功能，利用罐內(nèi)的輸砂螺旋將支撐劑輸送到壓裂管線中。

動力系統(tǒng)為安裝在輸砂螺旋上的液壓馬達(dá)提供動力，具備低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特性，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。

采用手動、自動一體式遠(yuǎn)距離集中控制設(shè)計，能夠監(jiān)測混砂裝置的罐內(nèi)壓力，供液流量和支撐劑濃度等數(shù)據(jù)。能夠?qū)ρb置的閥門，輸砂螺旋的轉(zhuǎn)速進(jìn)行遠(yuǎn)程精確調(diào)節(jié)。

管匯系統(tǒng)包含氣相管匯、液相管匯、液位控制管匯、液相增壓管匯、進(jìn)排氣管匯等，用于配合控制系統(tǒng)完成支撐劑充裝、冷卻、返排等工藝過程。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)為：工作壓力2.5MPa；工作溫度－20℃；容積10m3；最大輸砂速率0.5m3／min。

4 CO2干法加砂壓裂工藝

CO2干法加砂壓裂工藝需要統(tǒng)籌考慮儲層特征、壓裂液性質(zhì)、井筒管柱、壓裂設(shè)備和壓后投產(chǎn)等多方面因素，以保證增產(chǎn)效果和施工安全。

4.1 壓裂模型

優(yōu)選了具有CO2壓裂液描述模塊的全三維壓裂軟件作為CO2干法加砂壓裂設(shè)計的模擬器，該模擬器能夠進(jìn)行可壓縮性壓裂液的壓裂設(shè)計和分析。

4.2 壓裂參數(shù)設(shè)計

注入排量大小對于CO2干法加砂壓裂的成功實(shí)施十分重要，通過提高注入排量能夠改善CO2壓裂液的攜砂能力和造縫能力，提高CO2壓裂液效率［10］。

CO2干法壓裂液具有較高的支撐裂縫導(dǎo)流能力保留系數(shù)，在較低施工砂比時即可達(dá)到常規(guī)水力壓裂高砂比的導(dǎo)流能力。一般將CO2干法加砂壓裂的平均砂比控制在10%以內(nèi)。

CO2干法加砂壓裂需要較高的前置液比例，用于降低儲層裂縫內(nèi)溫度，改善造縫性，保障加砂作業(yè)安全。

4.3 壓裂管柱設(shè)計

CO2壓裂液具有較高的管路摩阻損失［11］，一般來說 73.02mm油管難以滿足大排量施工需要，普遍采用 88.9mm油管作為壓裂管柱。

由于CO2的低溫特性和較強(qiáng)的穿透性，為保證套管安全，需在油管下端加裝封隔器［12］，優(yōu)選壓縮式封隔器。

4.4 壓裂設(shè)備配套及地面管匯設(shè)計

CO2干法加砂壓裂施工的地面設(shè)備流程如圖3所示。

連接CO2儲罐與壓裂泵上水室的管線為高壓軟管線，壓裂施工過程中管線內(nèi)的壓力在2.0～2.5 MPa。

圖3 CO2干法加砂壓裂施工壓裂設(shè)備連接流程圖

壓裂泵的供液需通過CO2循環(huán)增壓泵來實(shí)現(xiàn)，CO2循環(huán)增壓泵連接壓裂泵與CO2儲罐，向壓裂泵提供足量的液態(tài)CO2供給。

在地面返排流程中應(yīng)配套除砂器，用于除掉壓后返排過程中帶出的支撐劑，保護(hù)地面返排流程安全。在除砂器后安裝針閥，用于控制CO2的排放速度。

4.5 壓裂施工步驟

第一步，使用氮?dú)獗密噷Φ孛娣蹬殴芫€和壓裂高壓硬管線試壓。

第二步，使用CO2儲罐氣相對高壓軟管線試壓。

第三步，冷卻地面管線及壓裂設(shè)備。

第四步，按泵注程序表進(jìn)行壓裂施工。

第五步，關(guān)井。

第六步，拆卸壓裂管線及設(shè)備。

4.6 壓后返排控制

CO2加砂壓裂作業(yè)結(jié)束后，可關(guān)井至井筒溫度恢復(fù)后再開井返排［12］。返排過程中嚴(yán)格控制返排速度，防止裂縫出砂。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

2013年8月12日在蘇里格氣田蘇東XX－22井山1層進(jìn)行了國內(nèi)第1口CO2干法加砂壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)。蘇東XX－22井山1段為砂巖儲層，儲層有效厚度8.8 m，電測解釋基質(zhì)滲透率0.4～1.2mD，地層壓力系數(shù)0.86，屬于低壓、低滲透、強(qiáng)水鎖傷害儲層。

壓裂施工排量2.0～4.0m3／min，加砂量2.8m3，平均砂比3.5%（表3）。壓裂施工過程順利，CO2密閉混砂裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，壓裂施工參數(shù)及施工曲線如圖4所示。

壓裂施工結(jié)果表明，CO2干法加砂壓裂形成了有效裂縫，裂縫寬度能夠滿足支撐劑的加入需要。蘇東XX－22井壓裂瞬時停泵壓力22.0MPa，折算井底壓力52.7MPa，遠(yuǎn)高于地層閉合壓力（40MPa），具備了裂縫開啟條件。在2.0～4.0m3／min的CO2注入排量（1.5%～2.0%的CO2提黏劑加量）下所形成的動態(tài)裂縫能夠滿足70kg／m3支撐劑的加入需要。

表3 蘇東XX－22井壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計表

圖4 蘇東XX－22井山1段壓裂施工曲線圖

蘇東XX－22井壓后關(guān)井24h后放噴返排，第2天點(diǎn)火可燃，壓后3d其CO2氣體排放完畢，實(shí)現(xiàn)完全自主返排。最高關(guān)井壓力16.4MPa，一點(diǎn)法測試無阻流量3.0×104m3／d。

試驗(yàn)井的2口胍膠壓裂鄰井蘇東XX－20井和蘇東XX－21井壓后排液不通，井口壓力低（蘇東XX－20井關(guān)井壓力為0，蘇東XX－21井關(guān)井壓力3.5MPa），試氣認(rèn)為2口井無產(chǎn)能。相比常規(guī)胍膠壓裂，CO2干法加砂壓裂技術(shù)增產(chǎn)效果明顯（表4）。

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，CO2提黏劑達(dá)到了改善CO2性能的預(yù)期目的；CO2密閉混砂裝置工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)錄取連續(xù)，性能可靠；工藝流程和設(shè)計結(jié)果與實(shí)際情況相符，較好地指導(dǎo)了現(xiàn)場作業(yè)；對于蘇東XX－22井山1段，CO2干法加砂壓裂相比水力壓裂鄰井具有更好的增產(chǎn)效果。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1）CO2干法加砂壓裂工藝是可行的，對低壓、低滲、強(qiáng)水鎖傷害儲層具有較好針對性［13－14］，表現(xiàn)出了良好的增產(chǎn)效果。

2）CO2提黏技術(shù)使超臨界CO2黏度提高了240～490倍，改善了CO2壓裂液的攜砂性和造縫性，是實(shí)現(xiàn)CO2干法加砂壓裂的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

表4 蘇東XX－22井及其鄰井物性參數(shù)、產(chǎn)能對比表

3）CO2密閉混砂裝置的研制實(shí)現(xiàn)了對CO2干法加砂壓裂關(guān)鍵裝置的配套，能夠滿足CO2干法加砂壓裂作業(yè)的施工需要。

4）CO2干法加砂壓裂實(shí)現(xiàn)了完全自主返排。

5）CO2干法加砂壓裂利用CO2代替水基壓裂液，能夠大量節(jié)約壓裂作業(yè)的耗水量，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

6）提高加砂量，降低施工成本是CO2干法加砂壓裂技術(shù)的下步發(fā)展方向。

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