張軍濤，孫 曉，吳金橋

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西西安 710075)

延長石油的頁巖氣藏黏土礦物含量高、孔隙度低，滲透率低、壓力低，常用頁巖氣壓裂改造技術(shù)適應(yīng)性差。CO2干法壓裂是一種以純液態(tài)CO2作為攜砂液進(jìn)行壓裂施工的工藝技術(shù)，可消除儲層水敏和水鎖傷害，增加儲層壓力，提高壓裂改造效果，有利于頁巖氣、致密氣和煤層氣吸附天然氣的解吸，在低滲、低壓、水敏性儲層開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而國內(nèi)外實踐經(jīng)驗表明，液態(tài)CO2壓裂存在的最大問題是自身黏度低(約為0.1 mPa·s)，攜砂能力差，導(dǎo)致需要較大的泵注排量，造成井筒摩阻高、施工壓力高，施工難度和成本增加；而且由于液態(tài)CO2壓裂施工時溫度極低，低溫導(dǎo)致現(xiàn)有壓裂液體系中的提高壓裂液黏度的物質(zhì)應(yīng)用于液態(tài)CO2壓裂時基本起不到增黏效果，因此，一般液態(tài)CO2壓裂時要使用專用增黏劑，但專用增黏劑存在價格高和傷害儲層等問題。

1 頁巖氣藏壓裂地質(zhì)特征和現(xiàn)狀

延長東部云巖區(qū)海陸過渡相頁巖儲層發(fā)育，埋深2 400～2 800 m，巖性主要為深灰色、灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖，夾淺灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖，局部發(fā)育鋁土質(zhì)泥巖及薄煤層。巖屑組分主要以變質(zhì)巖巖屑為主，其次為云母和火成巖巖屑。泥頁巖脆性礦物含量較低，黏土礦物含量高，石英+長石平均含量為14.2%，黏土礦物含量平均為69.4%，碳酸鹽巖及其他礦物含量為16.4%；泥頁巖中黏土礦物以伊利石(26.6%)和高嶺石(48%)為主，壓力系數(shù)為0.7～0.9[1]。

從頁巖地質(zhì)特征看，頁巖氣層孔隙度低，滲透率極低，無自然產(chǎn)能，壓裂改造是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)的主要增產(chǎn)措施。在壓裂工藝選擇上，首先根據(jù)該區(qū)頁巖的礦物組成，由巖石脆性指數(shù)公式[2]計算可知，該區(qū)頁巖的脆性指數(shù)在40%～50%，優(yōu)選出了滑溜水或滑溜水/線性膠的低黏壓裂液體系；其次結(jié)合美國頁巖氣的增產(chǎn)改造經(jīng)驗[3]，應(yīng)用了大排量(8～12 m3/min)、大液量(1 000～2 000 m3/級)、大砂量(40～80 m3/級)的體積壓裂工藝，在8口直井、2口水平井中開展增產(chǎn)實踐，壓裂成功并均獲得頁巖氣流。

由于本區(qū)頁巖氣藏地層壓力低(壓力系數(shù)0.7～0.9)，頁巖孔隙喉道小，排驅(qū)壓力高(大于8.5 MPa)，壓裂液返排慢、返排率低(一般在40%～60%)、排液周期長(一般在40～50 d)。因此，需要優(yōu)化壓裂工藝，增加地層能量，提高壓裂液的返排速度和返排率。

2 CO2干法壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

采用CO2作為攜砂液的干法壓裂技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代由北美最先提出并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，迄今為止已完成3 000井次的壓裂施工，從現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果上看，采用CO2干法壓裂能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)能增加3～5倍，增產(chǎn)效率在50%以上[4-6]。國內(nèi)初期主要受制于沒有配套的CO2密閉加砂設(shè)備，技術(shù)體系主要處于探索階段。長慶油田在2005年7月底用CO2干法壓裂新技術(shù)在榆32-16井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗，并取得了成功，從壓裂施工到測試結(jié)束僅用了14 d，只有常規(guī)水力壓裂生產(chǎn)周期的1/3，創(chuàng)造了新的施工紀(jì)錄。通過自主研發(fā)，川慶工程院以及山東杰瑞相繼開發(fā)出CO2密閉加砂設(shè)備，2010年，川慶工程院開展了1例液態(tài)CO2加砂壓裂試驗，壓后排液僅用60 h，獲得2×104m3/d的無阻流量[7-10]。2012年，延長石油集團(tuán)在頁巖氣井進(jìn)行CO2干法壓裂初步嘗試，并見到了較好的效果。2014年，吉林油田開展了1井次，2015—2016年川慶工程院開展了6井次，均取得了產(chǎn)量突破，并大幅度提高了液體返排率。CO2干法壓裂展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[11]。

3 CO2干法壓裂新技術(shù)

由于液態(tài)CO2懸砂能力差，導(dǎo)致施工加砂成功率低，常用的支撐劑陶粒的視密度為2.6～2.9 g/cm3，體積密度為1.5～1.7 g/cm3。新型自懸浮超低密度支撐劑的視密度為0.95～1.05 g/cm3，體積密度為0.63 g/cm3，可直接在清水中懸浮，而液態(tài)CO2的密度為1.0 g/cm3左右，與清水相近，因此，采用新型自懸浮超低密度支撐劑替代陶粒，可實現(xiàn)支撐劑在純液態(tài)CO2中的懸浮。本文的研究將新型自懸浮超低密度支撐劑與液態(tài)CO2相結(jié)合，開發(fā)了“液態(tài)CO2+自懸浮超低密度支撐劑”壓裂工藝新技術(shù)，不使用增黏劑，避免了增黏劑對儲層的傷害和返排時對環(huán)境的污染，進(jìn)一步降低了壓裂液對儲層的傷害，解決了CO2干法壓裂懸砂能力差這一難題，實現(xiàn)了真正意義上的純液態(tài)CO2壓裂。

3.1 自懸浮超低密度支撐劑性能評價

自懸浮超低密度支撐劑是一種納米材料增強的聚合物小球，其圓度和球度可達(dá)到0.9，強度高，不易破碎。與常規(guī)支撐劑相比，該支撐劑具有以下優(yōu)勢：①在裂縫中單層分布，鋪砂濃度低，能夠使裂縫保持長期良好的導(dǎo)流能力；②材料輕，其密度接近攜砂液滑溜水的密度，不但減小了對地層的傷害，而且可以有效地避免支撐劑在裂縫中的沉降；③不會產(chǎn)生破碎、凹陷和碎屑，即使在變形狀態(tài)下，它也可以保持油藏巖石裂縫張開；④因具有優(yōu)異的光滑度和圓球度(圖1)，使其運移到位后易鎖定在目標(biāo)位置上。

3.1.1 自懸浮超低密度支撐劑與石英砂及陶粒支撐劑的常規(guī)性能對比

根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》，將20/40目自懸浮支撐劑與20/40目石英砂及陶粒支撐劑的常規(guī)物性進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 自懸浮支撐劑與石英砂及陶粒支撐劑的常規(guī)物性對比Table 1 Physical properties comparison of flow-levitation proppant and quartz sand and ceramsite

圖1 支撐劑圓度、球度顯微照片(放大100倍)Fig.1 Sphericity micrograph of proppant (100 times)

由表1可知，自懸浮支撐劑的密度及破碎率均明顯優(yōu)于石英砂和陶粒支撐劑，能夠滿足CO2干法壓裂的需求。

3.1.2 自懸浮超低密度支撐劑耐低、高溫性能檢測

CO2干法壓裂時地面溫度低至-17 ℃，進(jìn)入氣層后溫度高達(dá)100 ℃。自懸浮超低密度支撐劑是由聚合物制成，聚合物的耐溫性能與陶粒和石英砂不同，為了防止支撐劑遇到液態(tài)CO2或進(jìn)入地層后破碎率等特性發(fā)生變化，需要在低溫和高溫兩種條件下對自懸浮超低密度支撐劑的破碎率等基本性能進(jìn)行評價。

表2 自懸浮支撐劑耐溫性能檢測結(jié)果Table 2 Temperature resistance properties of flow-levitation proppant

3.2 CO2干法壓裂新技術(shù)施工步驟

CO2干法壓裂新技術(shù)主要是通過以下3個施工程序?qū)崿F(xiàn)的：①前置降濾失劑處理；②CO2干法壓裂施工；③壓后控制放噴返排(圖2)。

主要壓裂施工參數(shù)如下：①施工排量：1.0～5.0 m3/min；②前置降濾失劑比例：10%～50%；③支撐劑類型：超低密度支撐劑，主要使用40/70目和20/40目支撐劑；④加砂濃度：50～200 kg/m3。

CO2干法壓裂新技術(shù)具體施工步驟如下：①預(yù)先前置降濾失劑處理，排量低于液態(tài)CO2壓裂施工排量；②液態(tài)CO2壓裂施工：重新起泵后，以較高排量泵注液態(tài)CO2，破裂地層，延伸裂縫，然后打開密閉混砂設(shè)備，以一定比例混入支撐劑，支撐劑加完后，進(jìn)行頂替，直到支撐劑剛好完全進(jìn)入地層，停泵；③壓后關(guān)井：壓裂施工結(jié)束后，關(guān)井2～4 h，控制放噴。

圖2 CO2干法壓裂流程示意Fig.2 Schematic diagram of CO2 dry fracturing progress

4 現(xiàn)場應(yīng)用

云頁X井，目的層段2 594.30～2 657.80 m，為黑色含氣頁巖夾灰白色含氣細(xì)砂巖長7段黑色頁巖，錄井氣測顯示明顯，射孔后無產(chǎn)能。該井采用液態(tài)CO2加砂壓裂，壓裂管柱為P110鋼級的5.5英寸套管。

在CO2干法壓裂前先行以1.0～4.0 m3/min排量注入40 m3降濾失劑，以降低液態(tài)CO2在頁巖儲層中的濾失。以4.0 m3/min排量注入100 m3純液態(tài)CO2造縫并延伸裂縫，然后以4.0 m3/min排量注入150 m3攜砂液，加入10 m3自懸浮超低密度支撐劑(視密度為0.95～1.05 g/cm3)，施工壓力平穩(wěn)，最高砂比達(dá)到了10%，用純液態(tài)CO2頂替30 m3后停泵(圖3)。關(guān)井12 h，采用3 mm油嘴放噴6 h，換8 mm油嘴放噴2 h，然后敞放12 h后即點火可燃，火焰高度2～4 m。

圖3 云頁X井CO2干法加砂壓裂施工曲線Fig.3 CO2 dry fracturing construction curves of well Yunye X

圖4 云頁X井CO2干法加砂壓裂施工現(xiàn)場Fig.4 CO2 dry fracturing construction site of well Yunye X

該技術(shù)在云頁X井實現(xiàn)了CO2干法壓裂技術(shù)在頁巖氣井的成功應(yīng)用，并取得了較好的效果。液態(tài)CO2無增黏攜砂的方法開辟了CO2干法加砂壓裂的新思路，可在同類氣藏進(jìn)行推廣應(yīng)用，在環(huán)保要求越來越高的情況下具有廣闊的應(yīng)用前景(圖4)。

5 結(jié)論

(1)延長頁巖氣藏地層壓力低(壓力系數(shù)0.7～0.9)、儲層易傷害，采用CO2干法壓裂新技術(shù)可以實現(xiàn)壓后快速返排，避免水基壓裂液對儲層造成的傷害，為頁巖氣的儲層改造開辟了新的思路。

(2)自懸浮超低密度支撐劑的視密度為0.95～1.05 g/cm3，在純液態(tài)CO2中就可以實現(xiàn)自懸浮，各項性能指標(biāo)可以滿足CO2干法壓裂的需求，在CO2干法壓裂時不使用液態(tài)CO2增黏劑等添加劑就可以實現(xiàn)攜砂，進(jìn)一步降低了儲層的傷害。

(3)“液態(tài)CO2+自懸浮超低密度支撐劑”壓裂工藝新技術(shù)在現(xiàn)場成功應(yīng)用，在液態(tài)CO2不增黏的情況下最高砂比達(dá)到了10%，提高了CO2干法加砂壓裂的技術(shù)水平。

(4)雖然本文的純液態(tài)CO2加砂壓裂新技術(shù)現(xiàn)場試驗取得了成功，但由于密閉混砂裝備體積小，無法開展大砂量純液態(tài)CO2加砂試驗，導(dǎo)致儲層改造程度受限，后期還需要開展大砂量純液態(tài)CO2加砂試驗。