劉安

(中石油渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北 任丘 062552)

0 引言

二氧化碳干法壓裂技術(shù)的目的是為了使地底的石油被效率更高的開采，使用濃度百分百的液態(tài)二氧化碳作為壓裂液，使用高壓泵車把壓裂液倒入地底，將地底儲(chǔ)存石油的地層壓開，向裂縫中注入支撐劑避免裂縫閉合，使位于地底石油與地面之間的裂縫具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，提高石油的開采效率。使用液態(tài)二氧化碳作為壓裂液的壓裂方法與一般的壓裂方法不同。二氧化碳干法壓裂在工程開始前將支撐劑的壓力和溫度調(diào)節(jié)到二氧化碳儲(chǔ)存罐的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，啟動(dòng)技術(shù)專用密閉混砂設(shè)施將達(dá)到指標(biāo)的支撐劑與液態(tài)二氧化碳相互結(jié)合，把結(jié)合的液體通過高壓泵車進(jìn)入井筒進(jìn)行壓裂。一般先是將攜砂混合入支撐劑中進(jìn)行壓裂，二氧化碳干法壓裂技術(shù)下使用的完全液體形態(tài)二氧化碳壓裂液，在存儲(chǔ)注入的過程中必須對溫度進(jìn)行嚴(yán)格的管控，所以其施工的步驟又與一般的方式具有差異。具體流程如下：

(1)銜接壓裂管線；(2)在混砂設(shè)備里放入二氧化碳的增稠劑和支撐劑；(3)壓裂液的輸送管道在使用前必須經(jīng)過試壓操作，硬管線和返排管線由氮?dú)獗密囘M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，高壓軟管線由液態(tài)二氧化碳的儲(chǔ)存罐氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；(4)降低地表管線和壓裂設(shè)備的溫度；(5)注入：將二氧化碳注入壓裂設(shè)備使其壓力增大，注入地下以便壓裂位于儲(chǔ)層上方的地層，在技術(shù)專用的混砂設(shè)施中將二氧化碳的增稠劑與支撐劑相互結(jié)合，注入地下后使裂縫穩(wěn)定并提高液態(tài)二氧化碳的摩擦力和粘性，以此來提高攜砂功能，注入壓裂砂再注入液態(tài)二氧化碳，在將支撐劑全部倒入裂縫后停工悶井2h；(6)放噴：把井開啟使液體噴出，科學(xué)管控放噴的速度，監(jiān)察記錄井口二氧化碳濃度。

1 二氧化碳干法壓裂技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

在1950 至2000年間液態(tài)二氧化碳在天然氣和石油等項(xiàng)目被廣為使用，1985年有關(guān)學(xué)對其相關(guān)數(shù)值進(jìn)行研究，1987年加拿大將干法壓裂應(yīng)用于三十多種地層中，在這四百余次中氣井占比95%以上，另外的則是油井，這表明干法壓裂的發(fā)展和應(yīng)用已趨近成熟。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到二十一世紀(jì)初期，由加拿大和美國帶領(lǐng)北美地區(qū)進(jìn)行千余次干法加砂的使用，產(chǎn)量提高最明顯的則是頁巖氣儲(chǔ)層。但使用液態(tài)二氧化碳做壓裂液是有很大劣勢的，由于二氧化碳處于液體形態(tài)時(shí)粘稠度數(shù)值為0.09MPa·s，氣體形態(tài)時(shí)此數(shù)值為0.03MPa·s，這樣比水還低的粘度會(huì)引致壓裂液濾失量增大，使其攜帶砂子和開鑿縫隙的能力下降，對壓裂工程范圍的擴(kuò)張?jiān)斐珊艽笳系K，要想成功將液態(tài)二氧化碳作為壓裂液就必須增加二氧化碳的粘性，使其攜帶砂子和開鑿裂縫的能力增強(qiáng)。增強(qiáng)二氧化碳粘度的方式即注入與二氧化碳相溶的化學(xué)試劑。液態(tài)二氧化碳是非極分子，作為制冷劑穩(wěn)定性較好，粘度和表層的張力、介電常數(shù)都不高，如果采用傳統(tǒng)的增稠劑是無法使其與液體形態(tài)二氧化碳相混溶的。

2 二氧化碳干法壓裂使產(chǎn)量增加的機(jī)制

2.1 壓后增能用意

二氧化碳本身具有壓縮特性，可用來存儲(chǔ)能量，在進(jìn)入儲(chǔ)層并接觸原油之后，可形成導(dǎo)電性裂縫，對其加熱可迅速發(fā)生氣化轉(zhuǎn)變，而后在原油中溶解產(chǎn)生氣驅(qū)力，相應(yīng)提液能力會(huì)隨之提升。

2.2 溶解降黏作用

當(dāng)液態(tài)二氧化碳在儲(chǔ)層與石油相接觸，發(fā)生的升溫現(xiàn)象會(huì)使石油的粘度降低。

2.3 替換作用

當(dāng)液態(tài)二氧化碳與石油接觸時(shí)，因?yàn)槎趸紝淄榫哂形淖饔?，甲烷從石油中被剝離，使其與石油的聯(lián)系不再緊密，開采表得更加容易。

2.4 溶蝕作用

在壓裂液作用于地層的時(shí)候與地表水相接觸，使水充滿二氧化碳并在pH 值大于3.5 時(shí)與黏土礦物結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，使排液的速度加快，攜砂性加強(qiáng)，增強(qiáng)裂縫的引流力量。

3 二氧化碳干法壓裂技藝的優(yōu)勢

二氧化碳干法壓裂使用的壓裂液為完全液體形態(tài)的二氧化碳。一般來講，二氧化碳在31.04℃時(shí)會(huì)發(fā)生液化，從氣體形態(tài)向液體形態(tài)轉(zhuǎn)變，此時(shí)壓力臨界值為7.38MPa。此外，液體形態(tài)的二氧化碳其密度和水相近，加壓后粘稠度會(huì)降低許多。在具體施工過程中會(huì)向氣體形態(tài)轉(zhuǎn)變，并排出地層可減少對地層的傷害。因此，液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù)有著無害特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的水基壓裂技術(shù)優(yōu)點(diǎn)頗多。

3.1 無水相無殘留

完全液體形態(tài)下的二氧化碳壓裂液，本身就具有非極性分子特點(diǎn)，能更好與原油相溶合，可有效稀釋原油減小粘稠度。除此以外還具有酸性氣體特點(diǎn)，當(dāng)溶解在水中時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成可對土壤膨脹直到抑制作用的碳酸，比起傳統(tǒng)的壓裂液，對地層帶來的傷害較小。

3.2 返排迅速徹底

地層溫度如果超過31.04℃，那么液體形態(tài)的二氧化碳就易氣化轉(zhuǎn)化成氣體形態(tài)，為地層輸送更多能量，這樣一來無需借助地層的壓力，只需花2 到3 天的時(shí)間就可快速完成返排，可有效縮減生產(chǎn)所用的時(shí)長。

3.3 容易形成網(wǎng)縫

液體形態(tài)的二氧化碳在黏稠度上相對較低，與凝膠形態(tài)的壓裂液相比，更易滲入到微裂縫中，有利于形成更多的網(wǎng)狀裂縫。與此同時(shí)，壓裂后基質(zhì)滲透率的恢復(fù)值和電導(dǎo)率都較高，不僅如此，裂縫的端面、儲(chǔ)層的基質(zhì)和人工造縫的滲透率也相當(dāng)高。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

采用二氧化碳干法壓裂技術(shù)時(shí)，困返排的時(shí)長較短，返排設(shè)備的使用成本較低，壓裂后不需要對返排液進(jìn)行泵送和相關(guān)處理，因此所需操作成本相對較低，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益較好。這與二氧化碳的催化特性有關(guān)，無需添加更多的化學(xué)劑。因此，壓裂的過程不至于出現(xiàn)大量壓裂廢液，這樣既可避免環(huán)境受到污染，又節(jié)有效降低成本。從這方面來講，二氧化碳干法壓裂技術(shù)具有高產(chǎn)、穩(wěn)長和帶來經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。

4 二氧化碳干法壓裂技巧的缺點(diǎn)

4.1 黏度低

二氧化碳干法壓裂的液體粘度較低，這是其不足之處。與傳統(tǒng)的壓裂液相比，液體形態(tài)的二氧化碳其壓裂液所攜帶的砂含量較少，砂粒體積較小。當(dāng)井的深度大于2000m，那么液體形態(tài)下的二氧化碳干法壓裂所需的目砂為40/60，如若使用的是傳統(tǒng)的壓裂液，那么所需的目砂只為20/40。因其粘度較低，存在大量的漏液情況，以致處理的過程過于依賴流量，壓裂造縫易受其影響，而這也是施工成敗的關(guān)鍵所在。

4.2 摩擦阻力

管柱中的二氧化碳多為液體形態(tài)，其流動(dòng)摩擦阻力較大，是牛頓流體中的一種。當(dāng)前，國內(nèi)外有關(guān)液體形態(tài)二氧化碳在減阻劑使用方面的研究成果不多，傳統(tǒng)的聚合物水溶液減阻劑對其并不適用，因此有必要開發(fā)出對液體二氧化碳適用且高效的減阻劑，以減小其在管柱中的流動(dòng)阻力。

4.3 加砂范圍受限

施工過程中的二氧化碳需保持其液體的形態(tài)，方能與支撐劑間更好的混合，這只能在高壓環(huán)境下方可實(shí)現(xiàn)。因此，不宜選用傳統(tǒng)的砂攪拌機(jī)，而應(yīng)選用適用于二氧化碳的專門密封式砂攪拌機(jī)。除此以外，加砂的規(guī)模一般受限于閉封式混砂機(jī)的類型，不適用于致密氣井、頁巖氣井等大型的壓裂作業(yè)。

5 結(jié)語

二氧化碳壓裂液可以使壓裂施工水和地層觸及頻率下降，減輕壓縮水鎖與水敏給地層造成的損害，也就是說，它在壓裂改造過程中具有技術(shù)優(yōu)勢，可應(yīng)用的空間更廣闊，的發(fā)展的前景更好。在對二氧化碳干法壓裂技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)分析后，完善相關(guān)體系同時(shí)結(jié)合各地區(qū)地質(zhì)特征進(jìn)行可行性試驗(yàn)，進(jìn)一步評價(jià)了二氧化碳干法壓裂的性能，持續(xù)完善配套設(shè)施，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面獲得更大成效。