超临界CO2压裂在页岩气开采中的技术研究

陈艳秋　张洪恩　马云朋　涂广玉　成梦可

摘 要：随着人们对资源的需求，非常规油气藏——页岩气藏成为未来能源发展的趋势，在开采过程中，研究人员发现，由于超临界CO2具有扩散性、低黏性及溶解性，因此超临界CO2能迅速渗透到微孔多孔材料中，从而连通微裂隙网络，渗透到微孔多孔材料中提高油气采收量，在页岩气开采方面具有很大应用潜力。从展望的角度，以超临界CO2的特性为基础，对超临界二氧化碳的研究历程进行调研，阐述超临界二氧化碳压裂工艺及其增产原理，对超临界CO2压裂室内实验进行分析、总结，描述CO2状态变化流程，指出超临界CO2置换机理，为超临界CO2压裂技术的研究与应用提供参考。

关 键 词：扩散性；低黏性；溶解性；油气采收量

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1399-03

Study on Supercritical CO2 Fracturing Technology

for Shale Gas Recovery

CHEN Yan-qiu 1， ZHANG Hong-en2， MA Yun-peng1， TU Guang-yu1， CHENG Meng-ke1

（1. Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China；

2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Storage & Transportation Factory， Liaoning Liaoyang 111000，China）

Abstract： Along with increasing of people's demand for resources， unconventional oil and gas reservoir—shale gas has become the trend of energy development in the future. In the shale gas recovery， the researchers found that the supercritical CO2 has solubility， diffusion and low viscosity， so the supercritical CO2 can quickly penetrate into pores of porous materials， which connects the micro fracture network to enhance oil recovery， so it has great application potential in shale gas exploitation. In this paper， the characteristics of supercritical CO2 were analyzed， the research progress of supercritical carbon dioxide fracturing technology was introduced， and its principle was discussed， the supercritical CO2 fracturing experiment was carried out in lab， the CO2 state change process was described， the supercritical CO2 replacement mechanism was pointed out， which could provide some reference for the study and application of supercritical CO2 fracturing technology.

Key words： Diffusion； Low viscosity； Solubility； Oil and gas recovery

目前水力壓裂技术是页岩气开采的有效手段，对于提高油气产量和可采储量方面具有很重要的意义，但由于常规压裂液含有大量的添加剂及增粘剂，容易在破胶过程中破胶不彻底，堵塞压裂孔缝，造成油气资源被堵在裂缝中无法采出，降低了压裂增产效果，同时增粘剂及添加剂残留在孔缝中，还会地下污染环境。于是研究人员考虑采用N2或CO2制取泡沫压裂液。在泡沫压裂液中，CO2绝大部分处于气体状态，但在实际的现场压裂工艺中，由于泵注压力和井筒或地层裂缝中的流体温度较高，已经超过了CO2的临界状态（7.382 MPa，31.16 ℃），故泡沫压裂液中的CO2已处于超临界流体状态，由此研究人员考虑尝试采用超临界CO2流体来代替普通压裂液来进行压裂施工，因此超临界CO2压裂液作为一种新型压裂液，超临界流体压裂技术随之而兴起。

由于超临界CO2流体，密度比气体大，接近于液体，粘度与气体接近，扩散系数大，因此具有很好的流动和传输性[16]，相比较而言，可以最大限度的撑开裂缝，并将裂缝中的油气资源吸附出来，来提高采收率，另外超临界CO2压裂液中无水相，不会使地层产生蠕变现象，返排时无残渣残留，可以保护储层，增大的储层渗透率，而且超临界CO2压裂液易返排，因此在未来低渗油藏和非常规油气开发方面具有大好前景。

1 超临界CO2压裂液发展史

在研究初期，研究人员尝试将CO2及N2惰性气体打入压裂液中制成泡沫压裂液来进行水力压裂，使用这种方法后，压裂液粘度大大提高，压裂液摩阻损失减小，携砂性能和悬砂性能好，能较好的撑开裂缝，压裂液穿透裂缝能力增强，油气资源的采收率大大提高，但经过长期实践之后，发现存在一系列问题，泡沫压裂液中含有大量的冻胶及酸液，压裂液返排时，压裂液中的气体膨胀能力强，易返排，但容易把化学物质残留在地层中，污染地层，而且压裂液中加入气体后，井筒中压裂液的温度和压力不易控制[19]，于是考虑是否可以把纯液态CO2作为压裂液进行压裂。研究表明液态CO2的密度与液态水相近，黏度较低，是水的0.1倍，符合压裂液基本性能要求，并且在压裂过程中，液态CO2是一种无水相压裂液，从井筒进入到地层中，在压裂施工完成后，升温、降压，CO2由液态变成气态，从地层排出，是一种对地层无伤害的压裂工艺[1-3，17]。

1993年，美国Amoco公司在圣胡安盆地白垩纪Fruitland煤层上注入CO2以提高煤层甲烷采收率，并与N2、N2与CO2混合物的驱替效果做比较，比较结果发现，注入CO2更能提高油气采收率。随后，国内外学者着重对如何利用CO2做压裂液来提高油藏及非常规油气采收率进行研究[3，18]。

2011年，王海柱等[18]利用页岩气藏储层特性及超临界CO2特性，提出使用超临界CO2来开采页岩气技术，该技术可以解决水力压裂中页岩气层内黏土膨胀及水锁效应等问题。研究表明CO2吸附能力大于甲烷，在吸附能力的作用下，CO2可将吸附在地层中的CH4置换成游离气d的CH4，提高非常规油气藏采收率，另一方面，又能将CO2进行埋存，缓解温室效应，保护环境，在技术和经济方面占很大优势，为未来页岩气开发提供了技术研究方向[4]。

2014年，Richard Middleton等采用超临界CO2流体作为压裂液，代替水力压裂液，进行实验，来考察其开采潜能和储层封存CO2效果。目前，关于CO2如何驱替裂缝中的页岩气方面的研究较少，有很多诸如储层压力、注入气体压力、气体注入与产出时间，以及储层的物理特征等不确定性因素，都有可能对驱替效果产生影响[6]。

2 超临界CO2压裂优点

超临界CO2流体除了具有超临界流体的性质外，还具有独特的物理化学性质。超临界CO2黏度低，扩散系数较大，表面张力为零。因此，在外力作用下能够深入地层中，撑开微小裂缝，并有效驱替微小孔隙和裂缝中的CH4[7]。研究表明，CO2对母岩的吸附强度是甲烷的3到5倍。因此，它能够充分的将吸附在矿物表面的CH4置换出来。

3 超临界CO2压裂工艺

超临界态CO2压裂工艺与CO2干法压裂工艺类似，都是使用纯CO2作为压裂介质。二者的区别主要在于，超临界态CO2压裂液初始温度较高，在从储罐得到井筒过程中，不断升温加压，使得液态CO2在井筒中就可以达到超临界态。若在此过程中，温度条件不满足，液态CO2在井筒内便无法达到临界温度（31.26 ℃），则应在地面就使用加热装置。在超临界CO2压裂初期，液态CO2以高温高压形式储存于罐车中，随后将CO2以这个状态导入密闭混砂车，与支撑剂均匀混合，形成带有支撑剂的压裂液，随后被导入高压泵进行加压，将液态CO2被泵入井底，在此过程中CO2温度和压力升高，转化为超临界态CO2；进入储集层裂缝后，CO2温度上升、压力下降，状态保持在超临界态；于是超临界CO2开始进行吸附CH4进行驱替；返排时，迅速降压，CO2以气态形式返排至地面。

虽然中国CO2泡沫压裂工艺已较为成熟，但是在天然气井高压注入CO2气体时，由于气体携砂困难，很难撑开地层裂缝，造缝困难。可以使用超临界CO2进行现场试验，具体实施时，最好选一口已经压裂过的二轮压裂井进行对比试验，现场试验的目的是驱替页岩气中20%～85%吸附气。在第一轮压裂后已建立了立体裂缝，可以沟通储层与井眼，但此时这些裂缝仅能排出地层中的绝大部分游离气，绝大部分吸附气仍然无法排出，所以在进行第二轮超临界CO2作业时，可以先加压使CO2超过其临界点，然后焖井一段时间，以达到驱替吸附气的目的。

之后的压裂工艺、装备与常规CO2压裂无异，分段压裂技术主要用于建立纵横交错的立体裂缝，达到沟通储层与井眼的目的，是超临界CO2压裂的最佳压裂手段[9]。

4 超临界CO2压裂难题

目前超临界CO2压裂技术并不成熟，超临界流体制备技术已经比较成熟，但是由于超临界CO2流体的黏度比水低很多，携砂能力比液态CO2差，为了解决这一难题，需要在超临界CO2压裂中加入增稠剂，来提高压裂液黏度，以提升压裂液携带支撑剂的能力以及悬砂效果，减缓支撑剂沉降速率，降低地层滤失量，增大裂缝波及体积，以提高采收率。但是目前国内CO2稠化研究进展缓慢[10-12]。

而且CO2作为超临界流体，在制备超临界CO2压裂液时，CO2氣体捕获、增压、运输产生的费用昂贵，由于压力过大，大量的运输液态CO2，运输不便的同时，还会带来安全隐患。施工过程中，由于CO2是在井筒中由液态转变为超临界态， 因此要对CO2相变过程进行精确的控制，可以通过研究CO2压裂液在井筒中的流变性来控制施工参数，但对于某些浅井，由于井深较浅，在井筒内无法实现CO2由液态向超临界态的转变，因此需要增加地面加热设备。超临界CO2流体穿透性强，对压裂施工设备的密封性与防穿刺能力要求较高，因此需要对压裂施工设备的材质进行改进。

此外，在返排过程中，超临界CO2会由超临界态转换为气态，此过程所需时间很短，且超临界CO2体积急剧膨胀，此过程压力过大，若井控装置无法达到压力要求，则易发生事故，因此在作业过程中要采用专门的井控装备。要严格控制施工过程中温度、压力，防止事故的发生。此外，现场施工还需要专门的设备进行回收或处理CO2温室气体，此举增加现场施工作业的成本[13-15]。

5 展望

超临界CO2压裂液作为一种新型压裂液，是目前新型压裂液研究的重点，在未来压裂施工中起着重要的作用。而超临界CO2压裂液在压裂过程中，对于温度和压力的变化可以通过分析超临界CO2压裂液在井筒中的流变性来控制，而在施工过程中超临界CO2压裂液在裂缝中的流变性，对研究缝内超临界CO2携砂运移规律、超临界CO2压裂过程中的造缝机理、支撑剂的最佳尺寸以及支撑剂由主裂缝进入缝网的条件有很大帮助，可为超临界CO2 压裂技术的研究与应用及实际施工作业提供参考。

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