二氧化碳干法压裂增产技术及展望

＊杨雪张凡杨欢

（1.长江大学工程技术学院石油与化工学院 湖北 434023 2.中石化江汉油田工程技术研究院 湖北 430034 3.中石化华北分公司工程技术研究院 河南 450006）

二氧化碳干法压裂增产技术及展望

＊杨雪1张凡2杨欢3

（1.长江大学工程技术学院石油与化工学院 湖北 434023 2.中石化江汉油田工程技术研究院 湖北 430034 3.中石化华北分公司工程技术研究院 河南 450006）

以CO2压裂技术为代表的无水压裂技术在国内外非常规油气资源的开发中应用越来越多。CO2压裂技术包括CO2泡沫压裂和CO2干法压裂，对非常规储层（特别是低压、低渗透、强水锁、水敏伤害严重）的改造增产意义重大。本文总结了CO2干法压裂技术的原理、施工工艺、压裂液体系、设备要求等，并分析了该技术目前存在的问题和发展趋势，同时对超临界CO2压裂技术的技术优势和发展前景进行了论述。

非常规油气;水敏性地层;CO2压裂; CO2干法压裂;油田增产

近年来，随着北美致密油的大规模成功开采，以致密油气为代表的非常规石油资源已经成为各国石油工业争相介入的热点领域。目前，北美是致密油资源开发最多和最成功的地区。2013年美国页岩气产量为3100亿立方米、致密油产量为1.4亿吨。近年来，我国的能源需求逐年增大，原油对外依存度达到了60%的历史新高，而国内老油田的自然递减给油气上产带来巨大压力，能源安全形势紧迫。据统计，目前我国每年新增储量的70%为低渗透等非常规能源，随着我国能源需求的急剧增加，非常规油气资源越来越受到重视。由于非常规油气资源的开发都是通过大规模水力压裂的方式，对水资源的用量大、污染大，环保压力大，以CO2干法压裂为代表的无水压裂工艺技术逐渐成为非常规油气开发的新方向。

1.国内外研究进展

20世纪60年代初期，石油与天然气工业就开始以CO2为压裂液方面的研究。80年代初期，Tenneco石油公司通过对 Anadarko 盆地 Red Fork 层进行增产改造成功实现了首例CO2泡沫压裂。

在美国犹他盆地的瓦塞兹（Wasatch）地层的压裂改造中，P.C.Harris等人采用了CO2泡沫压裂液（75%CO2）对比了采用0.5%的羟丙基瓜尔胶（HPG）压裂液进行的施工，从压后30个月的生产情况来看，泡沫压裂液改造的井的比常规水基交联压裂液的油井产量高23%。

纯液态CO2干法压裂技术于1981年起源于加拿大，其优势就是消除了压裂液对储层的伤害，仅加拿大已在1400多口油气井成功采用了干法压裂，增产效果明显，都在50﹪以上。

在国内，四川石油管理局最早在1985年就开始泡沫酸液的基础研究；1988年，辽河油田与加拿大合作进行了国内第一口氮气泡沫压裂井的施工，并获得成功。吉林油田由于有丰富的二氧化碳资源，于1997年引进了美国SS公司的CO2泡沫压裂设备，在其油田进行CO2吞吐和增能压裂工艺技术研究，其技术水平一直处于全国的前列。

由于试验设备、装备和工艺技术的原因，国内CO2干法压裂技术的研究和现场试验起步较晚。2011年中石油川庆钻探工程技术研究院在苏里格气田成功实施了国内第一口CO2干法压裂现场试验；2013年8月国内第一口CO2干法加砂压裂在苏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CO2干法压裂试验，取得了圆满成功。作

2.CO2压裂增产机理及特点

(1)CO2基本性质

常温常压下，CO2是一种无色无味的气体，分子量是44，密度大约是空气的1.5倍。CO2分子是直线型的，属于非极性分子，但可溶于极性较强的溶剂，也可溶于原油和凝析油中。CO2的存在状态是由所处的温度和压力决定的，其相图如图1所示：

图1 CO2在不同温度和压力条件下相态变化图版

根据CO2的不同温度和压力下的相态变化图版可知，有以下性质：

①三相点。从相图上可以看出，在温度为-56.6℃、压力为0.53MPa时，CO2以气、液、固三种相态同时存在，此点即为其“三相点”。当温度和压力都低于三相点时，CO2或是固态或是气态。②临界点。CO2的临界温度和临界压力分别为31.1℃、7.38MPa。当温度和压力高于三相点并低于31.1℃时，CO2以液态与气态形式平衡共存；当温度高于临界温度，无论压力多大，CO2均以气态方式存在。

2、CO2压裂增产机理

CO2压裂作为一种新的压裂技术在国内外得到广泛应用和推广。CO2干法压裂液是以液态CO2代替常规水力压裂液的一种无水压裂技术，与常规水力压裂技术相比，CO2干法压裂技术具有增能、储层伤害小、返排率高、环境污染小、增产明显等优点，其压裂增产机理是：

(1)压后增能作用。CO2可压缩性的特点，赋予它储存能量的能力。当压力降低时，气体就会膨胀，因此提供了充足的能量，有利于返排，使得举升液体能力显著提高。

(2)溶解降粘作用。当液态CO2进入储层与原油接触，其升温后快速气化与原油互溶，导致原油粘度的降低，同时也增加了溶解气驱的能量。

(3)溶蚀作用。在压裂过程中当液态CO2与地层水接触，饱和CO2的水呈酸性特征，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。

3.CO2干法压裂技术

(1)CO2干法压裂介绍

CO2干法压裂是以液态CO2为压裂液，通过地面高压泵车大排量注入，压开储层后，并依靠液态CO2使裂缝延伸，然后打开密闭混砂设备注入支撑剂来支撑裂缝，在地层中形成了一条具有较高导流能力的渗流通道，从而达到增产目的。

CO2干法压裂液是以液态CO2代替常规水力压裂液的一种无水压裂技术。CO2压裂液具有气化易膨胀、低滤失性、易返排的特点；同时CO2压裂液的使用可以大大降低水锁、水敏对储层造成的伤害，对于那些低渗、低压、强水敏和水锁性油气藏的压裂改造具有一定的技术优势，也避免了水基压裂液体系存在水资源大量浪费、返排不完全造成地下水污染以及污水处理费用高昂等缺点，对非常规油气的开发具有广阔的应用前景。

(2)CO2干法压裂工艺流程

CO2干法压裂技术，以无水无伤害液态CO2为携砂液进行压裂的技术。CO2干法压裂主要有三种方式：液态CO2加砂干法压裂技术、液态CO2/N2干法压裂技术、液态CO2/N2泡沫干法压裂技术，这三种方式也是干法压裂所经历的3个发展阶段，其工艺技术流程各不相同。

①液态CO2加砂干法压裂技术

液态CO2加砂干法压裂主要是采用100%液态CO2作为携砂液来进行压裂，其工艺流程相对比较简单。在20世纪80年代初到90年代末，该工艺在加拿大得到了广泛的应用。

②液态CO2/N2干法压裂技术

该技术就是在液态CO2携砂液中加入一定的N2进行压裂的一种工艺措施，其工艺流程如图2所示。与纯液态CO2的加砂压裂相比，这种方法不仅减少了液态CO2的用量，同时能改善滤失性能，降低施工泵压和作业成本。

图2 液态CO2/N2干法压裂工艺流程图

③液态CO2/N2泡沫干法压裂技术

该技术是由BJ公司开发出来的一种非常规泡沫压裂技术，在液态CO2中加入一种能完全溶解起泡剂，通过调节N2的注入量，使整个体系稳定性好、黏度高、对储层无伤害的泡沫流体，用其作为携砂液的一种压裂方法，工艺流程如图3所示。

图3 液态CO2/N2泡沫干法压裂技术工艺流程图

(3)CO2干法压裂发展趋势

国内外经过近50年的研究和现场试验，CO2干法压裂技术的工艺技术不断成熟，但是仍存在一些问题，比如液态CO2摩擦阻力大、相态变化预测难度大、携砂性能差、对压裂设备要求高、存在安全隐患等问题。各国能源研究机构和石油公司都在寻求一种更加高效的压裂技术──超临界CO2干法压裂技术。当温度和压力达到超临界状态（温度大于31.26℃，压力高于7.38MPa），液态CO2分子间作用力小，密度高、流动性强。超临界CO2压裂技术几乎具备传统CO2干法压裂技术的全部优点，相对于传统干法压裂技术，其施工压力小、对混砂车要求更低，是CO2干法压裂技术未来的发展趋势。

4.结语

(1)面对非常规油气开发“体积压裂”开发所带来的大量水资源严重不足以及对环境保护的压力，CO2干法压裂技术具有良好的应用前景。

(2)常规水力压裂技术对低压、低渗、水敏性地层的增产效果不是很理想，而CO2干法压裂具有的滤失量低、返排快、对地层伤害小等多种特性对此类储层具有技术优势。

(3)CO2干法压裂技术优势独特，经过多年的发展形成了不同的工艺流程，但是如何降低纯液态CO2压裂液摩阻、提高其携砂性能也是目前研究的重点。

(4)超临界CO2干法压裂技术因其增产效果更佳、施工压力小、对设备要求更低等优点成为CO2干法压裂技术的发展趋势。

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Production Increase Technology and Outlook of CO2 Dry Fracturing

Yang Xue1, Zhang Fan2, Yang Huan3

(1 School of Engineering and Technology and School of Petrochemical Technology, Yangtze University, Hubei, 434023 2 Sinopec Institute of Jianghan Oilfield Engineering Technology, Hubei, 430034 3 Institute of Engineering Technology, Sinopec North China Oilfield Company, Henan, 450006)

No water fracturing technology taking CO2fracturing technology as the representative has a more wider application in the development of unconventional oil and gas resources at home and abroad. CO2fracturing technology includes CO2foam fracturing and CO2fryfracturing, which is of great significance to the reconstruction and production increase of unconventional reservoir (Especially the low pressure, low permeability, strong water lock and water sensitivity damage are serious). This paper concludes the principle, construction technology, fracturing fluid system and equipment requirements, etc. of CO2dry fracturing technology and analyzes the present problems and development trend of this technology, at the same time, discusses the technology advantage and development prospect of the supercritical CO2fracturing technology .

unconventional oil & gas；water sensitivity of formation；CO2fracturing；CO2dry fracturing；oil field production increase

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A

(责任编辑 李鹏波)

十三五国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2016ZX05046-004）；国家自然科学基金“致密油水平井SRV与基质耦合变质量流动模型研究”（51504038）

杨雪（1985～），女，长江大学工程技术学院石油与化工学院，研究方向：油气田开发方面的教学和科研工作。