頁巖氣二氧化碳泡沫壓裂技術

北美地區在頁巖氣勘探開發中所取得巨大的成功，使頁巖氣成為了目前全球最熱門的非常規天然氣資源，世界各大油氣資源國都掀起了頁巖氣勘探開發的熱潮，中國也加入到“頁巖氣革命”中，期望復制北美頁巖氣的成功，從而緩解我國天然氣供需矛盾，調整能源結構，促進節能減排。頁巖氣開發過程中不僅應注重產量的突破，還應加強對節水/無水壓裂等技術的攻關與突破，掌握適用于我國頁巖氣開發的增產改造核心技術，為頁巖氣的壓裂改造提供新的思路和方法，以確保頁巖氣開發有序進行。

1 研究背景

1.1 天然氣需求量大

2015年我國天然氣產量為1318×10⁸m³（不含煤層氣），還存在大約600×10⁸m³左右的供應缺口需要依靠進口天然氣補充，預計到2020年，國內天然氣缺口將達1000×10⁸m³。我國天然氣供不應求的局面將長期存在，加快包括頁巖氣在內的天然氣勘探開發節奏，是緩解我國天然氣供需矛盾的必然選擇，對調整和優化能源結構、減少溫室氣體排放具有重要意義。

1.2 頁巖氣資源豐富

四川盆地是目前中國頁巖氣勘探開發的主戰場，也是最成功的地區。四川盆地有利頁巖氣區面積9.43×10⁴km²，核心區面積約6.44×10⁴km²，估算技術可采資源量2.64×10¹²m³，具有較好的發展前景，四川盆地頁巖氣資源勘探開發在較大程度上反映和影響我國頁巖氣的發展前景，對推動我國頁巖氣勘探開發具有重要意義。

1.3 水資源壓力大

滑溜水壓裂是在頁巖氣藏改造中發展起來的一項技術，在美國得克薩斯州Barnett頁巖氣開發中取得巨大成功而備受關注，國內頁巖氣開發也多采用此技術。目前頁巖氣的開發重心集中在如何取得產量上的突破，忽略了頁巖氣資源開發可能面對的水資源挑戰、環境影響及其相應的防治措施等問題。水力壓裂作為頁巖氣開發的關鍵技術之一，據統計在2010年采用滑溜水壓裂開發1口頁巖氣井需要消耗0.8×10⁴～2.4×10⁴m³水資源，美國頁巖氣開發大多分布在平原地區，水資源較為充足，而四川盆地多為丘陵山區，比較缺水，水資源壓力大（圖1），嚴重制約頁巖氣的大規模工業化開發。

1.4 鼓勵開展新型壓裂液技術攻關

由于面臨水資源壓力大等問題，《頁巖氣發展規劃（2011—2015年）》中鼓勵開展新型壓裂液的技術攻關，客觀上節約大量用水；《頁巖氣產業政策》中提出依靠科技進步，推進井場集約化建設和無水、少水儲層改造及水資源循環使用，實現安全、高效、清潔生產，建設資源節約、環境友好、協調發展的頁巖氣資源勘探開發利用體系。并且新《安全生產法》和《環境保護法》已正式實施，返排不完全可能污染地下水以及處理返排污水費用高昂等問題變得突出，有必要加強節水/無水壓裂等技術的攻關與突破。

2 CO₂泡沫壓裂優勢與特點

2.1 與滑溜水壓裂比較

滑溜水壓裂在美國barnett頁巖開發中成功應用而被逐漸推廣，但用水量巨大，在水資源緊缺地區可能限制了頁巖氣大規模開發；在2008—2012年，為緩解水資源壓力，加拿大Monteny頁巖氣對1364口井進行水力壓裂改造中，采用增能、泡沫壓裂共737口（占所有壓裂施工井數的54%），其中部分滑溜水壓裂和CO₂泡沫壓裂施工統計資料如表1所示。從表1中可以看出，CO₂泡沫壓裂極大降低了水力壓裂施工用水量，并且由于施工規模減小、作業時間縮短等也降低了成本。

為評價滑溜水壓裂和CO₂泡沫壓裂在改造體積（SRV）的差異，2013年加拿大Pembina油田利用兩口相鄰的水平井進行滑溜水壓裂和泡沫壓裂微地震監測施工（圖2），兩口井分段方法一致，支撐劑用量相同，其中滑溜水壓裂施工排量為12.0m³/min，泡沫壓裂施工排量為3.0～5.0m³/min。從兩口井的微地震監測可知，滑溜水壓裂由于大排量、大規模的改造思路，其更容易形成復雜縫網；而泡沫壓裂由于施工排量、規模較低，改造體積低于滑溜水壓裂。通過分析，認為增加CO₂泡沫壓裂施工排量、規?？蓮浹a其在改造體積方面與滑溜水壓裂所存在的差距。

2.2 與其他節水/無水壓裂比較

在節水/無水壓裂技術中，LPG、CO₂、N₂等無水壓裂技術在國內處在探索階段，對設備和作業人員技術要求高、安全風險大，其現階段的推廣應用受到一定限制。CO₂泡沫壓裂自20世紀70年代末出現以來，具有對儲層傷害低、可大幅減少用水量、攜砂性能強、黏度高等優點，性能優于N₂泡沫壓裂液（施工壓力、防膨、置換頁巖氣等方面），設備改造要求小，混注工藝簡單、施工難度較無水壓裂液低，安全風險小，并成功應用于低壓低滲水敏砂巖油氣藏及煤層氣藏。CO₂泡沫壓裂技術在國外頁巖氣已得到廣泛應用，在國內的現場試驗工作也取得較好的效果。目前已有的節水/無水壓裂技術情況如表2所示。

3 CO₂泡沫壓裂液物理特性

CO₂泡沫壓裂液是由CO₂、稠化劑、起泡劑等相關化學添加劑與水組成的混合體系。CO₂泡沫壓裂液的研制與單相水基壓裂液的研制密切相關，其難點在于CO₂溶于水后顯酸性，對稠化劑、交聯劑及起泡劑的性能要求更高。與常規單相水基壓裂液不同，CO₂泡沫壓裂液屬于氣液兩相可壓縮性極強的流體，CO₂相態變化復雜，導致其前期室內評價的難度更大。對CO₂泡沫壓裂液物理特性的認識和掌握程度是影響優選配方、工藝設計、壓裂施工及壓后效果的重要因素之一。

3.1 CO₂泡沫壓裂過程中CO₂相態變化

CO₂泡沫壓裂液的物理特性受CO₂相態變化影響，CO₂泡沫壓裂過程中CO₂相態變化如圖3所示：CO₂開始以液態形式存儲在CO₂罐車中，經過CO₂增壓泵后，進入CO₂壓裂泵車，并被加壓至施工壓力，隨后在井口與水基壓裂液匯合，在此過程中CO₂均處于液態；液態CO₂與水基壓裂液混合后泵至井底進入儲層后，溫度逐漸升高，CO₂處于超臨界狀態，由于超臨界CO₂流動性與氣體類似，從而可與水基壓裂液形成CO₂泡沫；施工結束并開始返排后，CO₂超臨界流動性與氣體類似，可從井底返排回地面，過程中壓力逐漸下降，最終以氣態形式返排回地面。在此過程中，CO₂泡沫壓裂液的密度、黏度等都隨著其溫度、壓力的改變而劇烈變化。

3.2 CO₂泡沫壓裂液性能評價

國內CO₂泡沫壓裂物理特性的研究重點在性能評價中的理論認識和實驗設備。理論認識是需掌握CO₂泡沫壓裂液攜砂機理、在不同條件下CO₂泡沫壓裂液的流變模型，CO₂相態轉變、超臨界CO₂特性對CO₂泡沫壓裂液流變性、攜砂性能等的影響；實驗設備是由于國內目前CO₂泡沫壓裂液實驗評價設備相對有限，不利于技術的推廣，需在研發儀器設備方面取得突破，盡量準確、客觀地反映CO₂泡沫壓裂液在施工過程中的性能參數，通常使用大型物理模擬裝置，如大型多功能泡沫回路試驗裝置、頁巖氣藏超臨界CO₂致裂增滲實驗裝置、大型高參數泡沫壓裂液試驗回路，模擬CO₂泡沫壓裂液的施工過程，研究CO₂泡沫壓裂液在高溫、高壓、高剪切條件下的流變性、起泡、穩泡、攜砂、動態濾失等性能。

CO₂泡沫壓裂液的黏度高、攜砂性能好、濾失量低，酸性環境可有效抑制黏土膨脹，用水量少可降低頁巖的自吸及軟化，對地層和裂縫傷害小。根據CO₂泡沫壓裂液性能特點，結合頁巖氣目前體積壓裂工作液實驗評價現狀，需使用大型物理模擬裝置，并結合常規實驗儀器完成CO₂泡沫壓裂液的實驗評價，較為準確獲取CO₂泡沫壓裂液性能參數，建立頁巖儲層與CO₂泡沫壓裂液適應性評價方法，為頁巖氣CO₂泡沫壓裂工藝設計和現場施工提供理論依據和技術支撐。

4 CO₂泡沫壓裂裝備與工藝技術

4.1 CO₂泡沫壓裂裝備

目前國內已經具備開展CO₂泡沫壓裂施工的能力，中原、長慶、吉林和大慶等油田已完成裝備配套完善，并對施工的現場組織和實施有一定的積累和認識。

與常規水力壓裂不同，CO₂泡沫壓裂施工是兩套獨立流程，一套泵注液態CO₂，一套泵注純水基壓裂液，兩套流程在井口匯合后再向地層泵注（圖4）。泵注液態CO₂需如下設備：①CO₂罐車，用于儲存加壓低溫的液態CO₂；②CO₂增壓泵車，CO₂泡沫壓裂作業的核心設備，為液態CO₂進行保壓和加壓，減少壓力波動和供液不足，為壓裂車提供大排量的液態CO₂；③CO₂壓裂泵車，工作原理與常規壓裂泵車相同，但因低溫液態CO₂的穿透性較強，對設備的密封性與防穿刺性能要求更高；④CO₂儀表車，通過配備控制面板，可實現集中控制；⑤配套設備，針對CO₂施工的特點，需在CO₂罐車低壓管匯等位置配備氣動或液動閥門，可從儀表車上遠程控制閥門的開啟和關閉，防止發生缺氧、凍傷、炮彈效應等傷害，對于CO₂泵入井底到達儲層后不能達到超臨界溫度的淺井，還應增加地面加熱裝置，以便有效形成CO2泡沫。

4.2 CO₂泡沫壓裂分段工藝

水平井分段壓裂改造已成為目前國內外頁巖氣效益開發的必要手段。在加拿大Monteny頁巖氣CO₂泡沫壓裂開發中，采用橋塞/射孔聯作、裸眼封隔器/投球、連續油管/封隔器等分段工藝，與其他液體和工藝相比，CO₂泡沫壓裂與橋塞/射孔聯作施工后的12個月累計量最高。

4.3 CO₂泡沫壓裂施工步驟

CO₂泡沫壓裂施工施工準備階段，與常規壓裂相似，先通井/洗井，再下入壓裂管柱，連接井口與地面管線后開始準備試壓，CO₂泡沫壓裂在試壓階段與常規壓裂有所不同，需要將CO₂注入CO₂泵注流程，降低管線溫度，檢查系統密閉性，并確保CO₂在地面施工過程中處于液態；然后再進行壓裂施工作業，施工過程中需要用N₂對CO₂儲罐加壓，保持CO₂處于液態，施工結束后關井，再放噴排液。

4.4 CO₂泡沫壓裂安全保障

為保障CO₂泡沫壓裂施工安全順利進行，施工過程中CO₂增壓泵、CO₂罐車距離其他設備和井口至少15m，并防止干冰堵導致管線爆炸；由于CO₂會降低空氣中O₂濃度，所以CO₂設備的擺放區域應遠離工作人員區域并處于下風口，防止窒息；壓后放噴返排期間，用CO₂檢測儀監測出口CO₂濃度變化。

5 頁巖氣CO₂泡沫壓裂應用現狀

CO₂泡沫壓裂具有對儲層傷害低、可大幅減少用水量、攜砂性能強等優點，在低壓（壓力系數為0.8～1.0）、低滲透、黏土礦物含量高的水敏油氣藏增產改造中具有明顯優勢，并且可以通過地面預加熱處理方式應用于溫度較低的油氣藏，從而拓寬適用的油氣藏溫度條件。

CO₂泡沫壓裂在美國Ohio和Lewis頁巖氣的開發過程中成功應用并取得突破。在2008—2012年，加拿大Monteny頁巖氣對1364口井進行水力壓裂改造，其中增能、泡沫共737口（54%），極大緩解了當地水資源壓力，與滑溜水壓裂相比，CO₂泡沫壓裂減少平均每段支撐劑用量、用水量，增加支撐劑濃度，支撐裂縫導流能力，增產改造效果顯著。

CO₂泡沫壓裂在延長油田頁巖氣井得到成功應用，某頁巖氣井CO₂泡沫壓裂施工期間，施工壓力低、加砂成功率100%，單井無阻氣量達到10.0×10⁴m³/d，是鄰井產量的3倍，增產改造效果明顯，同時實現部分CO₂就地封存。

6 結論與建議

1）頁巖氣開發過程中不僅應注重產量的突破，還應加強節水/無水壓裂等技術的攻關與突破，確保水資源緊缺地區頁巖氣開發有序進行。CO₂泡沫壓裂相對于滑溜水壓裂，能大幅減少用水量，可通過增加施工排量、規?？蓮浹a其在改造體積與滑溜水壓裂的差距；在設備改造要求、混注工藝、施工難度較其他節水/無水壓裂技術低，安全風險小。

2）CO₂泡沫壓裂液屬于氣液兩相可壓縮性極強的流體，施工過程中CO₂相態變化復雜，液態CO₂與水基壓裂液混合后泵至井底進入儲層后，溫度逐漸升高，CO₂處于超臨界狀態，由于超臨界CO₂流動性與氣體類似，從而可與水基壓裂液形成CO₂泡沫，導致其前期室內評價的難度更大。根據CO₂泡沫壓裂液性能特點，結合頁巖氣目前體積壓裂工作液實驗評價現狀，需使用大型物理模擬裝置，并結合常規實驗儀器完成CO₂泡沫壓裂液的實驗評價，較為準確獲取CO₂泡沫壓裂液性能參數，建立頁巖儲層與CO₂泡沫壓裂液適應性評價方法，為頁巖氣CO2泡沫壓裂工藝設計和現場施工提供理論依據和技術支撐。

3）目前國內已經具備開展CO₂泡沫壓裂施工的能力。與常規水力壓裂不同，CO₂泡沫壓裂施工是兩套獨立流程，在壓裂設備中需要增加CO₂泵注設備。加拿大Monteny頁巖氣CO₂泡沫壓裂開發采用橋塞/射孔聯作，取得了較好的改造效果。施工步驟和安全保障中需要考慮CO₂特殊性，制定相應的施工保障、安全預防措施。

4）CO₂泡沫壓裂在美國Ohio和Lewis頁巖氣的開發過程中成功應用并取得突破，在加拿大Monteny頁巖氣藏大規模應用，目前在國內延長頁巖氣井得到成功應用，增產改造效果明顯。旨在為四川盆地頁巖氣的壓裂改造提供新的思路和方法，也為水資源緊缺地區頁巖氣開發提供重要的技術儲備與補充。

5）下一步頁巖氣CO₂泡沫壓裂技術攻關研究方向中，應準確掌握CO₂泡沫壓裂液性能，建立頁巖儲層與CO₂泡沫壓裂液適應性實驗評價方法，并通過完善相關施工配套設備和工藝設計方法，將CO₂泡沫壓裂技術集成到目前頁巖氣的“工廠化”壓裂中。

版權聲明|來源：《天然氣工業》；作者：周長林等；原標題：頁巖氣CO₂泡沫壓裂技術；版權歸原作者所有。

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