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超临界二氧化碳压裂技术

发布时间:2021-03-22人气:

  中国非常规油气储量丰富,将成为未来重要的接替能源。但非常规油气藏的共同特点是孔隙度和渗透率低,这决定了其必须进行储层改造才能实现。近年来水力压裂技术取得了长足的进步,大大加快了页岩气等非常规油气商业开发进程,同时也面临着一系列挑战,如水资源消耗大、储层黏土膨胀、地下水污染、返排液处理困难等。超临界CO2流体黏度低、扩散系数高、表面张力接近于零,具有诸多独特的物理和化学性质,自20世纪初被引入到钻完井工程中后,表现出了诸多优势。

  超临界CO2压裂容易使储层形成复杂裂缝网络,同时流体中不含水,不会引起储层黏土膨胀;此外,超临界CO2压裂后返排迅速,可大大缩短油气井的非生产时间,提高经济效益;同时CO2吸附性强,能够在置换页岩中吸附的甲烷分子提高产量和采收率的同时,实现CO2的埋存。因此,超临界CO2压裂技术被认为是一种具有广阔应用前景的新型无水压裂技术。

  1CO2超临界CO2压裂技术

  1.1CO2超临界CO2压裂技术的起源CO2在常温常压下是无色无味的气体,性质稳定,无燃爆性,易被液化,易于回收循环利用,是一种环境友好的“绿色流体”。虽然液态CO2在油气勘探开发中的应用已有30多年的历史,但超临界CO2流体的压裂特性和优势近十几年才被发现和关注。

  当温度达到31.3℃、压力超过7.39CO2MPa时,CO2流体便处于超临界状态。超临界CO2流体既不同于液体,也不同于气体,具有许多独特的物理化学性质。超临界CO2的密度接近于液体,黏度接近于气体,而且扩散系数较高、表面张力接近于零,具有很强的渗透能力以及良好的传热、传质性能,并且在油藏条件下很容易达到CO2的临界条件。

  1.2CO2超临界CO2压裂技术流程

  超临界CO2压裂工艺流程与CO2干法压裂主要的区别在于如何保证在井底的CO2处于超临界态。通常作业层位埋深浅、地温梯度小、注入排量较大时,需要在地面配备加热装置或利用地面压裂设备运行时产生的余热对CO2进行加热,以保证施工时CO2处于超临界态;如果作业层位埋深较深,井下温度足够高时,地层可直接对其进行加热,并辅以排量控制等手段使其达到超临界态。

  根据超临界CO2流体特性和非常规油气资源的开发特点,首先进行喷砂射孔作业,利用密闭混砂车将液态CO2与磨料充分混合,经高压管线输送到压裂车。压裂车组将混合流体通过连续油管泵入到井筒中。地层条件下,如果排量适中,一般井深超过750m后CO2便能达到超临界态。混合流体逐渐下行,温度压力不断升高,当到达喷射压裂装置后,产生高速超临界CO2磨料射流,射穿套管和储层岩石,形成射流孔道。

  射孔完成后进行压裂作业。通过连续油管或连续油管与环空同时泵入纯净液态CO2,液态CO2在下行过程中转变为超临界态。超临界CO2射流直接喷射到射流孔道中,产生比水射流更强的孔内增压效果,从而压开储层。

  对于常规油管压裂方式,可先进行地层射孔,随后下入光油管到射孔段并锚定,也可以采用水力喷砂射孔,随后用CO2替换井筒中的水,进行后续的压裂作业。后续的压裂过程与连续油管喷射压裂相同。

  2CO2超临界CO2压裂岩石起裂机制

  2.1CO2超临界CO2对岩石物性的影响

  超临界CO2与岩石之间的相互作用会对岩石的力学特性、矿物组成、孔渗特性等岩石物性产生影响。研究表明,CO2在页岩上的吸附能力远大于CH4,而这种吸附效应会对页岩的单轴抗压强度和杨氏模量造成损伤。这是由于CO2相较于CH4具有更高的等量吸附热、更大的表面势能和Gibbs自由能,使CO2在页岩表面吸附的自发性和相互作用力均高于CH4,进而使页岩产生非均质性吸附膨胀,导致页岩的力学性质被劣化。同时,超临界态的CO2具有更强的吸附能力,会使这种劣化作用更明显。此外,对于超临界CO2溶蚀效应引起的页岩微观结构的变化,一些学者通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和FTIR分析等研究手段分析发现,超临界CO2良好的溶解能力会使处理后的页岩内部有机质和矿物成分(如蒙脱石、高岭石和方解石)出现不同程度减少,孔隙的比表面积降低,从而形成了新的孔隙结构并使原有孔隙尺寸增加。

  页岩经超临界CO2处理后表面形貌发生了明显的变化,页岩原生孔隙受到溶蚀,部分矿物质被溶解。同时,经过超临界CO2处理后,页岩与水的接触角增大,降低了页岩的表面张力,从而减少水在其中的流动阻力,在微孔隙处不易形成水塞,有利于油气的采出。超临界CO2的溶蚀效应一方面有利于页岩中CH4渗流特性的改善,同时也会对页岩的吸附性能、气体的流动机制产生影响,这些变化在进行产能预测及CO2封存潜力评估时应予以考虑。目前该方面研究大多停留在对岩石表面特性变化的检测研究,对岩石深部特性的变化报道较少。

  2.2CO2起裂机制

  裂缝的起裂传播机制及产生裂缝网络的复杂程度是压裂施工设计的重要考虑因素。超临界CO2压裂液相比水基压裂液,具有起裂压力低、易形成复杂裂缝网络、破裂断面粗糙的特点,主要原因是:

  (1)超临界CO2的低黏特性。模拟实验表明,超临界CO2的黏度远低于水基流体,且表面张力接近于零,其渗透性远高于水基流体。在压裂过程中,相比于水基压裂液,超临界CO2更容易穿透岩石中互不连通的微孔隙,将流体压力传递到岩石深部,在井筒周围形成高孔隙压力区。孔隙内压力的增加会引起井筒周围有效应力的降低,并降低岩石的强度,使岩石更易起裂,诱发微裂缝。因此超临界CO2压裂的起裂压力明显低于液态CO2压裂和常规水力压裂,这在数值模拟和室内实验中均得到了验证。

  (2)超临界CO2与水基流体在热物理性质上的差异。在压裂过程中,作用在岩石上的高压超临界CO2流体在岩石起裂时进入裂缝的瞬间,由于焦耳-汤姆逊效应会使流体温度发生骤降而产生温差,而在水基流体中几乎不会出现这种现象。这种温度的变化会引起超临界CO2流体相态的变化,从而获得较高的裂缝扩展速度并促进形成复杂缝网。同时,在岩石起裂的瞬时低压期间,如果裂缝的热量能迅速扩散到低温流体中,则在裂缝产生的热应力能够显著增加岩石的损伤破坏,这种作用会促使附加裂缝的扩展进而形成复杂的裂缝网络。

  由于压裂过程中超临界CO2的物性参数对温度压力变化敏感,流体流动与传热复杂,还存在滤失、吸附与解吸、多相流动、化学反应等多方面的复杂影响,使得目前针对超临界CO2压裂起裂的研究主要是对实验现象的描述,而缺乏对内在机制的研究。

  3CO2超临界CO2缝内携砂

  3.1CO2超临界CO2携砂液缝内运移特性

  加砂量是影响压裂井产量的重要因素之一,一般而言加砂量与改造井的产气量具有正相关性。超临界CO2的黏度较低,施工状态下只有0.02~0.16CO2mPa·s,远小于传统压裂液的黏度,致使超临界CO2携砂液中的支撑剂在裂缝内容易发生沉降形成砂堤,对形成的复杂裂缝难以实现有效支撑,进而影响压裂改造效果。

  超临界CO2携带支撑剂在裂缝中的堆积程度明显高于滑溜水,即超临界CO2在裂缝内的携砂能力要弱于滑溜水等水基压裂液。除了使用增黏剂来提高携砂能力外,有学者认为流体高速流动时产生的湍流同样能够使低黏压裂液有效携带支撑剂:在湍流的作用下会增大与粗糙壁面的摩擦,进而减缓其在缝内的沉降速度。

  另外,对于低黏压裂液中的支撑剂携带,裂缝表面的粗糙程度、压裂形成缝网的复杂程度以及随缝宽减小而增大的拉曳效应均能有效减缓其沉降速度,对支撑剂在裂缝内的铺置效果和导流能力产生一定影响。

  4CO2超临界CO2压裂井筒流动

  超临界CO2流体的物性参数对温度、压力的变化较为敏感,明确压裂过程中超临界CO2的井筒流动规律对于安全、作业具有重要意义。

  超临界CO2压裂流体的注入主要有油套同注或油管注入两种方式。程宇雄等参照超临界CO2应用方向,对油套同注的压裂方式进行研究,建立了超临界CO2喷射压裂井筒流动模型,并以异常低地温梯度地层为例计算分析了井筒流动流体的相态控制问题,认为井筒温度的控制是喷射压裂过程中流体相态控制的关键。针对油管注入这种方式,郭建春等考虑井筒内温度、压力和CO2物性参数相互耦合的特点,利用连续性方程、运动方程、能量方程及传热学理论,建立了超临界CO2压裂井筒非稳态-压力耦合流动模型。

  目前该方面研究主要针对于直井压裂过程中相关参数预测,且均集中于理论模型研究,对外部条件进行了过多的简化,并且缺乏室内或现场试验验证,实用性不强。另外,目前中国水平井数量逐年增加,对于水平井井筒温度、压力参数预测尚未开展有效研究。

  5CO2超临界CO2压裂设备

  超临界CO2压裂所需设备与CO2干法压裂基本相同。现场施工经验表明,加砂浓度难以控制、井下易砂堵以及设备频繁超压是CO2压裂过程中的常见问题,导致常规压裂设备难以适用于超临界CO2压裂,其中对混砂及增压设备提出了更高要求。

  在超临界CO2压裂作业中,混砂车中的CO2需在一定温度、压力条件下保持为液态,同时还要保证支撑剂能够连续加入这种带压环境中,这就使常规混砂设备无法满足施工要求,必须使用能够加压保温的密闭混砂装置。早期CO2加砂压裂施工中,由于混砂设备技术参数的限制,加砂量有限,严重制约了产能提升效果。

  6CO2超临界CO2压裂现场试验

  超临界CO2压裂是继CO2干法压裂之后又一种全新的无水压裂技术,该技术对CO2作用于储层时的相态描述更为准确,施工技术参数设计更符合超临界CO2特性。目前该技术整体处于基础研究阶段,仅有少量的现场试验,且均集中在中国。

  7CO2超临界CO2压裂存在的主要问题及发展趋势

  超临界CO2压裂技术经过十几年的发展,取得了长足进步。但一些关键技术问题仍未突破,相关机理仍不明确,其工业应用面临着一系列挑战。主要表现在4个方面。

  (1)携砂能力差,易砂堵。超临界CO2的黏度远低于水基压裂液的黏度,其密度也比水小,在井筒和缝内携砂过程中容易沉降,堆积在井底或者裂缝跟端,造成压裂施工过程中井底和缝端频繁砂堵。

  (2)流动摩阻高,易超压。超临界CO2在井筒中的流动摩阻明显高于常规的水基压裂液,尤其在喷嘴喷射阶段,超临界CO2射流摩阻更大,需要较大的施工压力才能达到排量要求,造成地面设备频繁超压,影响正常施工。

  (3)压裂机理认识不清。超临界CO2是一种可压缩性极强的流体,同时其物理性质受温度和压力影响较大,因此在压裂过程中的高温高压条件下,其与岩石的相互作用机制非常复杂,不仅要考虑压力场和温度场,而且要考虑超临界CO2滤失,超临界CO2物性参数变化,以及化学作用。超临界CO2压裂起裂和裂缝扩展虽然做了大量工作,但只是停留在表面现象的观测和分析,深层次的机理问题仍未得到解决。

  (4)地面和井下专用设备工具缺乏。超临界CO2流体性质与水有较大差别,常规压裂设备不能满足作业要求,如混砂设备、井下喷射压裂工具、地面循环冷却装置等,需要结合超临界CO2的特殊性质,研制专用的地面和井下设备。

  面对上述难题,超临界CO2压裂技术可以从以下方向取得突破:①提高携砂能力方面,现阶段可以研制新型环保增黏剂,未来随着纳米纤维技术的发展,在超短纤维增黏方面将取得突破,实现超临界CO2物理增黏;同时开发超低密度支撑剂,相应的提高支撑剂的悬浮能力;②降低摩阻方面,可以结合增黏剂的研制,开发适合于超临界CO2的降阻剂,此外,也可以通过提高流体流动截面积的方式降低流动阻力,如增大井筒直径,从钻井设计之初就考虑后续超临界CO2压裂完井方式;③压裂起裂和裂缝扩展机理方面,需要采用扩展有限元、边界元或更高级的模拟方法,追踪裂缝起裂和扩展过程中的多场耦合作用,辅以实验手段,深入认识和揭示裂缝起裂和扩展机理;④地面和井下专用设备工具方面,在常规水力压裂技术基础上,结合超临界CO2流体特性,通过数值模拟和实验测试等手段,研制大排量、大混砂能力、耐高压的地面泵组、大功率地面循环冷却装置等,低温地层压裂条件下应用的地面加热系统,以及配套专用井下装置。

  这些主要问题的解决将进一步推动超临界CO2压裂技术的现场应用步伐,促进该技术的快速发展。同时,也要积极推进相关辅助问题的解决,如井筒压力和温度预测、水合物防控等问题,以进一步提高该技术的成熟度。未来超临界CO2压裂技术将逐渐从目前的直井单层压裂向水平井多级压裂发展,从传统的油管压裂向连续油管拖动压裂发展,逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。

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