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国内外二氧化碳干法压裂技术发展现状及趋势

第一节二氧化碳干法压裂技术概述

一、二氧化碳干法压裂工艺步骤

CO2干法压裂工艺按如下步骤进行：①将若干CO2储罐并联，并依次与CO2增压泵车、密闭混砂车、压裂泵车、井口装置连通，将仪表车与上述各车辆连通并监控工作状态；②将支撑剂装入密闭混砂罐中，并注入液态CO2预冷；③对高压管线、井口试泵，对低压供液管线试压，若试压结果符合要求则继续进行后续步骤；④液态CO2以?25～?15℃温度注入地层，压开地层并使裂缝延伸，然后打开密闭混砂设备注入支撑剂，支撑剂注完后进行顶替，直到支撑剂刚好完全进入地层，停泵；⑤压裂施工结束后，关井1.5～2.5h；⑥压后放喷返排，既要控制返排速度以防吐砂，又要最大限度地利用CO2能量快速返排，可以先使用小口径油嘴控制放喷速度，随后逐渐加大油嘴口径，并使用CO2检测仪监测出口CO2浓度变化。

二、二氧化碳干法压裂对设备的要求

CO2干法压裂对设备的要求为：①CO2储罐：1只或几只，用于储存加压降温的液态CO2，CO2保持在?34.4℃和1.406MPa；②CO2增压泵车：用于将液态CO2从储罐内压力增压至1.8～2.2MPa，要求单台泵车排量不低于2m3/min，主要包括底盘车、增压泵系统、气液分离系统、进液排液系统、液压系统、电控系统等部件；③密闭混砂车：CO2干法压裂的关键设备，是1个较大的密闭压力容器，用于将支撑剂混入液态CO2，要求耐压2.2MPa以上、容积5m3以上、输砂速度500kg/min以上，主要包括底盘车、液压系统、储砂罐、加砂管、混砂管汇、进液排液系统、电控系统等部件；④压裂泵车：常规的压裂泵，用于将压裂液泵入井中，要求单台输出功率不小于1471kW（2000HP），由于CO2穿透性较强，泵车的柱塞泵密封圈推荐使用金属密封圈；⑤压裂管汇车：要求配备低温低压、低温高压管汇。

三、二氧化碳干法加砂压裂的主要技术难点

CO2干法加砂压裂的主要技术难点包括：压裂液携砂能力差，滤失速度快，难以实现高砂比、大砂量作业；地面施工压力高，提高了对压裂管柱、井口装置和地面设备的性能要求；常规压裂所使用的混砂设备无法满足作业需要，需研制专用的密闭混砂设备，并配套相应的地面流程和井筒管柱。

四、二氧化碳干法压裂技术优势

CO2干法压裂技术具有以下优势：①没有水相，避免了对储集层的水敏、水锁污染；②没有残渣，不会对储集层和支撑裂缝渗透率造成伤害；③具有良好的增能作用，压后返排快，返排彻底；④CO2流动性强，可以流入储集层中的微裂缝，更好地沟通储集层；⑤CO2溶于原油可以降低原油的黏度，利于原油的开采；⑥CO2能够置换吸附于煤岩与页岩中的甲烷，在提高单井产量的同时，还可以实现温室气体的封存。

五、二氧化碳干法压裂技术与其它压裂工艺产能对比

统计了美国Pike县37层压裂井资料，分别采用CO2/sand、N2气体压裂(不加支撑剂)、N2泡沫并进行了压后5年累计产能对比，分别见表1、表2。

表1三种压裂工艺压后5年单层累计产量对比

表2三种压裂工艺压后5年效益对比

从以上数据对比可以看出，无论与气体压裂还是常规泡沫压裂压后效果对比，干法压裂累计产气量大幅度提高，其效益比提高了多倍。充分说明了干法压裂对于低压、低渗气藏的开发增产具有显著的效果以及广阔的应用前景。

第二节国内外二氧化碳干法压裂技术发展现状及趋势

一、国内液态CO2压裂技术的研究进展

1、纯液态CO2加砂压裂技术阶段

从20世纪60年代开始，液态CO2作为压裂液的增能助排剂在油气井增产改造中得到应用。1981年，美国首次采用100％液态CO2作为压裂液对低渗气层进行加砂压裂改造，获得了良好的增产效果。纯液态CO2加砂压裂是采用100％液态CO2（无水或其他添加剂）作为携砂液进行压裂施工的工艺技术。该技术施工流程如下：作业前，将支撑剂装入密闭混砂车并加入液态CO2预冷，然后利用N2驱动液态CO2与支撑剂混合后经压裂泵车增压注入地层。作业完成后，关井一段时间，确保CO2完全气化，然后开井排液，将气态CO2排出井筒。1986年，Setlari等开展了液态CO2压裂数值模拟研究，探讨了低温低黏液体对压裂裂缝形态、滤失、携砂性能的影响。Campbell等介绍了液态CO2加砂压裂的地面设备流程和压裂设计的摩阻－排量图版。1993至1994年，美国、加拿大等国家石油公司开展了超过1200井次以上液态CO2加砂压裂作业，井深700～5000m、CO2用量87～337t、加砂量5.7～54.4t，施工后油气井产量增加了几倍至十几倍，尤其是针对Lewis、Devonian等页岩气层进行了几十井次的应用对比，增产效果明显好于邻近N2压裂、N2泡