超临界CO2连续油管喷射压裂可行性分析

程宇雄 李根生 王海柱 沈忠厚 范 鑫

（中国石油大学石油工程学院，北京 102249）

随着世界油气勘探开发的不断深入发展，页岩气、煤层气、致密砂岩气、稠油等非常规油气资源已成为21 世纪重要的接替能源［1-2］，但是绝大多数非常规油气藏均需压裂改造才能投产，其中90%以上的煤层气井和页岩气井通过压裂改造才能获得商业化产量［3］。目前，水力压裂已广泛应用于非常规油气藏的增产作业，但在压裂增产效果和环境保护两方面，仍存在很多无法解决的问题。

在储层保护方面，水力压裂需要注入大量高黏压裂液，压裂后还要泵入破胶剂返排，不仅成本高昂、工序复杂，而且在对页岩层、煤层等高含黏土矿物的水敏性储层进行水力压裂时，水基压裂液中的水会使黏土膨胀，堵塞储层孔隙，影响压裂效果［4］。虽然目前已研制出多种清洁压裂液，但是仍然无法彻底消除压裂时造成的储层损害。

在环境保护方面，首先，水基压裂液中添加了大量的化学药剂，不仅会污染地下水，而且返排至地面后，也会对地表环境造成污染［5］；其次，非常规油气藏常用的大规模水力压裂会耗费大量水资源，以美国的Barnett 页岩气田为例，平均每口井压裂用水量高达13 650 t［6］。

随着钻完井技术的快速发展，20 世纪末超临界CO2流体被应用到钻完井工程中。研究表明，超临界CO2连续油管喷射压裂技术可望解决这些问题。超临界CO2流体的黏度接近于气体、密度接近于液体，而且扩散系数较高、表面张力接近于0［7］，所以超临界CO2流体在喷射压裂过程中具有较低的流动摩阻、较强的喷射射孔能力、射流增压效果和渗透能力。这意味着利用超临界CO2流体可以在较低的地面泵压下完成喷射射孔作业，并依靠其射流增压效果显著提高孔内压力，最后，凭借其极强的渗透能力在储层中产生大量的微裂缝网络。而且，超临界CO2压裂流体中不含水也不含固相，在压裂过程中不会对储层造成伤害，是一种清洁压裂流体。更重要的是，在利用超临界CO2对页岩气藏和煤层气藏进行压裂改造时，CO2会因其更强的吸附能力置换出储层中的吸附态甲烷，可以有效地提高非常规天然气的采收率［8］。因此，超临界CO2连续油管喷射压裂有望成为环保、高效、安全的新型压裂方法。

笔者在分析超临界CO2流体特性的基础上，通过分析超临界CO2射流的射孔能力和增压效果，验证了将其用于喷射压裂施工的可行性；然后阐述了该技术在油气藏增产方面的优势，并提出了超临界CO2连续油管喷射压裂的工艺流程。

1 超临界CO2 流体及其特性

常温常压下，CO2为无色无味的气体，对人和环境都没有伤害，没有燃烧性和助燃性。当温度大于其临界温度（TC=31.1℃），压力大于其临界压力（PC=7.38 MPa）时，CO2就会达到超临界状态，成为超临界CO2流体，图1 是CO2的相态图［7］。因此，在压裂施工的高压高温条件下，CO2很容易达到超临界状态。

图1 CO2 相态图

超临界流体既不同于气体，也不同于液体，它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0，具有很强的渗透能力。表1 为超临界流体与常温常压气体及液体不同性质的比较。

表1 超临界流体和气体、液体的性质比较［9］

1.1 密度和溶解性能

超临界CO2的密度接近于液体，具有较强的溶解性能，而且密度和溶解性能都随压力的升高而显著增大［10］。因此，在压裂施工的高压条件下，超临界CO2具有较高的密度和很强的溶剂化能力，能够溶解近井地带的重油组分和其他有机物，减小油气在近井地带的流动阻力，进一步提高压裂增产的效果。

1.2 黏度、扩散系数、表面张力

超临界CO2的黏度接近于气体，比液体小两个数量级，因此，即使在较小尺寸的管柱中流动，超临界CO2的流动摩阻也不会很大，在压裂施工中有利于降低地面泵压，保证施工的顺利进行。

同时，超临界CO2具有较高的扩散系数，表面张力接近于0，因此渗透能力极强，所以在压裂过程中很容易渗入储层中的孔隙和微裂缝，从而产生大量的微裂缝网络，提高油气藏采收率。

2 超临界CO2 射流的射孔能力和射流增压效果

水力喷射压裂技术包括水力喷砂射孔和水力压裂两个过程。首先，高压压裂液通过井下射流装置，在套管和岩石上形成一定直径和深度的射孔孔眼；然后，高速射流继续进入孔眼中，直至在孔眼中滞止。根据射流增压原理，孔眼内的滞止压力高于环空压力，当滞止压力达到地层破裂压力时，射流孔道顶端将产生裂缝并延伸［11］。所以，要实现喷射压裂工艺，工作流体必须要具有一定的喷射射孔能力和射流增压能力。

超临界CO2射流的射孔机理与水射流类似，包括射流冲击作用、楔劈作用等，但是超临界CO2的楔劈作用特别突出（图2）。与水相比，超临界CO2流体的黏度较低、扩散系数较大，而且表面张力接近于0，所以非常容易渗入岩石微孔隙和微裂缝中，可有效降低岩石强度［12］。如图3，在193 MPa 的压差下水射流只能在Mancons 页岩上切割出狭窄的断口，而超临界CO2射流可在90 MPa 的压差下切割出更深更宽的断口［13］。所以，利用超临界CO2进行喷射射孔，可以在较低的压力条件下射开套管和地层岩石，形成射孔孔眼。

图2 水射流与超临界CO2 射流楔劈作用对比

图3 水射流和超临界CO2 射流在Mancons 页岩上的 喷射破岩效果

为了证实超临界CO2射流的射流增压效果，利用计算流体力学方法模拟了超临界CO2喷射压裂过程中的孔内流场，并对比了超临界CO2喷射压裂与水力喷射压裂的孔内增压效果。如图4，在3 种喷嘴压降下，超临界CO2喷射压裂的孔内滞止压力都高于相同条件下水力喷射压力的孔内滞止压力，在喷嘴压降为30 MPa时，其增压值比水力喷射压裂高2.4 MPa，可见超临界CO2喷射压裂具有比水力喷射压裂更强的增压效果。所以，利用超临界CO2进行喷射压裂，在相同喷嘴压降下可获得更高的孔内增压值，更有利于使地层起裂。

图4 超临界CO2 喷射压裂与水力喷射压裂的 孔内压力分布对比

综上两点，超临界CO2射流比水射流的射孔能力更强，射流增压效果更好，可以在更低的施工压力下实现喷射射孔和压裂工艺。

3 超临界CO2 压裂流体在油气增产方面的优势

在水力压裂中，水基压裂液中的水分不可避免地使储层中的黏土膨胀，堵塞储层孔隙，这在页岩层和煤层等水敏性储层中尤为严重。而超临界CO2流体不含水，从根本上避免了水敏伤害的发生，是一种清洁压裂流体。相反地，超临界CO2渗透到储层后，还能凭借其独特的性质进一步提高增产效果。

（1）超临界CO2压裂流体不含水，不仅不会使储层中的黏土膨胀，反而可以使致密的黏土砂层脱水，打开砂层孔道，疏通储层与井筒间的流动通道，降低近井地带的表皮系数［14］。

（2）相对于常规压裂液，超临界CO2压裂流体黏度低而扩散能力强，表面张力接近0，所以渗透能力很强，很容易渗入储层中的孔隙和微裂缝，从而产生大量的微裂缝网络，最大程度地增加泄油面积，并有效地驱替其中的油气，提高油气藏采收率［15］。

（3）超临界CO2溶剂化能力强，能够溶解近井地带的重油组分和其他有机物，降低表皮系数，减小油气在近井地带的流动阻力，进一步提高压裂增产的效果。

（4）超临界CO2渗透能力强，能渗透到原油中，使其体积膨胀，黏度降低，从而增大原油流动性，增加储层能量，有利于储层中原油的驱替，适合稠油油藏的增产作业［14］。

（5）与天然气主要成分CH4一样，CO2可被煤层、页岩层等吸附储层吸附，而且CO2与储层的吸附能力强于CH4与储层的吸附能力。所以在利用超临界CO2喷射压裂技术改造页岩气藏和煤层气藏时，注入的CO2与CH4之间会存在竞争吸附的关系，吸附能力更强的CO2会置换出储层中的吸附态甲烷，显著提高气藏的采收率［16］。

4 超临界CO2 连续油管喷射压裂流程及优势

4.1 超临界CO2 连续油管喷射压裂流程

超临界CO2连续油管喷射压裂包括超临界CO2喷砂射孔和超临界CO2压裂两个过程，示意图见图5。在施工前要准备好充足的CO2气源，而且CO2储罐要加装制冷机组，以保证储罐内温度在-15～10 ℃，压力保持在4～8 MPa，以保证进入混砂车的CO2处于液态。在地层的温度和压力条件下，CO2流体非常容易达到超临界条件（温度超过31.1 ℃，压力超过7.38 MPa）。据文献报道，在超临界CO2钻井过程中，一般井深超过750 m，CO2就会进入超临界状态［12］。而在压裂施工中，压裂层位的管柱内CO2流体压力比钻井时更高，更容易进入超临界状态。因此，在绝大部分压裂井段，CO2都已成为超临界流体，不需要额外的相态控制手段。在极其特殊的地层情况下（如非常浅的井段或者异常低温地层），可在井口加装CO2加热装置，帮助CO2达到超临界温度。

图5 超临界CO2 连续油管喷射压裂的原理示意图

超临界CO2喷砂射孔：压裂车组将CO2和磨料的混合物通过连续油管泵入到井筒中。CO2在井筒中下行的过程中，CO2的温度和压力都会逐渐升高，当温度和压力同时超过临界点时，CO2会从液态转变为超临界态。当超临界CO2到达喷射压裂装置，产生超临界CO2磨料射流，射穿套管和储层岩石，形成射孔孔眼。

超临界CO2压裂：循环洗井后，通过连续油管与环空同时泵入纯净的超临界CO2。由于超临界CO2射流具有较强的增压效果，孔眼内的滞止压力明显高于环空压力。超临界CO2扩散能力很强，在高压下将渗透进入地层孔隙和微裂缝，使地层破裂压力降低。最终，射孔孔眼内压力超过地层破裂压力，地层产生裂缝并延伸。最后用混砂车将支撑剂混入液态CO2，使支撑剂随CO2进入裂缝。

超临界CO2压裂流体是一种清洁压裂流体，因此作业后不需要返排，可以直接生产。如果压裂储层是页岩气藏、煤层气藏或稠油油藏，在生产前可以关闭环空和连续油管进行焖井，使CO2充分置换页岩气藏和煤层气藏中的吸附态甲烷，或使CO2与稠油充分作用，降低原油黏度，从而提高油气藏的采收率。

4.2 超临界CO2 连续油管喷射压裂优势

连续油管水力喷射分层压裂技术一次下管柱作业层数多，避免了炮弹射孔的压实效应，无需机械封隔，是一种有效的油气增产手段［17］，但也面临着严峻的挑战，如：连续油管内径小，流动摩阻大，导致井下水力能量不足；连续油管承压能力有限，限制了施工压力。

由于超临界CO2的独特性质，利用超临界CO2进行连续油管喷射压裂使得连续油管的优势得到有效发挥：首先，超临界CO2流体的黏度远小于常规压裂液，可显著减小连续油管中的流动摩阻，从而保证井下喷射压裂设备获得足够的水力能量；其次，由于超临界CO2射流的破岩门限压力低，孔内增压效果好，利用超临界CO2流体进行喷射压裂，可以在连续油管的承压条件下完成射孔和压裂作业；最重要的是，由于超临界CO2压裂流体是一种清洁压裂流体，施工后无需返排，缩短了作业周期，降低了成本，进一步发挥了连续油管技术高效、经济的特点。

综上，超临界CO2连续油管喷射压裂使超临界CO2喷射与连续油管压裂的技术优势都得到了有效发挥，非常适合于页岩气藏、煤层气藏、稠油油藏等非常规油气藏的压裂改造，有望成为未来非常规油气资源高效开发的新型压裂方法。

5 结论

（1）超临界CO2流体的黏度接近于气体、密度接近于液体，而且扩散系数较高、表面张力接近于0，吸附能力比甲烷更强，利用超临界CO2进行连续油管喷射压裂有望解决常规水力压裂技术无法解决的难题。

（2）超临界CO2射流比水射流的射孔能力更强，射流增压效果更好，可以在更低的施工压力下实现喷射射孔和压裂工艺，提高了压裂施工的安全性。

（3）利用超临界CO2作为压裂流体，不仅可以从根本上避免黏土膨胀、水锁等储层伤害的发生，而且还能凭借其独特的性质进一步提高增产效果，尤其适合页岩气藏、煤层气藏、稠油油藏等非常规油气藏的压裂改造。

（4）超临界CO2连续油管喷射压裂技术使超临界CO2喷射与连续油管压裂的技术优势得到有效发挥，进一步增强了连续油管压裂技术的适应性，有效拓宽了其作业范围。

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