超临界二氧化碳在非常规油气藏开发中的应用

张 驰，陈 航

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

近年来，我国所发现的油气资源每年都在不断的增长，但是其中有70 %～80 %都是非常规油气藏。在开发非常规油气藏的过程中，主要有以下三个难点：（1）低渗的油气藏坚硬、难钻，渗透率很低。（2）低渗气藏或者非常规天然气藏，空置率一般在50 %左右，渗透率极低。低渗率导致在钻井的过程中储层损害严重，而且其恢复过程也不像常规中、高渗透气藏，对开采流程提出了严格要求。（3）低渗气藏的丰度低，单井产量低，采收率低，开采周期长。国内外很多油田采用超临界二氧化碳技术很好的解决了这些难点，为今后非常规油气藏的开采找到了一种切实可行的方法。

1 超临界二氧化碳的性质

在标准状况下，二氧化碳为无色无味的气体，其水溶性呈弱酸性。二氧化碳气体不能燃烧但易被液化[1]。二氧化碳的临界点为31.1 ℃、7.38 MPa。当温度和压力大于临界点温度和压力时，二氧化碳达到超临界状态。

超临界二氧化碳具有许多不同于气体也不同于液体的独特性质：随着温度和压力逐渐升高，二氧化碳从气态变为液态，同时密度也逐渐增加；当温度和压力高于临界点后，呈现为超临界状态（见图1）。其最大密度可达1 200 kg/m3。随着相态的变化，二氧化碳气体的粘度变化范围也较大，总体介于液态和气态之间。在超临界条件下，其扩散系数为液体的100 倍，因而具有很强的溶解能力。除此之外，超临界二氧化碳还具有良好的传热、传递性能，表面张力为0，可以进入到任何大于超临界二氧化碳分子的空间[2]。

图1 二氧化碳相态图

2 超临界二氧化碳技术研究现状及应用

2.1 超临界二氧化碳钻井技术

超临界二氧化碳钻井技术适用用于一些特殊的油气藏，如非常规油气藏、压力衰竭型油气藏等，并且多配合连续管技术使用在钻井施工中；现超临界二氧化碳钻井流体已在国外油田二次开发的侧钻井中成功应用。

超临界二氧化碳钻井液的优势主要有以下几个方面：（1）超临界二氧化碳与液体类似的较高密度特性既能为连续管井底动力钻具提供推动力。又有利于射流破岩；（2）国外研究发现超临界二氧化碳射流相比于水射流而言，其破岩深度深、破碎范围更大而且破岩的门限压力较低，能够获得更好的破岩效果[3]；（3）超临界二氧化碳能有效的清洁钻头，同时经过钻头水眼后所产生的焦耳－汤姆逊温度效应使钻头得到充分的冷却，二者协同作用大大延长了钻头的使用寿命[4]；（4）超临界二氧化碳所具有低粘度，易实现井底紊流状态，具有优良的井眼清洁能力；（5）当超临界二氧化碳经过钻头喷嘴，进入环空并上升后，由于压力和温度的变化，超临界二氧化碳可相变为气相，从而维持较低的井底压力和较低的循环压耗，易实现控制压力钻井；（6）无固相可以很好的保护储层，实现对储层的低伤害[5]。除此以外，二氧化碳还具有环保、来源广、成本低等优势。

我国已对超临界二氧化碳钻井技术展开了初步的研究。李良川等人通过数模及物模实验研究了二氧化碳钻井流体的携岩特性，研究表明：当温度和井斜不变时，随着压力增加，二氧化碳携岩能力增加。当压力和井斜不变时，随着温度增加，二氧化碳携岩能力降低[6]。邱正松等人建立了考虑井筒流体与地层换热对井筒流体温度影响的井筒传热模型，根据能量守恒原理，推导出了井筒流体温度计算模型，并考虑到钻井过程中可能钻遇水层的情况，对该计算模型进行了修正；利用有限元方法，推导出了井筒内二氧化碳钻井流体的压力计算公式[7]。类似的基础研究为我国超临界二氧化碳钻井技术的深入研究提供了理论支撑。

2.2 超临界二氧化碳压裂技术

在超临界二氧化碳钻井技术中，了解到超临界二氧化碳作为入井液所具有的独特的优势。但是在运用到压裂技术中，超临界二氧化碳还面临着粘度太低的问题，粘度太低意味着超临界二氧化碳压裂液体系携岩能力不强、造缝能力不足，给现场施工带来困难。

国外采用超临界二氧化碳泡沫的方法进行压裂施工，通过在超临界二氧化碳中加入发泡剂，形成氮气泡沫，既增加了压裂液体系的粘度同时保持了二氧化碳的非破坏性[8]。超临界二氧化碳/氮气泡沫压裂体系主要具备以下几个优势：（1）粘度高：氮气泡沫的产生有效的提高了压裂液体系的粘度，有利于产生裂缝；（2）低伤害：支撑剂泵入地层中不加其他携砂液、增黏剂或其他化学物质，可以消除毛管力引起的流体滞留和黏土膨胀现象，不会引起地层伤害；（3）易返排：与常规压裂相比，其返排时间短且返排时占用的设备费用相对较低[9]；（4）残渣少：压裂施工过后，储层中的超临界二氧化碳由于热量交换气化成气态快速返排到地面，大大减少了压裂液残渣的存在。

我国超临界二氧化碳压裂的研究还处于起步阶段，相关的研究报道较少。近年来，随着国内对页岩气开采的不断重视，超临界二氧化碳流动性强，可以进入很小的孔隙置换和驱替油藏中吸附气的特点，使超临界二氧化碳压裂展现出很好的发展前景，成为国内压裂研究的热点。

2.3 超临界二氧化碳混相驱油

二氧化碳混相驱技术由于其具有降低原油粘度、实现混相驱、萃取原油中的轻质烃等作用，在国内外的油气开采中得到了广泛的运用[10]。在生产过程中，可以利用二氧化碳易于达到超临界状态的特点实现超临界二氧化碳混相驱油。超临界二氧化碳驱油不仅具有二氧化碳驱油的优势，还具备超临界流体的特点。超临界时溶质溶解度增加有利于提高总的传质速率，而油层的结构有利于增加内扩散与外扩散，使二氧化碳与原油增加接触机会而易于混相。

国内近年来也对此展开了初步的研究，李孟涛等人针对大庆榆林树油田原油组分性质展开了超临界二氧化碳混相驱油机理研究[11]，研究发现：（1）超临界状态的二氧化碳可以降低所波及油水的界面张力；（2）原油中C20以下成份越高，越易达到最小混相压力；（3）水气交替注入时，水对混相有不利的影响。调整注入气体的段塞易于形成混相，从而可以提高原油采收率。

2.4 超临界二氧化碳开采煤层气

我国的煤层普遍属于低渗透性煤层，瓦斯采收率非常低。超临界流体萃取技术是一种新兴的工业技术，通过向煤层中注入超临界二氧化碳，超临界二氧化碳溶解能力强的特点能够溶解煤基质中部分有机质，如酯、醚、内酯类、环氧化合物等，从而有效扩增了煤体孔隙、裂隙，提高煤体渗透性，使得甲烷能够更加顺畅的流出，有利于煤层瓦斯解吸，提高煤层气产量[12]。

国内针对超临界二氧化碳开采煤层气的机理展开了进一步的研究，马志宏等人通过物模实验进一步研究了超临界二氧化碳驱替煤层气过程中压力及温度对驱替过程的影响[13]；崔永君等人研究了不同煤级对二氧化碳的吸附量[14]。在各项理论研究的基础上，超临界二氧化碳技术开采煤层气现已在我国得到了广泛的运用，提高了瓦斯的采收率，提高了油田的经济效益。

3 超临界二氧化碳技术的展望

我国针对超临界二氧化碳相关技术已经进行了大量的理论研究，但是还未能大规模投入到现场的施工中去。主要面临着以下问题：

（1）超临界二氧化碳由超临界状态转换为气态的过程极短，体积急剧膨胀，容易产生事故，在钻井作业时需要采用专门的井控装备。

（2）由于二氧化碳水溶液呈酸性，会对设备造成严重的腐蚀。

（3）超临界二氧化碳施工需要严格控制温度、压力，对设施要求较高，增加了现场施工作业的成本。

（4）二氧化碳是温室气体，现场施工需要专门的设备进行回收或处理，增加了成本。

超临界二氧化碳在开采页岩气、煤层气和在节能环保中所展现的巨大优势吸引了大量学者对此展开研究。如何借鉴国外成功经验，并且在现场的施工中解决上述问题将成为未来超临界二氧化碳开发非常规油气藏的研究重点。

4 结语

（1）国外不少油田采用超临界二氧化碳相关技术现场施工取得成功，为我国非常规油气藏的开发提供了一种新的思路。

（2）我国对超临界二氧化碳在钻井、压裂、混相驱油以及驱替煤层气等方面的应用展开了理论研究，并将不少技术投入到现场试验中去，取得了很好的效果。为今后对超临界二氧化碳进一步的研究以及现场运用提供了理论支撑。

（3）超临界二氧化碳在开发非常规油气藏方面展现出了特有的优势，但是现阶段运用于现场施工还是会面临着许多问题。如何解决这些问题，使超临界二氧化碳得到更为广泛的运用，将成为我国石油工作者今后研究的重点。

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