二氧化碳干法压裂发展现状及难点问题分析

＊刘广春

（川庆钻探长庆井下技术作业公司 陕西 712000）

1.C02干法压裂介绍

C02干法压裂以纯液态C02为压裂液，以人造陶粒为支撑剂，压裂过程中由液态C02携带支撑剂进入地层，井底温度升高后，液态C02气化，从地层中返排出来，支撑剂留在地层中形成一条具有高导流能力的支撑裂缝。

C02干法压裂技术的优点：

（1）采用无液相压裂技术，避免了水敏、水锁伤害的发生；

（2）无残渣，避免了储层渗透率伤害及支撑剂渗透率伤害；

（3）具有很好的增能作用，压后不需要进行油吸作业，有利于低压井压后的迅速返排。

2.C02压裂技术发展现状

该技术在我国目前还处于试验阶段：2010年，由我公司组织的国内第一口该工艺油井试验井胡X井的施工填补了国内该工艺技术的空白；2013年由我公司组织施工的我国第一口天然气井C02干法加砂压裂在长庆苏里格气田获得成功；2014年9月份吉林油田与烟台杰瑞集团联合研发对高凝油井“黑X井”进行了C02干法压裂，这是目前我国第一次应用自主研发的大容量密闭混砂车和液态C02压裂液体系进行规模加砂压裂技术试验。2016年我公司组织施工了低致密低渗透砂岩气藏“神X井”和延长页岩气井“云页X井”，分别加砂9.6m3和10.0m3，相继刷新了国内C02干法压裂加砂记录。2017年我公司又在长庆油田完成演X和双X井干法压裂，最大砂比达到30%，最大排量达6m3/min，最大加砂量30m3，改造规模与常规压裂相当，施工能力处于国内领先水平。

3.C02压裂技术应用难点及问题分析

(1)液态C02摩擦阻力大

液态C02是牛顿流体，摩擦阻力较高，其在管柱中流动的摩阻压降遵循Fanning公式：dpf=2ρfµ2Dl/D摩擦因子F由流速和管柱的粗糙程度决定。

图1为不同管径油管摩阻大小与排量的关系，可以看出：随着排量的增加，摩阻迅速增大，当排量提升到7.0m3/min时，摩阻已高达48MPa/1000m。

图1 为不同管径油管摩阻大小与排量的关系

在压裂过程中，压裂液的摩阻直接关系到施工的成败，对确定合理的施工压力，选取适当的压裂管柱有着重要的意义。

在液态C02中添加减阻剂。不过截止到目前适用于液态C02的高效减阻剂未见报道。水溶液中常用的超高分子量聚合物减阻剂并不能对液态C02有效减阻，C02泡沫压裂液常用的减阻剂也并不适用于纯液态C02。因此有必要对液态C02的高效减阻剂进行进一步的研究。

(2)液态C02粘度低、携砂能力差

在压裂施工条件下液态C02粘度仅为0.02～0.16mPa·s，由于液态C02的低粘度，悬砂能力差，滤失量大，不利于压裂造缝是导致加砂量得不到提高的主要原因。

提高液态C02粘度的方法可以在液态C02中添加提粘剂，国外主要采用表面活性剂和氮气协同提粘，关键产品成本较高，我们是通过分子模拟技术，开发了一种油溶性聚合物C02粘剂（TNJ），不溶于水也不溶于油，粘度约为 20～30Pa·s。

图2 C02液体粘度与TNJ加量曲线

所以解决方向就是选用一种小粒径、低密度、高强度支撑剂来达到低粘携砂液的要求。在云页X井干法压裂中，就采用超低浓度的支撑剂，虽然没有添加提粘剂，但是携砂能力非常好，达到了预期要求。

(3)现场冷泵过程中的排空

图3 C02压裂现场布局图

上图是现场C02干法压裂平面图：连接管线是将C02槽车并联，并依次与C02增压泵车、密闭混砂罐、压裂泵车、井口装置联通。由于液态C02在现场地面中的压力和温度是在C02压力大于0.5Mpa，所以在这个阶段C02是能够气液共存的。如果液态C02在地面管线流动过程中吸收热量或者压力降低使其气化，那么气体进入主压车泵腔中就会导致主压车走空泵，冷泵失败。

目前C02压裂冷泵方式是外循环冷泵为主，具体操作流程：

①地面液态C02冲压后，打开槽车液相阀门、关闭气相阀门；

②打开增压泵气液分离罐上三个液位阀及密闭混砂器进液至正常液位；

③启动增压泵、关闭井口旋塞、打开截流泄压旋塞；

④逐台启动压裂车控制压力在10MPa用液态C02冷却泵车及地面管线；

⑤待排量正常，泵体与地面管线结霜后，停泵，打开井口主闸门进行正式压裂。

在增压泵撬排出端至密闭混砂罐吸入端管线连接方面：管线的最远端必须有管线连接，确保管线中所有部位的液体一直处于流动状态，这样即使有部分液体气化也能够及时排出。

在进行上述第五步操作的时候，从停泵到打开井口的时间必须短，避免液体气化。其次在外循环时候由于是先停主压车后关该主压车后面的放空旋塞，所以在这个阶段压力会相应的降低，液体会进行气化，以至于在压裂过程中会出现主压车走空泵的现象。

鉴于此，在米X井施工过程中，我们采用内循环方式冷却地面管线及设备。

内循环就是冷泵循环过程的管线是一个回路。即在高压管线末端连接1～2根低压管线，中间用旋塞控制，低压管线另一端连接到增压泵撬吸入端，通过增压泵撬分离罐进行气液分离。内循环的优势是中途不需要停泵，缺点是6台主压车所有的液体全部回流到增压撬中的分离罐中，分离罐气液分离不充分。因此，如何安全方便有效的进行气体排空是该工艺压裂的一大现场难点。

4.结论

由C02的相态图我们能够看出C02液体的物性对于温度及压力的影响比较大，那么在现场施工中，由于我们无法控制温度，那么我们只能控制它的压力；因此在液态C02进入地面流程前和压裂结束泄压过程中，我们都需要用气相进行全程替换，确保压力维持在0.5MPa以上，如果一旦管线中间一部分压降太快结干冰，就会形成局部的高压，对人及设备都有较大的危害。