煤层气井液态CO2高压泵注技术应用前景分析

杨攀，崔玉环，王佳，王国玲，史红玲

（北京奥瑞安能源技术开发有限公司，北京 100190）

0 引言

《中国天然气发展报告2021》数据显示2020年，全国天然气产量1925亿立方米，其中煤层气产量67亿立方米，占比仅3.48%。而我国埋深2000米以浅煤层气可采资源量就超过10万亿立方。但是全国煤层气资源动用率不足1%，工程成功率不足60%，产能转化率不足50%。煤层气产量和资源量并不匹配。煤层气的开采不同于常规油气，需要进行新工艺新技术的尝试[1]。

2020年9月22日，国家主席习近平提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”“双碳”目标的提出，也给能源生产行业提出了更高的技术要求和更紧迫的时间要求。要实现碳中和，单纯的减排措施远远不够，应该在减排的同时增加增汇途径来减轻减排的压力，即研发负排放的方法与途径。2019年美国国家科学院、美国国家工程院和美国国家医学科学院联合发表了《负排放技术与可靠的碳封存：研究议程》。负排放是实现碳中和的必由之路。按照当前的碳排放走势看，在我国实现碳达峰时碳排放量将约为113亿吨/年。据估计，即便充分利用了替代能源，中国达峰后每年仍有巨大的负排放缺口。因此，要实现碳中和目标，必须同时采取减排和增汇措施[2]。

煤层具有良好的吸附作用，特别是对CO2的吸附能力较强。在煤层气开采增产过程中可以同时实施的CO2封存技术应当进行重点突破。我国从2004年开始在沁水盆地开展CO2注入微型先导性试验以及深部煤层的单井吞吐试验，初步证实了CO2注入可提高煤层气井甲烷采收率及CO2有效封存。

而国内科研机构的多个室内实验也证实液态CO2有利于煤层破岩和煤层复杂裂缝的形成，液态CO2具有明显的煤层气增产效果，并且能够提高采收率。对于技术应用来说亟需进行煤层气增产和CO2封存协同的新技术现场工程试验。所以本文提出了煤层气液态CO2高压泵注压裂技术。

1 煤层气CO2压裂工艺分类

采用CO2作为压裂液介质的压裂都可以叫CO2压裂。在煤层气的压裂过程中采用液态CO2作为介质实施压裂增产，能够在煤层基质中形成更复杂的裂缝网格，跟煤层中的CH4形成竞争吸附，从而提高煤层CH4采收率和产出速度。总结前人CO2压裂工艺应用情况，大致把CO2压裂工艺分为三大类，分类和工艺特点 如下：

（1）CO2泡沫压裂技术、CO2+N2二元泡沫压裂技术，CO2和辅助气体介质都是气态。

CO2泡沫质量52%～96%为CO2泡沫压裂，此时混合压裂液具有泡沫压裂液的性能，相比常规水基压裂液，有效提高携砂性能并且可以极大降低液体滤失。可以节省压裂用水和压裂液中使用的化学剂，另外还可以提高返排液排出效率。

CO2+N2二元泡沫压裂是在压裂过程中同时使用气态的CO2和N2，性能和CO2泡沫压裂类似。因为CO2相态变化更为复杂，所以CO2+N2二元泡沫压裂液体性能更稳定。但是现场施工设备需求和施工流程的复杂程度更高。所以此种工艺并未广泛应用。

（2）CO2增能压裂（前置液态CO2压裂）技术和纯液态CO2干法压裂技术：CO2为纯液态。

纯液态CO2增能压裂，是采用大排量将液态CO2先注入地层，然后再进行常规水基压裂。利用液态CO2极低的粘度和界面张力、流动性强的特性，在储层中形成复杂裂缝网络。然后通过常规压裂液把液态CO2推送到距离井筒较远的储层深部，实现对储层流体的稀释和置换。利用CO2气化后增加地层能量，实现快速高效返排、补充煤储层能量[3]。

纯液态CO2增能压裂可以快速大量地注入CO2到煤层深部，形成复杂裂缝网络，可以有效实现CO2大量封存和有效增产的双重目的。施工难度较低、应用成本较低，是未来煤层气压裂可以尝试应用推广的工艺。

纯液态CO2干法压裂，利用液态CO2作为携砂液进行压裂施工。需要特制的密闭混砂车，因为液态CO2粘度较低，可以实现的砂浓度较低，不能满足煤层气的要求。需要再额外加入CO2增稠剂。

（3）液态CO2+N2压裂技术（N2为气态）：CO2为纯液态，辅助气体为气态。

这种复合工艺是在液态CO2中添加一定比例的氮气的工艺技术，液态CO2与支撑剂混合后经过压裂泵车加压，然后和N2混合，氮气的比例为50%～70%。与纯液态CO2压裂的增产效果类似，可以有效减少液态CO2的使用量，从而成本较低。另外混合液体粘度和携砂性能得到很大提升，同时又是无水压裂，适用于水敏性强的煤层。

2 煤层气井液态CO2高压泵注技术可行性

煤层气井液态CO2高压泵注技术就是：以突破煤层破裂的注入速度快速注入大量液态CO2，液态CO2具有低的粘度和界面张力、流动性强，高压注入过程中易于流入煤层中的割理或天然微裂缝中，从而更好地连通储集层中的割理或天然微裂缝，形成复杂裂缝网络，大体积地深度改造煤层。并且把液态CO2推送到距离井筒较远的煤层深部或者通过关井扩散使CO2有效运移到煤层深部从而实现CO2在煤层中的吸附并且对CH4实现置换的工艺技术。可以是纯液态CO2高压泵注，也可以作为压裂液注入前的预前置液注入煤层。

压裂时CO2介质为液态，属于CO2压裂工艺种类的第二大类。

既然是结合煤层气增产和CO2封存的新技术，在实现煤层气增产的基础上还需要实现CO2的有效封存。在“双碳”目标下CO2封存技术还需要有大量和快速处理CO2的特点。

（1）液态CO2煤层气增产有效性

室内试验证明，在相同地应力和注入排量下CO2压裂原煤形成的裂缝与水力压裂相比，形成了更复杂的多级裂缝。而对于煤层气压裂增产来说，更复杂的裂缝可以增加煤层的改造体积，增加煤层基质的改造强度和改造范围。增大煤层的增产改造效果。

CO2与CH4分子相比，具有更强的极性，更容易与煤岩中的极性官能团结合，煤层对CO2的吸附能力大于CH4，在相同储层条件下CO2更容易吸附在煤层，从而增加CH4的解吸效率（解吸速度和解吸程度都大大增加）。沁水盆地前期研究表明通过注入CO2煤层气的采收率可以提高20%～83%。

（2）CO2在煤层中的封存有效性

CO2在煤层中的封存有四种模式，吸附封存、溶解封存、矿化封存、静态封存。煤层气生产过程主要依靠排水降压，经过长时间生产后，井筒周围的储层压力较低，并且在煤层气产量较好的区域通常裂缝系统较发育，在煤层气开发中同时要实现CO2封存依靠常规静态封存不容易实现，主要依靠吸附封存。现场试验工程已经证明CO2的短期置换和长期吸附封存有效性。

（3）煤层气液态CO2高压泵注对CO2负排放处理能力及经济性

煤层气液态CO2是在煤储层破裂的情况下注入液态CO2，注入速率与煤层气正常压裂泵注的排量相当或者略小于压裂泵注速率，从而实现快速注入的目的，注入速度可以达到3～8m3/min，单段注入量200m3～400m3，假设使用该工艺的每年压裂段数仅按照5000段计算，则年处理液态CO2100万-200万吨（压裂泵注工况下液态CO2密度近似按照1g/cm3计算）。这只是煤层气井压裂很小一部分应用，根据煤层气井压裂层数和单段注入增加，不久的未来就能实现千万吨级别的CO2年封存能力[4]。

通过工艺的优化，与常规压裂相比不需要额外的设备，仅增加液态CO2费用和运输费用，目前液态CO2加运输费用价格约800元/吨。目前欧洲碳排放权交易价格约为50欧元/吨，国内也已经突破50元/吨。同时液态CO2注入可以减少常规压裂液的用量约200m3/段，抵消后每层压裂施工成本仅增加10%左右，而采收率增加约30%，具备相当的经济效益。并且随着液态CO2价格逐年下降，碳排放权交易价格逐年上涨，经济优势会越来越大。

3 煤层气井液态CO2高压泵注设计和施工分析

煤层气井液态CO2高压泵注与普通活性水压裂设计和施工类似，但是因为有液态CO2的加入，在工程上也具有明显的特性，具体分析如下：

（1）CO2注入排量的确定

要提高CO2的注入效率和预前置液的破岩效果需要以超过地层破裂压力的注入速率进行施工。所以在施工前首先要确定煤层的破裂压力（一般通过测试和区域分析确定），以及对应破裂压力的排量确定为注入的最小排量；另外，为了保证CO2的有效封存和煤层改造的有效性，在压裂过程中不能突破煤层顶板，确定突破顶板的排量为最大排量（一般通过裂缝模型数值模拟确定）。设计的CO2注入排量需介于两者之间。

（2）注入过程液态CO2相态变化分析

CO2临界温度为31.2℃，临界压力为7.38MPa。超临界态二氧化碳密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，在煤层中有更强的穿透性。但是煤层气井的储层压力和温度一般较低，目前压裂的大部分煤层气井很难实现超临界态压裂。煤层气液态CO2高压泵注施工过程相态变化如图1所示：

1：CO2储液罐（液态）—2：CO2增压泵（液态）—3压裂泵车（液态）—4煤储层（液态）—5返排（液态变为气态）。

（3）压裂设备及地面流程配套要求

①液态CO2具有极低的温度（储罐温度-28.9℃），在经过增压泵以后也接近-20℃，所以在以液态CO2为介质进行的压裂泵注中，需要对液态CO2接触部件进行排查优化，更换为耐低温耐腐蚀件，主要是压裂泵车的低压空气包、泵配件，以及橡胶密封件等；②CO2气化后在空气中流动性较差，需要配备鼓风设备；③液态CO2施工安全风险较高，在施工流程中管线应平直，尽量减少下垂弯曲避免流速不畅[5]。

（4）施工程序特殊性

液态CO2在流经高温部分会发生气化，气化过程会吸收热量，如果有水存在会造成结冰，所以需要避免冰堵发生，施工前井筒需要进行防冻预处理；现场注入系统按顺序进行冷却后再进行泵注作业CO2液灌冷却—增压泵冷却—高压注入系统冷却。

充分利用液态CO2能量形成复杂缝网，同时有效置换CH4，使CO2在煤层中形成充分吸附，需要在高压泵注液态CO2后有足够的闷井时间。

4 煤层气井液态CO2高压泵注试验条件分析

（1）配套设备条件：1997年吉林油田引进我国第一台CO2压裂设备，到目前为止国内已经能自主生产液态CO2压裂设备，包括专用的增压设备和带压混砂设备也已经自主生产并且进行了现场试验。而与液态CO2压裂配套的低温配件及工具生产也已经成熟，工程技术具备市场化条件。

（2）2005年开始实施纯液态CO2压裂，2013年国内完成第一口纯液态CO2干法加砂压裂，2007年国内煤层气首次进行CO2泡沫压裂。截至目前液态CO2的工艺在国内常规油气和页岩气中的运用已经非常成熟。工程施工经验已经非常成熟，具备在煤层气应用的条件。

（3）煤层气液态CO2注入仅进行了小规模注入试验，采用和正常压裂排量相同的快速泵注的技术认识仅停留在理论和实验室阶段，需要现场试验结果来验证研究成果[6-8]。

5 结语

（1）从机理和现场试验证明煤层气储层具有强吸附能力，在低压力条件下能够有效吸附CO2，可以实现CO2的有效封存并且可以提高CH4采收率。实验室证实液态CO2可以增加煤层压裂裂缝的复杂程度。

（2）煤层气液态CO2高压泵注技术有别于煤层气常规压裂，需要根据其特点进行设计和施工，后续需要结合实际施工反馈优化技术措施。

（3）煤层气需要突破性增产新技术，“双碳目标”下CO2快速高效封存技术的需求迫切，而液态CO2高压泵注技术具备现场实施条件，并且应用前景较好。