煤层气田二氧化碳压裂适应性简介共47页

超临界干法co2压裂2010超临界干法CO2压裂技术在油气开采领域具有重要的应用价值。

本文将从超临界干法CO2压裂技术的原理、应用案例以及优势与挑战等方面进行论述，旨在对超临界干法CO2压裂技术有一个全面的了解。

一、超临界干法CO2压裂技术的原理超临界干法CO2压裂技术是利用高压CO2作为压裂液注入井下，通过CO2与岩石相互作用，形成裂缝从而提高油气网络流动能力的技术。

其原理是超临界CO2的优异性质和调控CO2参数能够改变CO2与岩石之间的相互作用强度。

超临界CO2的物理性质与水相比有很大的不同，主要体现在以下3个方面：（1） CO2达到临界状态时，其密度和粘度将骤增，可提供足够的力量对岩石施加压力。

（2） CO2在高压下具有较高的扩散速率和较小的表观粘度，可在岩石裂缝中快速扩散，加剧地层裂缝的发展。

（3）超临界CO2的溶解度会随着压力的变化而改变，从而影响CO2与岩石之间的相互作用。

二、超临界干法CO2压裂技术的应用案例超临界干法CO2压裂技术在实际油气开采过程中已经得到了广泛应用。

例如，美国3R油气田的开采利用了该技术，通过调控CO2参数和压力，成功地将CO2注入油层进行压裂，从而大幅度提高了油气产量。

此外，该技术还在世界各大油气田中得到了应用，如巴西的普雷萨盆地、挪威的海峡北海区等。

三、超临界干法CO2压裂技术的优势与挑战超临界干法CO2压裂技术相比传统水基压裂技术有以下优势：（1）减少水资源的消耗。

超临界干法CO2压裂技术不需要大量的水作为压裂液，降低了对水资源的依赖，有利于可持续发展。

（2）减少环境影响。

超临界干法CO2压裂技术不会产生废水和废液，并且减少了对地下水含量和水质的影响。

（3）提高油气产量。

超临界干法CO2压裂技术通过改变岩石裂缝的结构和增加油气的渗透性，使得油气能够更顺利地流动，从而提高了油气产量。

然而，超临界干法CO2压裂技术也面临一些挑战：（1）技术参数调控难度大。

超临界干法CO2压裂技术需要对CO2参数进行精确调控，以获得最佳的压裂效果，但这些参数之间有着相互依赖关系，调节起来较为困难。

里格气田现场试验成功。2014 年，延长油田在鄂尔多 斯盆地延长组长 7 层进行了 1 口页岩气井的二氧化碳 干法压裂试验，取得了圆满成功。
3 二氧化碳干法压裂增产机理及其技
术特点
3.1 二氧化碳干法压裂增产机理
二氧化碳干法压裂增产机理是： （1）压后增能作用。二氧化碳可压缩性的特点， 赋予它储存能量的能力。二氧化碳干法压裂除形成 具有一定导流能力的裂缝外，当二氧化碳进入储层 中，与原油接触，其升温后快速气化并溶解于原油中， 增加了溶解气驱的能量，使得举升液体能力显著提 高； （2）溶解降黏作用。当液态二氧化碳进入储层与 原油接触，其升温后与原油互溶，导致原油黏度的降 低； （3）置换作用。当液态二氧化碳与储层接触时， 由于二氧化碳分子相比于甲烷分子有更强的吸附能 力，可将甲烷置换出来，使甲烷从吸附态变成游离态， 从而提高采收率； （4）溶蚀作用。在压裂过程中当液态二氧化碳与 地层水接触，饱和二氧化碳的水 pH 值升至 4.5 以上 时，能与储层中存在的粘土矿物反应，且排液速度高， 可携带出大量固体颗粒及残留物，从而可以极大提高 裂缝的导流能力。
由于试验装备和技术的原因，国内二氧化碳干法 压裂技术的研究和现场试验起步较晚。从 2005 年开 始，长庆油田在低渗致密气藏上开展了 4 井次纯液态 二 氧 化 碳 干 法（不 加 砂）压 裂 ，取 得 了 初 步 的 认 识 。 2011 年川庆钻探公司工程技术研究院在苏里格气田 成功实施了国内第一口二氧化碳干法压裂现场试验； 2013 年 8 月国内第一口二氧化碳干法加砂压裂在苏
· 30 ·
新疆石油科技
2018 年第 1 期（第 28 卷）
二氧化碳干法压裂技术综述
张怀文① 周江 高燕
新疆油田公司工程技术研究院，834000 新疆克拉玛依

大小、利用测斜仪判断裂缝的形态和方向。
三
压裂工艺技术
3.1 煤层裂缝形态判别技术-测井资料处理方法
资料处理:利用韩城区块18口井、
共33层的声波测井资料，分析
解释了各井岩石力学参数，并 依据三向应力的相对大小关系，
分析了其裂缝形态
判断方法：比较三向应力相对 大小关系，如果垂向应力小于水 平最小应力，裂缝的形态就是水 平缝，反之为垂直缝
二
煤层基本认识
2.1 韩城区块基本地质特征
韩城区块主要发育3#、5#和11#煤层，其主要特征如下：
埋深(m) 3# 5# 11# 350-800 380-900 420-1000
厚度(m) 2.00 2.50 6.00
渗透率 (×10-3μm) 0.10-1.00 0.10-1.00 0.10-1.00
加砂
0.9
斜率为 -1/4 斜率为 -3/16 净上覆压力对数
加砂
1.2
0.7
log(净压力)
1.0
log(净压力)
0.5
裂缝正常延伸
0.8
水平缝(径向) 支撑剂堵塞
0.3
垂直缝(KGD)
0.6 1.2 1.7 2.2
log(时间)
0.1 2.7 3.2 1.0 1.5 2.0
log(时间)
2.5
3.0
解吸压力 (MPa) 1.30 1.48 2.50
含气量 (m3/t) 10.86 10.70 10.80
二
煤层基本认识
韩城区块煤样化验结果
2.2 煤层气压裂岩心实验-煤样化验分析
韩城区块煤层埋藏较浅，渗透率较低，含气量较高，经压裂后能获得较好 的产气量，有利于煤层气的勘探开发

裂技术仅靠单 一压裂主缝很 难取得 预期 的改造效果 。 因此 ， 有 人 提 出 了体 积 压裂 技术 。 体 积 压 裂 是 指 在 水 力 压 裂过 程 中 ， 使 天 然 裂 缝 不 断扩张和脆性 岩石产生剪切 滑移 ， 形成天然裂缝与人 工裂缝相互交错 的裂缝 网络 ， 从而增加改造体积 ， 提高 初始产量和最终采收率口 。国外 已将此技术成功用 于 页岩气 、 致 密砂 岩 气 以及 页岩 油 的 开发 。体 积 压 裂 技
于煤 层 气开发 中 。 由于煤 岩 与 页岩 特性 的不 同 ， 研 究体 积 压 裂技 术在 煤 层 气开采 中的适 应性 ， 对其 在 煤 层 气开采 中的应 用具 有 指 导 意义 。从 煤 岩 力 学性质 、 天然 裂缝 和 渗透 率 ３ 个方 面进 行 了分 析研 究， 得 出高杨 氏模 量 、 低 泊松 比、 脆性大、 天 然裂 缝发 育 、 低 渗 的 煤层 适合 进 行 体积 压 裂 ， 并 对进 一 步
理、 裂隙体 系 ， 且 由于煤 岩结构 的不均质性 ， 裂隙十分
发 育 。煤 岩 的渗 透率 比较 低 ， 一般 在 ０ ． ３ ～０ ． ５ ｍＤ， 并且 应 力 敏 感 性 大 。与 常规 砂 岩 相 比较 ， 煤 岩 的 弹 性模 量
较低 ， 泊 松 比较 高 ， 脆性 大 ， 易破 碎 ， 易受 压 缩 （ 表１ ） Ｃ ６ １ ｏ
和最 终 采 收率 。
类气体。它是一种高效 、 清洁 、 新型的能源 。 我 国煤 层 气 资 源 量 丰 富 ， 埋深浅 于 ２ ０ ０ ０ ｍ 的煤 层 气 资源量为 ３ ６ ． ８ １ ｘ ｌ Ｏ ｍ 。 ， 居世界第三位 。我国煤层气
储 层 由于 成煤 期 后 构造 破 坏 强烈 ， 构造 煤 发育 ， 渗透 率 普遍偏低 ， 且还有低孑 Ｌ 、 低 压 的 特 点 。针对 以 上 问题 ， 要想提高煤层气井产能 ， 煤 层 气 生产 井 一 般 需 要 进 行 水力 压 裂 ， 以便 形成 工 业 性气 流 。但 是 ， 常规 的水 力 压

（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选
★起泡及稳泡性能试验 ★压裂液耐温耐剪切性能评价试验 ★静态与动态滤失试验 ★动态模拟试验 ★粘弹性试验 ★支撑剂沉降试验 ★压裂液破胶与残渣性能试验 ★压裂液的表面化学特性与吸附特性试验
(3) CO2泡沫压裂液添加剂优选
• 起泡剂优选
80
70
FL-36
YPF-1
770
825
600
400
200 70
0 YPF-1
136.7 B-18
212 FL-36
起泡体积（ml） 半衰期（×0.1min）
不同起泡剂的起泡效率与稳泡特性（1.0%水溶液）
（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选
•稳泡剂的优选
起泡体积（m l） 半衰期（m in）
羟丙基瓜尔胶 水溶液浓度越大， 形成的泡沫半衰 期越长，也就是 泡沫越稳定；同 样也使得泡沫体
四:CO2泡沫压裂工艺技术
工艺技术特点 总体上CO2泡沫压裂特点表现为“一少、一低、一
快”。与常规水基压裂相比，入井液量少；对储层伤害 低；压后返排快。
中国 . 西安
CO2泡沫压裂工艺流程
在水力压裂的泵注过程中，采用CO2泵注车将液体CO2经过地面三通与冻胶液混合注入井 内。利用液态CO2与冻胶液的混合液进行加砂压裂施工。
60
B-18
50
时间(min)
40
30
20
Hale Waihona Puke 100050
100
150
200
250
不同起泡剂水溶析液水的量(泡ml沫) 稳定性对比
（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选 • 起泡剂优选
从起泡效 率和泡沫稳 定性对比看， FL-36起泡剂 性能最好， B-18和YPF-1 起泡剂性能 相当。

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增产技术显得十分重要。经过近几年的探索和研 究，我们认为利用CO2泡沫压裂工艺技术和CO2 吞吐工艺技术可以有效地改善煤层的原始结构， 提高煤层的有效渗透率，促进CH4的解吸，增加 煤层气井的产能。提高煤层气开发的经济和社会 效益。
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7
1. CO2的来源和基本的物理特性
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3
前言
煤层是一种特殊的富含有机质的岩层,它不仅固体 有机质含量高、多数煤层还吸附着丰富的CH4。 （甲烷气也称煤层气）当煤层原地条件被改变， 煤层压力降到解吸压力以下时，CH4将逐步脱离 煤体的吸附而在煤层的微孔隙、空隙和裂隙中遵 循一定的规律运移，从而成为能够被开发和利用 的天然气。
➢ （7）加强压裂后期管理，降低排采和作业对煤 层的伤害。
➢ （8）逐步研究和建立煤层气井产能评价方法。
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4. CO2增产技术的可行性研究
4.1 CO2吞吐工艺技术的可行性
CO2在低于临界温度和高于临界压力条件下，能够以 液体的状态用专用的泵注入煤层。泵注的排量、压力、 流体温度在一定范围内可调。进入煤层的CO2可能是 纯液体，也可能有一部分溶于地层水中。随着泵注量 的不断增加，CO2将沿煤层的孔隙和裂隙进入到煤层 的深部。由于CO2溶于水形成的水溶液呈弱酸性，且 具有较低的表面张力和界面张力，所以它具有一定的 溶蚀能力，可以解除部分精选矿ppt课物件 质的堵塞，有效防止粘23
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➢ （1）适合不同型煤层气井完井方法的优选
➢ （2）高效率低伤害压裂液的研究应用
➢ （3）高导流能力支撑裂缝的支撑剂及组合优选
➢ （4）应用现代设计软件优化施工设计

提
纲
一、CO2压裂技术特点及分类
二、国外CO2压裂技术发展现状 三、国内CO2压裂技术发展现状 四、胜利油田开展CO2压裂技术应用的准备情况
一、CO2压裂技术特点及分类
1、 CO2的物理性质
CO2的相态: 气态、液态、固态
三相点： 压力：0.518MPa 温度：-56.6 ℃ 临界点： 压力：7.38MPa 温度：31.06 ℃ 标准状态（0℃，0.101MPa）下： 1m3 CO2（液态）＝546标m3 CO2（气态）
2、 CO2泡沫压裂液体系
由液态CO2、原胶液和各种化学添加剂组成的液液两相混 合体系，形成以CO2为内相，水为外相的乳状液取代普通 压裂液。 在向井下注入过程中，随着温度的升高，达到31℃临界温
度以后，液态CO2开始汽化，形成以CO2为内相、含高分子
聚合物的水基压裂液为外相的气液两相分散体系。由于泡
6、 CO2压裂施工地面流程
储
砂车
泵车 泵车 泵车 增 压 泵 CO2泵车 N2泵车 CO2泵车 N2泵车 CO2泵车
液
混 砂 车
罐
泵车 泵车
泵车
CO2
CO2
至井口
罐
罐
提
纲
一、CO2压裂技术特点及分类
二、国外CO2压裂技术发展现状 三、国内CO2压裂技术发展现状 四、胜利油田开展CO2压裂技术应用的准备情况
2、 CO2压裂技术特点 ① 降低了进入油气层的液体量，同时依靠CO2增能助排 特性，提高排液速度和返排率，减少液体对油气层的 伤害而提高产量。 ② CO2压裂时混合液具有粘度高、携砂性能好的特点， 有利于提高施工排量和砂比。 ③ CO2溶解形成酸性液，能够有效抑制粘土膨胀。
④ CO2溶解性衍生的其它特点，如泡沫压裂液的界面张力

超临界二氧化碳压裂
超临界二氧化碳压裂，是一种新型的压裂技术。

它具有对环境的友好性，对裂缝的侵蚀较小，同时能够保证压裂效果的提高。

该技术逐渐被广泛应用于页岩气、煤层气等天然气开采中，为国家能源产业的发展带来新的机遇。

超临界二氧化碳是一种特殊的物质，当其处于临界条件下时，体积小、密度大、温度高，且具有极强的溶解能力。

在压裂作业中，超临界二氧化碳能够穿透岩石裂缝，与其中的油、气等有机物质迅速反应，加速产生压裂效果，从而提高了采收率。

与传统的水力压裂技术相比，超临界二氧化碳压裂具有以下几个优势：首先，这种技术对环境的影响很小，不需要大量用水，不会产生二氧化碳等污染物；其次，压裂液中含有的二氧化碳可以在岩石裂缝中形成气体泡沫，从而进一步增强压裂效果；最后，该技术适用于各种岩石类型，能够满足不同地质条件下的特定需求。

然而，超临界二氧化碳压裂技术的应用还存在一些问题。

例如，压裂液中的二氧化碳可能会泄漏到地表或大气中，对环境产生负面影响；此外，该技术对设备性能和操作要求较高，需要有资深的工程师和技术人才参与。

总的来说，超临界二氧化碳压裂技术是当前天然气开采领域中的一种创新技术。

通过进一步完善技术路线，优化操作流程，在确保安全的前提下，该技术有望持续发展，并为我国的能源产业做出贡献。

• 起泡剂优选
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 FL-36 YPF-1 B-18
ä (min) ª¼ Ê
不同起泡剂水溶液的泡沫稳定性对比 ö Ë Î ® Á ¿ (ml)
50
100
150
200
250
（3）CO2泡沫压裂液添加剂优选 • 起泡剂优选
从起泡效 率和泡沫稳 定性对比看， FL-36起泡剂 性能最好， B-18和YPF-1 起泡剂性能 相当。
三、CO2泡沫压裂液技术
(1) CO2泡沫压裂的优点
•为压后工作液返排提供了气体驱替作用。 •气态的CO2能控制液体滤失，提高压裂液效率。
•减少了水基压裂液的用液量。
•CO2 与水反应产生碳酸，有效地降低了系统的总 pH 值，降低了压 裂液对基质的伤害。 •降低了压裂液的表面张力，有助于压裂液的迅速反排等特点。
（2）CO2在井筒及地层中发泡条件分析
CO2运输和储存的条件下是-17℃温度和2.1MPa压力，压裂过程 中压力超出临界压力，只是在井筒泵入一定量的低温压裂液后温度较 低，无法满足CO2以气体的形态存在，也就是CO2与压裂液混合不具 备发泡条件而不能发泡。例如，假如压裂液和CO2混合的比例为1：1， 如果压裂液的温度为10℃，那么，压裂液和CO2混合后，混合液的温 度大大降低，显然，CO2压裂液在混合处不能发泡。但是由于地层温 度远高于地面温度，随着压裂液沿井筒进入地层，温度逐渐上升， CO2的温度可能高于30.6℃，这样CO2以气体的形态存在，也就是CO2 压裂液具备了能发泡的条件。
CO2泡沫压裂 特种设备
SS2000/IC330型CO2增压泵车
最大流量4.65m3/min 最大工作压力2.76MPa 最大压差0.69 MPa 最高转速350rpm，最高功率75KW

二、 二氧化碳致裂器技术介绍
1、二氧化碳致裂器
图例
二氧化碳致裂器结构示意图
致裂器主管
致裂器充气头
致裂器热源体
致裂器充气头
致裂器释放头
致裂器释泄能片（释放前）
致裂器释泄能片（释放后）
2、工作原理 将一定质量液态CO2充入致裂器主管。激发时将起爆装置连接到致裂器装置 上，通过电激励致裂器内的启动器使化学热反应器迅速放热给液态CO2，利用CO2 温度超过31℃时，无论压力多大液态CO2将在40毫秒内气化的物理特性和CO2从液 态变成气态时体积增加到原体积的600倍。当瞬间膨胀压力达到定压泄能片的屈 服压力时，泄能片破断，高压气体作用到钻孔壁，使周围材料破断，整个过程 在1秒内完成。
二氧化碳致裂器还有很多难题需要攻克， 期待有志于此的专家一起共同努力！
中煤科工集团工程科技有限公司
5、 CO2气体致裂过程是可控压力致裂，根据需要选定不同规格的致裂片，致裂安全管理 简单。不必考虑多装药问题，也不用考虑炮眼封堵长度、压力要求，可根据煤层致裂需求， 适当调节爆破压力，达到理想的预裂效果； 6、致裂震动比火药爆破小，不会产生破坏性震动，对上下巷和工作面支护不会产生破坏， 爆破时诱发煤与瓦斯突出可能性小，也不易破坏煤层引起突水事故； 7、抛煤距离短，不会崩倒支柱，有利于工作面顶板管理； 8、致裂器储存及运输过程中没有任何危险，管理容易，不会对社会造成危害； 9、不产生任何有毒气体（如火药爆破产生的对人体极其有害的CO、NO、NO2等气体）； 10、致裂过程产生粉尘少，不会造成粉尘飞扬；对井下作业人员的职业病防治、降低工 人发病率有积极作用，在安全高效的同时具有较高的环保效益； 11、躲炮距离短，致裂后可立即返回工作面； 12、在相同效果下比传统爆破布置炮眼少，可以减少爆破作业时间； 13、机理与火药爆破不同，从而使产炭块率提高30%-40%。在保护煤炭资源、提高资源利 用价值的同时，煤矿企业经济效益大幅增长； 14、使用成本低：该产品操作简单，操作人员少，低耗材、充填迅速、生产效率高； 15、利用CO2相较于CH4亲煤特性，在致裂的过程置换出一定数量的吸附CH4，更好地降低 煤体瓦斯赋存量。

二氧化碳泡沫压裂技术在苏里格气田的应用摘要：苏里格气田地层条件复杂、储层物性差、非均质性较强，水锁伤害严重、地层压力低。

二氧化碳泡沫压裂技术具有入井水冻胶量减少、滤失量小、压裂液体系pH 值较低、降低入井液界面张力、缩短了液体在地层中的滞留时间等特点，能够有效降低压裂液对储层的伤害，因此对苏里格气田具有较强的针对性和适用性。

针对苏里格气田低压、低渗、水锁伤害严重的特点，开展了二氧化碳泡沫压裂技术应用研究及现场试验。

通过对比分析苏里格气田二氧化碳泡沫压裂井和液氮伴注水力压裂邻井的压裂试气及生产情况，分析研究了二氧化碳泡沫压裂技术在苏里格气田的应用情况。

从对比结果来看，二氧化碳泡沫压裂技术能够提高压裂液返排率、缩短排液周期，提高气井生产能力、具有较好的稳产效果，能够有效的改善苏里格气田天然气井改造效果。

关键词：苏里格气田；二氧化碳泡沫压裂；水力压裂；产量目录1苏里格气田储层压裂改造地质特征概况 (3)2二氧化碳泡沫压裂在苏里格气田的适应性 (3)3长庆二氧化碳泡沫压裂研究成果 (2)3.1二氧化碳泡沫压裂设计优化 (2)3.2二氧化碳泡沫压裂液体系研究 (3)4二氧化碳泡沫压裂在苏里格气田的应用情况 (3)5苏里格气田二氧化碳泡沫压裂工艺应用效果 (5)5.1压后液体返排情况分析 (6)5.2压后试气情况分析 (7)5.3压后生产情况分析 (8)5.3.1日产气量对比情况分析 (8)5.3.2单位压降下累计产气量对比情况分析 (10)5.3.3采气指数对比情况分析 (11)5.3.4压后生产情况分析小结 (13)6下一步设想及思路 (13)1苏里格气田储层压裂改造地质特征概况苏里格气田储层物性差，岩心分析结果表明：盒8储层孔隙度为3.0-21.8%,平均8.95%。

渗透率在0.0148-561×10-3μm2之间,平均0.73×10-3μm2,主要分布范围0.1-0.9×10-3μm2。