沈忠厚的超临界二氧化碳压裂技术整理

“超临界二氧化碳开发非常规油气藏钻完井技术研究”(沈忠厚的超临界二氧化碳压裂技术发言整理:潘存焕)(2012年8月,西安，贡献给大家共享) “2012国际石油产业高峰论坛”于2012年3月19日在北京举行,下面是中国石油大学教授、中国工程院院士沈忠厚的发言: 各位领导、各位专家、各位来宾早上好。

今天我报告的题目是“超临界二氧化碳开发非常规油气藏钻完井技术研究”。

下面就四个问题跟大家汇报。

第一个问题绪论：为什么我们要研究这个问题？大家知道我们国家现在重新发现整装大庆、胜利、辽河这样整装大型油田的机会不会太多，这是世界上所有地质家公认的。

我们现在进军深海，将来可能在南海深海部分找到整装的油田，这是将来我们的主战场之一。

其次，就是注意我们近10年来所发现的天然气资源。

每一年有4亿到5亿吨储量的增长，但基本上70、80%都是低渗特低渗油气藏，这是一个很大的特点。

在近期发现的油气资源里面，天然气的资源非常丰富。

特别是非常规天然气，包括页岩气，煤层气还有致密天然气等等。

大家知道我们的常规天然气资源是非常宝贵的。

且目前的产量距离我们现在需要，是远远不够的。

最近几年来我们地质家在非常规天然气上，做了大量的工作。

我们现在已经查明的致密气、页岩气、煤层气的储量远比我们常规的天然气储量要大得多。

至少从目前资源量来看，不完全的统计，至少要大3到4倍到5倍。

而且，还会继续增长。

估计在今后50年，甚至100年我们在天然气上会主要依靠非常规的天然气资源。

现实告诉我们，我们今后的主战场第一个是低渗透气藏，第二个是非常规天然气资源。

所以，这是我们今后的两大主战场。

第二个问题：开发低渗油藏，再开发非常规油气藏，遇到的主要问题什么？主要是三个问题：第一个问题，所有的低渗油藏都非常坚硬，难钻。

还有一部分不是很难钻，比如页岩层，但它的渗透率很低是最大的困难。

钻井工程花费了我们大量的时间，整个开发的估计成本有70、80%花在钻井上。

这样下来我们的效益非常低。

第二个最大的问题，这种低渗气藏，或者非常规天然气藏，空置率一般在50%左右，因为它的渗透率极低。

这么低的渗透率，在钻井的过程里面极容易受到伤害，要把他恢复过来，不像我们常规中的高渗透气藏，这完全不一样。

我们钻井的人员，和我们搞开发的人员要注意，我们原来在开发常规气藏的技术，在进入20世纪以后，从现在开始，后面要开发这样一些资源，不管钻井也好，产油也好，流程也好，都要发生极大的变化。

很多技术都有不同程度的不适应，有的时候完全不适应，有的时候部分不适应。

因此，在这么一个情况下，我们就要寻找新的技术。

第三个问题，就是丰度低，单井产量低，采收率低，开采周期长。

每口井的产量并不高，且采收率低。

美国现在开发非常规的天然气这个部分，采收率究竟多高？我们好象没有看到比较确切的数据，总的来讲比我们现在常规的油气藏采收率要低。

因此，在这样的情况下怎么办？这就提出了一个新的问题，我们不能用常规的办法来钻井，开采，必须寻找新的开采或者开发技术，包括从钻井开始。

第三个问题：用超临界二氧化碳来开发非常规油气资源是近期可以走通，可以转变成生产力的一种新技术。

中国石油大学（北京）和中国石油大学（华东），经过4年到5年的初步探索和一系列的初步实验，我们现在可以跟大家说：很有可能并可走的路径，而且近期可以走通，可以转变成生产力的一种钻井或者开发方案，是用超临界二氧化碳来开发非常规油气源。

（一）超临界二氧化碳流体的物理特性。

大家看一下这个图，这是一个超临界二氧化碳相图，上面有两个点，有一个三相点，第二个点是临界点。

三相点指出了二氧化碳什么温度压力下是固体，是气体，还是液体；第二个就是临界点，关键问题在临界点上。

我们把二氧化碳的温度增加到31.1度，压力加到7.300兆瓦，在超临界状况下，二氧化碳密度接近于流体，黏度相当于气体。

黏度很低就易于流动，这对我们搞钻井搞采油人是一个很大优势。

大家看一下这个表：中间这一行就是超临界流体，密度是0.2到0.9；黏度是0.03到0.1，黏度接近于气体（气体是0.02）。

它的扩散性系数大于液体，而密度接近于液体。

这有什么好处？带来两个好处，密度相当于液体就可以提供必要的很大的开发油气的功率，可以带动底下的井底马达旋转。

这种超临界的二氧化碳具有四个特点：第一，密度接近于液体，第二，黏度接近于气体，第三，扩散系数大于液体，第四，表面张力接近于零。

这个超临界二氧化碳可以进入到母岩，不管是什么岩石，只要它的空间大于二氧化碳的分子，比分子大，这个二氧化碳就很容易钻进去。

越小的时候进的越快。

说明这个超临界二氧化碳打进去以后，不用加多大的力量，它就成为了一个无孔不入，很快深入到你的孔隙里面去的东西。

这种性质决定了该项技术具有钻速高、地层不受损害、最终采收率高的优点。

（二）超临界二氧化碳开发非常规油气藏的四个优势第一个，解决了坚硬地层的钻速问题。

对于坚硬地层，用清水，用我们一般的钻头来钻，就很难。

用二氧化碳来钻就很快了，大家看一下为什么快？左边是代表用清水来钻，右边这个是代表用超临界二氧化碳来钻，上面一块岩石是花岗岩，下面是页岩，我们知道花岗岩是最硬的岩石，页岩是最难钻的岩石，这两个最难钻。

首先看用清水和二氧化碳钻花岗岩的效果：二氧化碳钻的这个沟槽，轮廓较为清晰，破碎体积较小。

我们再看看它们的破碎坚硬压力，用清水是75，用二氧化碳是50。

二氧化碳的破碎压力相当于清水的67%。

我们看看页岩，页岩用清水钻的破碎压力是124，用二氧化碳钻时只有55，破碎压力之比是0.44。

说明，我们用二氧化碳钻井的时候，对于难钻的岩石，像花岗岩、页岩这样的东西，都可以获得好的效果。

特别是页岩层，钻速一般可提高到2-3倍。

这已经是一个很不小的数字。

这是第一个优势。

第二个优势，储层不易被污染。

大家知道，低渗和非常规天然气储层在钻井过程中是很容易被污染的。

搞采油的人都知道，在钻井过程里面，在正常过程里面，我们的外来固体侵入到油层孔隙里面，把油堵起来，我们把这个就叫污染。

而我们超临界二氧化碳就是二氧化碳气体，如果把温度降到一定值就会变成液体，加到最后的临界温度时，就成为具有液体的密度、气体的粘度这样一个东西，它既为气体，又为液体，他怎么污染损害油气藏，他根本没有损害的条件。

所以，这是我们在钻井方面求之不得的。

这样看来，实质上它对油气藏没有任何污染。

第三个优势，也是最大的优势，它可以提高单井产量。

为什么呢？我们知道单井产量现在很低，我们现在采取钻分支水平井、钻辐射水平井、复杂条件下结构井，使我们的单井产量一下子提高了，最多可达到直井的5、6倍。

这取决于水平段的长度，或者分支段的长度。

用这种超临界二氧化碳钻井，更容易控制水平段和分支段的长度。

最右边这个图，最适合钻辐射水平井，向周围辐射可以打一系列的水平井出去。

周围都辐射，其他办法就很难做到。

第四个优势，可以提高采收率。

目前各油田的采收率只有20%多，最高30%多，大庆40%到50%。

一般情况下，还有三分之二的油剩在地层中拿不出来。

如果我们现在开发低渗油气藏，开发我们的非常规油气藏的话，可能只有百分之十几。

大部分油气拿不出来。

超临界二氧化碳的最大优势，就是可以把油气藏里面的吸附气置换出来。

这张图里是天然气甲烷对母岩的亲和力和二氧化碳对母岩的亲和力，可以看到，二氧化碳对母岩的吸附强度高，基本上是3到5倍的甲烷的吸附强度。

也就是说，假设这里面甲烷就是我们的天然气，天然气主要是甲烷，我们把二氧化碳打进去，那么，吸附在颗粒和有机碳上面的气体，会很容易的被二氧化碳所置换，把气体赶出来。

它的置换强度相当于3到5倍。

这个是任何到现在为止我们一直找不到的最好的东西了。

超临界二氧化碳对采收率的贡献，一个是置换，第二个就是驱替，就是我们去赶它。

超临界二氧化碳的表面张力等于零，黏度非常小，扩散系数很大。

因此这个超临界二氧化碳打到地层里面，他就成了无孔不入，越是小的地方它越进去，越快进去。

进去以后，就把里面的气体赶出来了，这个不是置换，是把这个东西驱赶走。

我们现在注水，注水也是去赶，但是注水要困难很多。

注超临界二氧化碳的压力要比我们注水压力小得多，当然就会提高效率了。

超临界二氧化碳对采收率的贡献还有一个，就是因为他的溶剂化能力很强，可以把近井地带的重油组分，和一些渣子吸收掉。

你想，如果把近井地带重油组分和有机渣子去掉，使近井地带畅通，就改善了油气通道。

提高了油气采收率。

目前我们还没有发现任何一个化学流体有这么一个好的作用。

第四个问题：结论与建议结论：第一条，用超临界二氧化碳钻井，钻速高，成本低。

第二条，不受污染。

第三条，得到的采收率高。

第四条，容易钻各种复杂的结构井，他可以钻各种各样的径向水平井。

建议：我们现在碰到所有的气藏，都是用水力压裂。

我想提出一个建议，大家千万不要用水力压裂，虽然水力压裂可以节约一部分成本，但是水力压裂过程里面带来无穷的后患。

所有油气藏近期或以后一段时间内都用水力压裂，如果我们这个压裂改成用二氧化碳压裂，二氧化碳用临界也好，用超临界更好，不用超临界就用普通的二氧化碳压裂，这个效果会对生态环境有明显的改善。

这是有百利而无一害的事情。

因为时间关系，上面讲的这些问题，不足的地方请大家批评指正。