刘安

(中石油渤海钻探井下作业公司，河北 任丘 062552)

0 引言

二氧化碳干法压裂技术的目的是为了使地底的石油被效率更高的开采，使用浓度百分百的液态二氧化碳作为压裂液，使用高压泵车把压裂液倒入地底，将地底储存石油的地层压开，向裂缝中注入支撑剂避免裂缝闭合，使位于地底石油与地面之间的裂缝具有稳定的结构，提高石油的开采效率。使用液态二氧化碳作为压裂液的压裂方法与一般的压裂方法不同。二氧化碳干法压裂在工程开始前将支撑剂的压力和温度调节到二氧化碳储存罐的标准指数，启动技术专用密闭混砂设施将达到指标的支撑剂与液态二氧化碳相互结合，把结合的液体通过高压泵车进入井筒进行压裂。一般先是将携砂混合入支撑剂中进行压裂，二氧化碳干法压裂技术下使用的完全液体形态二氧化碳压裂液，在存储注入的过程中必须对温度进行严格的管控，所以其施工的步骤又与一般的方式具有差异。具体流程如下：

(1)衔接压裂管线；(2)在混砂设备里放入二氧化碳的增稠剂和支撑剂；(3)压裂液的输送管道在使用前必须经过试压操作，硬管线和返排管线由氮气泵车进行实验，高压软管线由液态二氧化碳的储存罐气进行实验；(4)降低地表管线和压裂设备的温度；(5)注入：将二氧化碳注入压裂设备使其压力增大，注入地下以便压裂位于储层上方的地层，在技术专用的混砂设施中将二氧化碳的增稠剂与支撑剂相互结合，注入地下后使裂缝稳定并提高液态二氧化碳的摩擦力和粘性，以此来提高携砂功能，注入压裂砂再注入液态二氧化碳，在将支撑剂全部倒入裂缝后停工闷井2h；(6)放喷：把井开启使液体喷出，科学管控放喷的速度，监察记录井口二氧化碳浓度。

1 二氧化碳干法压裂技术研究和应用现状

在1950 至2000年间液态二氧化碳在天然气和石油等项目被广为使用，1985年有关学对其相关数值进行研究，1987年加拿大将干法压裂应用于三十多种地层中，在这四百余次中气井占比95%以上，另外的则是油井，这表明干法压裂的发展和应用已趋近成熟。有关数据显示，到二十一世纪初期，由加拿大和美国带领北美地区进行千余次干法加砂的使用，产量提高最明显的则是页岩气储层。但使用液态二氧化碳做压裂液是有很大劣势的，由于二氧化碳处于液体形态时粘稠度数值为0.09MPa·s，气体形态时此数值为0.03MPa·s，这样比水还低的粘度会引致压裂液滤失量增大，使其携带砂子和开凿缝隙的能力下降，对压裂工程范围的扩张造成很大障碍，要想成功将液态二氧化碳作为压裂液就必须增加二氧化碳的粘性，使其携带砂子和开凿裂缝的能力增强。增强二氧化碳粘度的方式即注入与二氧化碳相溶的化学试剂。液态二氧化碳是非极分子，作为制冷剂稳定性较好，粘度和表层的张力、介电常数都不高，如果采用传统的增稠剂是无法使其与液体形态二氧化碳相混溶的。

2 二氧化碳干法压裂使产量增加的机制

2.1 压后增能用意

二氧化碳本身具有压缩特性，可用来存储能量，在进入储层并接触原油之后，可形成导电性裂缝，对其加热可迅速发生气化转变，而后在原油中溶解产生气驱力，相应提液能力会随之提升。

2.2 溶解降黏作用

当液态二氧化碳在储层与石油相接触，发生的升温现象会使石油的粘度降低。

2.3 替换作用

当液态二氧化碳与石油接触时，因为二氧化碳对甲烷具有吸引的作用，甲烷从石油中被剥离，使其与石油的联系不再紧密，开采表得更加容易。

2.4 溶蚀作用

在压裂液作用于地层的时候与地表水相接触，使水充满二氧化碳并在pH 值大于3.5 时与黏土矿物结合发生反应，使排液的速度加快，携砂性加强，增强裂缝的引流力量。

3 二氧化碳干法压裂技艺的优势

二氧化碳干法压裂使用的压裂液为完全液体形态的二氧化碳。一般来讲，二氧化碳在31.04℃时会发生液化，从气体形态向液体形态转变，此时压力临界值为7.38MPa。此外，液体形态的二氧化碳其密度和水相近，加压后粘稠度会降低许多。在具体施工过程中会向气体形态转变，并排出地层可减少对地层的伤害。因此，液态二氧化碳压裂技术有着无害特点，相比传统的水基压裂技术优点颇多。

3.1 无水相无残留

完全液体形态下的二氧化碳压裂液，本身就具有非极性分子特点，能更好与原油相溶合，可有效稀释原油减小粘稠度。除此以外还具有酸性气体特点，当溶解在水中时会转化成可对土壤膨胀直到抑制作用的碳酸，比起传统的压裂液，对地层带来的伤害较小。

3.2 返排迅速彻底

地层温度如果超过31.04℃，那么液体形态的二氧化碳就易气化转化成气体形态，为地层输送更多能量，这样一来无需借助地层的压力，只需花2 到3 天的时间就可快速完成返排，可有效缩减生产所用的时长。

3.3 容易形成网缝

液体形态的二氧化碳在黏稠度上相对较低，与凝胶形态的压裂液相比，更易渗入到微裂缝中，有利于形成更多的网状裂缝。与此同时，压裂后基质渗透率的恢复值和电导率都较高，不仅如此，裂缝的端面、储层的基质和人工造缝的渗透率也相当高。

3.4 经济性

采用二氧化碳干法压裂技术时，困返排的时长较短，返排设备的使用成本较低，压裂后不需要对返排液进行泵送和相关处理，因此所需操作成本相对较低，相应的经济效益较好。这与二氧化碳的催化特性有关，无需添加更多的化学剂。因此，压裂的过程不至于出现大量压裂废液，这样既可避免环境受到污染，又节有效降低成本。从这方面来讲，二氧化碳干法压裂技术具有高产、稳长和带来经济效益好等优点。

4 二氧化碳干法压裂技巧的缺点

4.1 黏度低

二氧化碳干法压裂的液体粘度较低，这是其不足之处。与传统的压裂液相比，液体形态的二氧化碳其压裂液所携带的砂含量较少，砂粒体积较小。当井的深度大于2000m，那么液体形态下的二氧化碳干法压裂所需的目砂为40/60，如若使用的是传统的压裂液，那么所需的目砂只为20/40。因其粘度较低，存在大量的漏液情况，以致处理的过程过于依赖流量，压裂造缝易受其影响，而这也是施工成败的关键所在。

4.2 摩擦阻力

管柱中的二氧化碳多为液体形态，其流动摩擦阻力较大，是牛顿流体中的一种。当前，国内外有关液体形态二氧化碳在减阻剂使用方面的研究成果不多，传统的聚合物水溶液减阻剂对其并不适用，因此有必要开发出对液体二氧化碳适用且高效的减阻剂，以减小其在管柱中的流动阻力。

4.3 加砂范围受限

施工过程中的二氧化碳需保持其液体的形态，方能与支撑剂间更好的混合，这只能在高压环境下方可实现。因此，不宜选用传统的砂搅拌机，而应选用适用于二氧化碳的专门密封式砂搅拌机。除此以外，加砂的规模一般受限于闭封式混砂机的类型，不适用于致密气井、页岩气井等大型的压裂作业。

5 结语

二氧化碳压裂液可以使压裂施工水和地层触及频率下降，减轻压缩水锁与水敏给地层造成的损害，也就是说，它在压裂改造过程中具有技术优势，可应用的空间更广阔，的发展的前景更好。在对二氧化碳干法压裂技术进行了应用现状及其优缺点分析后，完善相关体系同时结合各地区地质特征进行可行性试验，进一步评价了二氧化碳干法压裂的性能，持续完善配套设施，在经济和环境方面获得更大成效。