液态CO2压裂技术在低渗透油田的应用.docx

液态CO压裂技术在低渗透油田的应用2美国与加拿大广泛采用一种对储层无损害的液态CO2压裂技术，即用二氧 化碳（液态）为携砂液（无水或任何处理剂）通过一个搅拌机，将支撑剂混于液态二 氧化碳中其CO2设备已成笼配套，技术占有领先地位该工艺典型处理范围 是在114〜136m3的液态二氧化碳中加16—21t支撑剂（搅拌机的能力应达到21t 搅拌能力），注入速度40—55bbl/min,费用为3〜5万美元之间应用井深为 884—4267m的低渗透油气藏砂岩地层和碳酸盐地层，油藏温度为48〜180°C, 油藏压力为7〜91MPa在美国阿肯色一路易斯安娜一德克萨斯地区和新墨西哥 州的San Juan盆地，应用CO2泡沫压裂及液态CO2加砂压裂均已获得较好的增 产效果1液态CO压裂的主要特点2（1） CO2压裂的优点液态CO2压裂处理的主要优点是：对储层无损害，缩短了清洗时间，不需 要抽汲和压裂液罐,省掉了水处理的费用和运费避免生产层损害和残留压裂液, 排液迅速，而且比较经济首先，液态CO2压裂可以消除常规压裂液容易导致的地层损害压裂中对 地层的主要损害机理是压裂液对地层的相对渗透率、毛管压力以及粘土膨胀与运 移产生的有害影响。

在低压和低渗透油藏中，对毛管压力和相对渗透率造成的损 害变得更加关键在油层温度和压力下，CO2呈气态，这就使残余压裂液的饱和 度为零在油层中，就完全消除了对裂缝面周围相对渗透率或毛管压力的损害第二个优点是，由于排液迅速，可以及时评价地层产能co2产生的实效能 量消除了压裂液留在地层中的所有残余流体所以说，液态CO2是低渗透气层 理想的压裂液第三，液态CO2压裂是经济的与常规压裂液相比，这种方法用于压裂液 排液和钻机在用时间的费用都少得多压裂处理后不要再抽汲洗井，对回收的压 裂液也无需做任何处理井的评价也比用常规压裂液所花的时间少平均来说， 压裂以后，只有1.5天即可试井对于那些渗透率极低或含水高的不经济井来说, 压裂后1—2天即可作出最终评价2) CO压裂的缺点2液态CO2压裂的缺点主要是低粘度常规压裂液与液态CO2压裂处理设计 主要差别是砂的浓度、砂粒大小、漏失和管子摩阻与常规压裂液比较，液态CO2压裂液砂的浓度低一些，砂粒尺寸小一些例如，当井深超过2000m时， 液态CO2压裂需要40/60目砂，而常规压裂液则可用20/40目砂由于粘度 低，所以流体漏失多，这就使处理对流量有很大的依赖关系。

因而，液态co2 对于高渗透层是不适用的该方法的摩擦压力比常规压裂液高，这就要求在深于 2200m的井中使用应采用大口径油管(88.9mm)，以降低地面处理压力为保持合适的粘度，以 便产生足够注砂的裂缝宽度，CO2必须保持液态这样，就要求井底温度降低到 CO2的临界温度31°C或更低注入速率和注入大量的CO2，在产生井下低温和 保证流体有效穿入裂缝中是最有影响的参数处理设计应考虑到热收缩以及综合拉应力对套管、油管和封隔器的作用这 对任何使用大量液态CO2的处理都是共同的，不过至今尚没有因为上述拉应力 而造成任何问题CO2必须在压力下保存和运输(一般为2MPa，—30C)为了保证CO2维持 液体状态，混合设备是加压的，这样就把处理规模限制在现有混合设备的容量之 内2美国的CO压裂技术2以新墨西哥州San Juan盆地Lewis砂岩井段的CO2加砂压裂技术为例加以 说明1) CO加砂压裂流程2CO2混砂机由一个较大的压力容器和管汇系统组成，在液态CO2导入高压 流体泵之前，将支撑剂混入液态CO2流一次装载的支撑剂量取决于混砂机本 身的容积，大约是50000磅注入速度取决于管壁摩擦及管径大小。

混砂机是一 个密闭的压力容器，在实际作业前装入支撑剂装载液态CO2的轻便容器在开 始作业前送达现场液态CO2在温度0° F、压力300磅/英寸2的状态导入混砂 机氮气作为置换“垫”非常高效地驱使液态CO2进入混砂机，接着又驱使液 态CO2砂浆进入流体泵高压流体泵的吸入管压力高达300磅/英寸2密闭混 砂机底部的双推进加料器控制着砂浆的密度⑵安全问题象任何增产措施一样，C02加砂压裂过程中的人身安全仍是最重要的常 规压裂的安全规程同样适用于CO2加砂压裂CO2密度大于空气，易于积聚在 低洼地区，使人窒息另外，皮肤长时间与“干冰”接触，也易引起冻伤，因此 施工过程中必须加倍小心如果系统压力低于80磅/英寸2,管线可出现冰塞现 象，必须立即用蒸汽加以清除由于液态CO2的温度较低，管线冷缩，故在有压裂管线的地方必须使用压 缩式封隔器如果使用张力封隔器，管柱由于冷缩而引起的张力可使管柱断裂另一个值得考虑的因素是使用硬度为90的过氧化物纯丁腈橡胶制作的“0” 型密封圈及其他的密封元件使用这种弹性材料是很重要的，可确保在整个增产 措施中井口隔离工具和封隔器保持原位不动3) 压裂设计在进行实际压裂作业之前，必须首先在室内进行压裂设计，设计的重点是混 砂机(50000磅)内支撑剂用量和管柱的摩擦压降。

设计要求每个过程用47500磅 的40/70目的亚利桑那砂和711磅(127t)的液态CO2每个过程用100磅(17.9t) 的前置液，0.6磅/加仑〜3.0磅/加仑的加砂量由于仅仅依靠室内模拟CO2加砂 压裂还远远不够，还必须建立压裂模型，该模型能现场模拟CO2加砂压裂流程 为了确保该模型的准确率，还必须收集井底压力数据和温度数据及该井的生产数 据压裂梯度大约是0.46磅/英寸2/英尺，较低的应力梯度可由试验数据求得， 还可由实际作业中的区域破裂压力得到证实在增产措施的不同阶段都要注入不 同的液态示踪剂，用以检测两次增产阶段之间近井地带的连通性液态示踪剂用 放置于流体泵排放端口的高压化学泵注入到液态CO2砂浆中由于增产过程的 特点及用于常规地层处理的不同标准的示踪剂材料，必须使用上述注入方法4) 现场作业处理的第一口井要求使用压裂管柱压裂管柱安装有与CO2压裂相匹配的 压裂阀，与地面的流体管线垂直在压裂管柱和7"套管之间的环空注入氮气， 增压至750磅/英寸2这将有助于使压缩式封隔器在作业期间保持稳定另外， 压裂管柱的全部重量都座在封隔器上，阻止其从压缩状态变成中性状态，而中性 状态将使封隔器离座。

由于液态C02的温度较低，在作业期间管柱大约有30% 的收缩量在第一阶段，在达到最大处理压力之前，地层中大约有38500磅的支撑剂 压力过高的原因可能是由于炮眼中较高的加砂浓度（3磅/加仑）及地层中存在多重 （天然）裂缝在第二阶段开泵以前，需对压裂设计进行修改在第一阶段泵入的 40/70目的亚利桑那砂质量较差（潮湿且含有杂质），因此改用30 /50目的渥太 华砂另外，前置液用量减少到50桶（9t），砂的浓度开始是0.5磅/加仑且不超过 2.0磅/加仑其结果是在没有达到最大处理压力时，72%的工作都已在地层中完 成了在计划井的最后一口的第二阶段，应用井下记录仪记录井底的压力和温度 由于操作的延时性，井底压力计的采样率，由5秒切换到60秒压力计在返排 完成和压力允许工具回收之前一直呆在井底最高压力和最低温度分别是4707 磅/英寸2和12° F在压裂结束时井底压力和温度分别是2600磅/英寸2和39° F因为井底温度始终保持在CO2的临界温度（87.8° F）之下，所以在整个处理过 程中CO2始终以液态形式存在井底压力波动非常明显，但在地表却看不到这 种变化，这可能是由于液态CO2的可压缩性所造成的。

这一事实说明了收集井 底其他数据的重要性，同时也便于更好的理解干式压裂过程在每一步的CO2压裂处理之后，紧接着就是CO2的返排问题该程序能使 油气井得到快速清洗而返回到地面的砂量最小依靠控制CO2的返排过程，地 层裂缝能够快速闭合以使砂的流动量最小在返排过程的初始阶段，CO2仍保 持液态，21分钟后变成气态且快速返排16 口井的抽样结果表明，返排48小时 后CO2的平均含量为37.96%N2泡沫压裂的常规井返排48小时后N2的平均 含量为41.50%压裂处理大约7天后，当油气井准备投产时，此时采取的气样 显示，CO2的含量不足5%在常规的泡沫干度为70的N2泡沫压裂过程中，在 油气井投产之前，一般很少测量N2的含量CO2干式压裂可节约6一12hr的钻机再用时间但其成本却高于常规的泡沫 干度为70的N2泡沫压裂的29%其中大部分成本主要花费在人员和设备每日 的流动性上面如果在新墨西哥区域Lewis砂岩CO2压裂过程中安装永久性的 压裂设备，则其成本将大大降低其成本将仅高于常规N2泡沫压裂的5%3加拿大的CO压裂技术2在加拿大，从六十年代初液态二氧化碳就已经用于油气田增产了在一 20°C 40°C温度下，CO2可以象液体一样运输。

因此，用常规压裂设备便可泵送，并可以象液体那样直接注入井内近来，将支撑剂直接加入100%的液态CO2推动了 CO2压裂法的发展弗 莱克马斯特公司用液态CO2作为单独的压裂液对450 口井进行了压裂处理用 最大填砂量44t对井深为3100m以上的井进行了压裂，95%的处理井不超过 2500m深，用砂22t砂的浓度达到1100kg/m3但是，由于粘度低，这个浓度 与流量和井深有很大关系砂的泵送浓度一般为400〜600kg/m3,在75MPa处 理压力下，泵排量达到7.5m3 / min1)压裂方法及装备用适宜的罐车将液态CO2和支撑剂运往井场，CO2保持在一25° F温度和 200磅/英寸压力下选用的支撑剂为40 / 60、20 / 40和10/20目的石英砂选 用其它类型和规格的支撑剂应根据现场需求来确定支撑剂可以在液态CO2压 开地层之后，加入到CO2流中，如果需要的话，也可以直接加入到用于压开地 层的液态CO2流中作业前，应通过管汇和压力管道往支撑剂储罐中注入一些 液态CO2，使支撑剂被冷却到一25° F,增压到约200磅/英寸2在支撑剂冷却 和增压时汽化的CO2通过排泄口排出，支撑剂储罐中液态CO2保持在储罐容积 的1/2〜3/4。

以防止汽化CO2进入高压泵中使支撑剂冷却和增压的原因主要是解决高压泵的效率问题，防止泵送时由于 液态CO2从支撑剂中吸收热量，造成汽化损失，降低液态CO2的携砂能力石 英砂支撑剂的比热约为0.2BTU/磅/英寸2, CO2在250磅/英寸2时的蒸发热大 约为100BTU/磅，因此为使支撑剂从70° F的运送温度冷却到一25° F的液态 CO2温度，冷却每1磅砂会蒸发掉约0.2磅的CO2在压裂作业之前，储罐中的液态CO2应加压到约300〜350磅/英寸2,也就 是说超过平衡压力约100〜150磅/英寸2，目的是防止CO2在管汇中的压力降 和升温造成的蒸发损失压裂目的层附近的套管应采用常规方法射孔泵入井筒的液态CO2穿过射 孔进入地层液态CO2要有足够快的泵送速度，同时应采取连续注入方式，以 防止由于C02在井筒中停留时间过长，吸收热量，造成蒸发损失连续注入还 可降低管柱和地层的温度，使泵注时的蒸发损失降低到最小当CO2压力达到 地层的破裂压力时，CO2横向进入地层，其压力会分梯度递减在泵送结束之 后，CO2的压力会泄掉，温度升高到和地层原始温度一样此时CO2便蒸发， 发生滤失或被吸收到周围地层中，当开井排液时，由于地层和井筒之间形成负压, 汽化CO2会沿井筒上升排出。

压裂作业完成之后，应关井，使CO2完全汽化，支撑剂支撑裂缝，然后开 井并排液，使气态CO2排出井筒对深井压裂来讲，要求提高压裂液的粘度，这样液态CO2才有能力携载支 撑剂到较深的部位采用上述的支撑剂冷却和增压方法，添加3%〜5%的。