CO2 准干法压裂技术研究及应用

时间：2024-07-28

罗成

中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院

致密砂岩气藏普遍具有储层物性差、黏土矿物含量高的特点,常规水力压裂易对储层造成水敏、水锁伤害,影响增产效果。液态CO2压裂技术作为一种最新的可替代水的低伤害、清洁环保的无水压裂技术,具有明显的技术优势[1-4]。

近年来,国内外发展了CO2干法压裂,该技术使用100%液体CO2为压裂液,可避免对储层的水敏水锁伤害,返排时CO2以气态排出,无残留、无伤害。按照液体是否增稠,可分为纯干法压裂和增稠干法压裂。增稠干法压裂可将液态CO2提黏17～184倍,提高了液体造缝携砂性能。但CO2干法压裂也存在一些问题:①需要密闭的混砂设备来实现支撑剂与液体CO2混合,支撑剂中含有水分,在低温下易冻堵,安全风险高;②加砂规模受密闭混砂设备的储罐尺寸限制,国内密闭储罐最大容积为25 m3;③需要特殊设备多,操作相对复杂。基于以上原因,研究了CO2准干法压裂,该技术是液态CO2干法压裂和常规水基压裂的结合,具有低伤害,无需专用密闭混砂设备,操作流程控制相对简单,可实现大规模加砂压裂等特点[5-10]。

1 CO2 准干法压裂技术

CO2准干法压裂技术是以70%的液态CO2和30%的清水混合,并加入AP-6和AP-2增稠剂,形成具有一定黏度的混合相液体,通过地面高压泵以较大排量注入,压开地层形成一条动态裂缝,并对动态裂缝进行加砂充填,施工结束后,为油气的流出提供一条具有较高渗透性的渗流通道,从而达到增产改造目的。

1.1 CO2 准干法压裂液性能研究

压裂工作液性能是CO2准干法压裂技术实施成败的关键因素,需要具有:液态CO2和清水混合后形成均匀稳定的混合相;压裂液体系要有一定黏度,可满足造缝加砂需求。因此,重点研究了以下几个问题:

(1)液态CO2的黏度低,悬砂能力和降滤失性能差,不利于压裂造缝,需要评价AP-2 增稠剂在液态CO2中溶解状态和增稠后的悬砂性能。

(2)液态CO2是一种弱溶剂,与清水不互溶,CO2准干法压裂工艺需要利用含有少量水基压裂液的液态CO2体系进行携砂。因此,需要评价AP-6增稠剂在清水中的增黏性能,且增黏后的液体在液态CO2中能够较好地分散,形成稳定的混合相。同时优化液态CO2和水基的混合比例,在保证压裂液性能稳定的条件下,水基压裂液用量要求最少,伤害最小。

(3)CO2准干法压裂工艺需要加砂,故需评价压裂液体系的耐温耐剪切性能,满足造缝和携砂的需求。

1.1.1 主要的实验设备

利用CO2水基压裂液高压测试仪,开展了液态CO2增稠剂AP-2的增稠悬砂效果和液态CO2与水基压裂液混合比例研究。实验设备的工作压力0～30 MPa,工作温度-10～90℃,高压配样器容积500 mL。

实验流程:先在高压配样器中预置实验所需的样品(添加剂、支撑剂、水基压裂液),向其中注入CO2气体,随着压力逐渐升高,CO2转化为液态,利用搅拌电机充分搅拌配样器中的液体,通过可视窗观察液体的状态。高压配样器带有等压转移功能,可将配制好的压裂液转移至中间活塞容器,进行岩心驱替伤害实验评价(见图1)。

1.1.2 液态CO2 增稠剂AP-2增稠效果评价

在30～90 ℃下,开展了AP-2增稠剂在液态CO2中的溶解状态和悬砂性能评价实验,结果见表1 和图2。从表1和图2可看出,AP-2增稠剂易分散和溶解于液态CO2中,无分散相。随着实验温度和压力的逐渐升高,增稠后液态CO2体系稳定,悬砂性能好,陶粒无沉降现象。

表1 不同温度、压力下AP-2增稠效果测试

1.1.3 AP-6自交联压裂液性能评价

AP-6增稠剂加入清水中可形成一种乳液型一体化自交联压裂液,具有增黏速度快,在液态CO2中分散性好的特点,适合CO2准干法压裂技术。

(1)AP-6 自交联压裂液增黏和悬砂性能评价。清水中加入1.5%(φ,下同)的AP-6增稠剂后,10～20 s可溶解,利用旋转黏度仪测试其表观黏度可达100 m Pa·s以上,加入50%(体积分数)的支撑陶粒,在90℃的水浴中静置悬砂1 h,无沉降(见图3),可满足携带高含量砂浆的需求(最高地面砂体积分数可达50%～60%)。

(2)AP-6自交联压裂液在液态CO2中分散性评价。利用CO2水基压裂液高压测试仪,在高压配样器中提前预置AP-6自交联压裂液,采用低温氮气恒压转移方法,把液态的CO2转移至高压配样器中。在温度83 ℃、压力19 MPa、搅拌速度1400 r/min的条件下,可看出搅拌前液态CO2在上部,AP-6自交联压裂液在下部,二者之间存在界面;搅拌后乳液型一体化自交联压裂液能够在液态CO2中快速均匀分散,形成稳定的混合相(见图4)。

(3)液态CO2和AP-6自交联压裂液混合比例研究。在80 ℃,压力20 MPa,搅拌速度1400 r/min的条件下,测试清水和液态CO2按不同比例混合、加入2%的AP-2和1.5%的AP-6 后,支撑剂的沉降速度见表2。随着清水比例不断提高,支撑剂的沉降速度逐渐加快,当清水体积分数大于40%后,支撑剂沉降速度加快。CO2准干法压裂工艺实施中,优选AP-6自交联压裂液的体积分数为10%～30%。若按6 m3/min的施工排量计算,泵注水基压裂液的排量在0.6～1.8 m3/min,需要携带高浓度的砂浆,高砂比、低排量易造成压裂泵车出现沉砂、抽空风险。因此,液态CO2与AP-6自交联压裂液的最优体积比为7∶3。

表2 液态CO2 和AP-6自交联压裂液混合比例

1.1.4 准干法压裂液流变性能评价

利用哈克RS6000高温高压流变仪,配套CO2流变测试组件(最高耐压30 MPa),开展CO2准干法压裂液流变性能测试。测试准干法压裂液体系为70%的液态CO2+30%的清水,并加入1.5%的AP-6 和2.0%的AP-2增稠剂。在80 ℃、170 s-1下,90 min表观黏度大于53 mPa·s(压力由9.52 MPa上升至29.74 MPa)。结果(见图5)表明,CO2准干法压裂液耐温耐剪切性能较好,能够满足压裂造缝、携砂的要求。

1.1.5 准干法压裂液岩性伤害评价

由表3可知,针对冀东油田南堡某断块沙三1储层的岩心,CO2准干法压裂液(70%液态CO2+30%清水+1.5%AP-6+2.0%AP-2)对岩心的平均伤害率为-4%,具有明显降低储层伤害的优势,且CO2注入后溶蚀岩心中的碳酸盐类矿物,疏通了微小孔喉,可提高岩心渗透性。

表3 岩心伤害实验结果

1.2 CO2 准干法压裂工艺流程

CO2准干法压裂具有操作简单、无需密闭混砂设备的特点。其工艺流程可分为两部分:一部分为液态CO2注入系统,将液态CO2加压泵送至井筒;另一部分为常规压裂注入系统,将清水、AP-2、AP-6、支撑材料通过混砂车混合后,形成具有高黏弹性的支撑剂砂浆,泵送至井筒(见图6)。两部分泵送的液体在井口处汇合,在湍流条件下,形成具有足够黏度和结构的混合液相,进行减阻携砂一体化压裂施工。

为保证CO2准干法压裂施工成功,实施过程中需要控制好以下问题:

(1)液态CO2的气化问题,一旦气化的CO2进入泵腔将出现泵车抽空,施工中止。因此,需要控制好液态CO2低压向高压转换过程中的排量和压力,CO2低压入口的排量大于高压出口的排量,高压端的压力要保证平稳。同时,CO2增压泵车要有自动液位控制及气液分离装置,能够实时排放气化的CO2。

(2)CO2增稠剂AP-2和清水增稠剂AP-6均在常规压裂注入系统加入,建议AP-6在混砂车入口端加入,AP-2在混砂车的出口端加入,更利于形成均匀的混合相高黏度压裂液。

(3)液态CO2注入系统需要配备耐低温管线、CO2增压泵车和CO2压裂泵车。

1.3 CO2 准干法压裂优势

表4 几种CO2 压裂工艺特点对比

对比不同CO2加砂压裂工艺的特点(见表4),可见CO2准干法压裂技术的优势如下:专业设备需求少,现场可操作性强;压裂液造缝携砂性能好,可满足大规模加砂压裂要求,平均砂比可达10%～15%,更易推广应用[11-13]。

2 南5-A井CO2 准干法压裂现场应用

2.1 南5-A井CO2 准干法压裂方案研究

南5-A 井压裂目的层埋深3700 m,孔隙度7.8%,渗透率0.5×10-3μm2,低孔低渗,以细砂岩为主,黏土矿物含量12.5%,为中等偏强水敏储层。常规压裂压后返排率为50%～60%,压后效果不理想。

为降低伤害,该井采用CO2准干法压裂技术,根据研究结果进行压裂方案设计:压裂液体系中液态CO2与AP-6自交联压裂液体积比为7∶3;总施工排量6～7 m3/min,液态CO2的注入排量4.5～5.2 m3/min,水基压裂液的注入排量1.5～1.8 m3/min;支撑剂选用70～140 mm 陶粒与40～70 mm 陶粒组合方式,体积比为4∶6;加砂强度4.5 m3/m,平均砂比13%,最高砂比21%。

2.2 实施情况及效果

2019年9月,在南5-A 井顺利实施CO2准干法压裂施工,本次施工累计用CO2910 m3,水基压裂液330 m3,累计加砂65 m3,施工压力60～80 MPa,CO2注入排量4.8 m3/min,水基压裂液注入排量1.7 m3/min。如图7所示,在前置液1注入阶段,由于注入纯液态CO2,没有加入AP-2减阻增稠剂,施工摩阻较大,压力较高;在前置液2和携砂液阶段压力存在小幅波动,主要是由于AP-2添加剂加入量变化引起(调整施工排量时需同步调整添加剂的加量,由于电泵量程过大导致瞬时加入流量波动较大)。措施后,日产液10.5m3,日产油6.5 m3,日产气2.5×104m3。返排率120%,返排周期15天。现场应用表明,该井的产量较以往压裂单井日增油2.5倍,日增气8.6倍,增产效果明显提高。