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]。
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。
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。
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)。
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。
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 mPa·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1 400 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1 400 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。
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。
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。
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。
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]。
南5-A井压裂目的层埋深3 700 m，孔隙度7.8%，渗透率0.5×10-3 μm2，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%。
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CO2 910 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10.5 m3，日产油6.5 m3，日产气2.5×104 m3。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。
(1) CO2准干法压裂无需专用密闭混砂设备，工艺流程简单，操作性强，压裂液性能稳定，造缝携砂性能好，是CO2加砂压裂技术发展的新趋势。
(2) CO2准干法压裂技术是CO2干法压裂和常规水基压裂的合理组合。既发挥了CO2干法压裂技术优势，又实现了高砂比对压裂施工技术的要求，对低孔、低渗、强水敏和水锁等油气藏的开发适用性强。
(3) CO2准干法压裂技术在冀东、延长等油田进行了现场先导试验，压后增产效果显著。同时，该技术利于CO2的埋存，减少温室气体排放，具有环境保护与油气田增产双重作用，应用前景广阔。
2021, Vol. 50 Issue (2): 83-87
2021, Vol. 50 Issue (2): 83-87