煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介

1、中國(guó)石化中原油田勘探局 煤層氣田二氧化碳增能/泡沫壓裂工藝適應(yīng)性煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第1頁(yè)介紹提要第一部分：中原油田CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用情況一、CO2壓裂技術(shù)設(shè)備介紹 二、國(guó)、內(nèi)外技術(shù)情況及發(fā)展趨勢(shì)三、CO2增能/泡沫壓裂技術(shù)介紹第二部分：LG-5井10煤層CO2壓裂設(shè)計(jì)情況一、井基本數(shù)據(jù)二、設(shè)計(jì)思緒三、煤層采取CO2壓裂依據(jù)四、施工設(shè)計(jì)方案介紹 中國(guó)石化 中原石油勘探局煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第2頁(yè)一、CO2壓裂技術(shù)設(shè)備介紹 煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第3頁(yè)全套機(jī)組包含八臺(tái)COC22T型CO2罐車，兩臺(tái)IC-331型增壓泵車以及與之配套氣控掃線車等。 CO2罐車采取德國(guó)梅塞

2、德斯飛馳企業(yè)生產(chǎn)4140K底盤，罐體容積22噸，實(shí)際裝載能力18噸。主要包含CO2容積罐，4增壓泵，增壓泵液壓控制系統(tǒng)，液體排放控制系統(tǒng)等。每臺(tái)罐車都能夠利用其增壓泵獨(dú)立向高壓泵進(jìn)行灌注供液，從而滿足吞吐等施工工藝需求。CO2增壓泵車采取德國(guó)梅塞德斯飛馳企業(yè)生產(chǎn)2031AK底盤，主要包含臺(tái)上卡特3116TA發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、吸入管匯、液氣分離瓶、增壓泵系統(tǒng)、排出管匯、控制面板等組成。臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為190馬力，增壓泵最大排量為4.65M3/min。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第4頁(yè)二、國(guó)內(nèi)、外技術(shù)情況及發(fā)展趨勢(shì)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)

3、性簡(jiǎn)介第5頁(yè)國(guó)內(nèi)，近幾年中原、長(zhǎng)慶、大慶、吉林等油田也開(kāi)展了泡沫壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，CO2泡沫壓裂在中原、勝利、吉林勘探、開(kāi)發(fā)井進(jìn)行施工取得顯著效果。如孤北古1井壓后使用5mm油嘴排采，早期日產(chǎn)氣7-8104m3，最高11.9104m3，日產(chǎn)液50-60m3，3天累計(jì)排液200 m3，地層未見(jiàn)出砂現(xiàn)象。合5井25號(hào)層 ，壓后日產(chǎn)氣14.27104m3，產(chǎn)量提升了7倍；木126區(qū)塊新井投產(chǎn)時(shí)，于1998年4月在126-89井采取了CO2壓裂。壓后與該區(qū)塊同一時(shí)期投產(chǎn)7口井?dāng)?shù)據(jù)相比，采取CO2壓裂，早期采油強(qiáng)度達(dá)1.238t/d.m，而其它7口井平均為0.255t/d.m，增加幅度高達(dá)385.4%，

4、CO2泡沫壓裂技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第6頁(yè)國(guó)外泡沫壓裂技術(shù)始于60年代末期美國(guó), 70年代得到了較快發(fā)展,7080年代泡沫壓裂技術(shù)逐步成熟，1980年底，在美國(guó)東德克薩斯州成功地進(jìn)行了幾次大型泡沫壓裂施工，泡沫液用量最大已到達(dá)2233m3，加砂530t, 1985年美國(guó)已進(jìn)行約3600井次泡沫壓裂作業(yè)，約占總壓裂井次10。1986-1990年，采取泡沫壓裂百分比由20%上升到50%。到當(dāng)前，北美地域(美國(guó)和加拿大) 98以上油井和氣井均采取泡沫壓裂。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳

5、壓裂適應(yīng)性簡(jiǎn)介第7頁(yè)將氣體加入液體后形成兩相壓裂液作為壓裂攜砂液體。因?yàn)闅怏w加入，從而提升了標(biāo)準(zhǔn)水基（油基或酸基）壓裂液性能。增能/泡沫壓裂包含N2泡沫壓裂、 N2CO2二元泡沫壓裂和CO2泡沫壓裂。相對(duì)而言，二氧化碳比氮?dú)夂懈鄡?yōu)勢(shì)。1、增能壓裂中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第8頁(yè)三、 CO2增能/泡沫壓裂技術(shù)介紹煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第9頁(yè)1、 CO2壓裂優(yōu)勢(shì)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證實(shí)，CO2壓裂具有更好增產(chǎn)效果，這主要是：在壓裂后，CO2可與地層水反應(yīng)生成碳酸使體系PH值降低，可降低對(duì)地層傷害；CO2體積膨脹系數(shù)是1:517, C

6、O2液體轉(zhuǎn)化為氣體后膨脹氣體可認(rèn)為地層增加能量將液 體從裂縫中驅(qū)出;可降低采出流體表面張力最高降幅可達(dá)到5倍，加速壓后返排，是低壓儲(chǔ)層理想液體；加入CO2壓裂液產(chǎn)生假塑性液體具有很好傳導(dǎo)性，在低滲油藏能很好地控制液體地濾失；壓裂液效率高，在相同液量下，裂縫穿透深度大;充滿泡沫液體極大地降低了與地層接觸液量，對(duì)地層造成傷害小，特別是對(duì)粘土含量高水敏地層可降低粘土膨脹；CO2泵注時(shí)為液體其靜液柱壓力高，可有效降低地面泵壓。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第10頁(yè)2、CO2與N2增能助排對(duì)比 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)N2

7、在地面是以氣體方式注入井下,其體積比不會(huì)發(fā)生改變, CO2是以 液體方式注入井下,其體積系數(shù)是1:517;N2在地層中不參加任何反應(yīng)而CO2與地層水反應(yīng)產(chǎn)生碳酸，有效地降低了系統(tǒng)總pH值，降低了壓裂液對(duì)基質(zhì)傷害；CO2可降低采出流體表面張力最高降幅可到達(dá)5倍，加速壓后返排；壓裂液效率高，在相同液量下，裂縫穿透深度大 ;加入CO2壓裂液極大地降低了與地層接觸液量，對(duì)地層造成傷害小，尤其是對(duì)粘土含量高水敏地層可降低粘土膨脹 ;煤層對(duì)CO2吸附能力是CH44倍，而對(duì)N2吸附能力基本為0。CO2泵注時(shí)為液體其靜液柱壓力高，可有效降低地面泵壓。煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第11頁(yè)（1)、泡沫質(zhì)量FQ：

8、96-霧化壓裂； (4)、純液態(tài)CO2壓裂：100密閉混砂車； (5)、CO2段塞增能壓裂。3、CO2壓裂工藝分類： 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第12頁(yè)CO2泡沫壓裂液是由液態(tài)CO2 、水凍膠和各種化學(xué)添加劑組成液-液兩項(xiàng)混合體系。在向井下注入過(guò)程，隨溫度升高，到達(dá)31臨界溫度后，液態(tài)CO2開(kāi)始?xì)饣?，形成以CO2為內(nèi)相，含高分子聚合物水基壓裂液為外相氣液兩相分散體系。4、CO2泡沫壓裂液 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第13頁(yè) 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2壓裂液性能30%泡沫質(zhì)量50%

9、泡沫質(zhì)量CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第14頁(yè) (1).粘溫特征：基液:剪切速率170S-1，粘度65-120mPa.S；凍膠：交聯(lián)溫度30-60；剪切速率100S-1，三個(gè)配方交聯(lián)凍膠粘溫曲線如圖所表示。(2).破膠性能： 試驗(yàn)溫度為70-140，加入配方對(duì)應(yīng)破膠劑，6hr后表觀粘度為1-3.0mPa.S。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2壓裂液性能CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第15頁(yè) 壓裂過(guò)程中，CO2在地面作為液體泵送，在井筒中當(dāng)?shù)诌_(dá)它臨界溫度(31 )后CO2會(huì)氣化，圖為一口井實(shí)測(cè)井底溫度曲線，從中看出壓裂過(guò)程中，井底溫度大部分時(shí)

10、間在31以上。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第16頁(yè)壓裂液類型導(dǎo)流能力保持率泡沫壓裂液8090聚合物乳化液6585油基壓裂液（凝膠）4570線性膠（不交聯(lián)）4555交聯(lián)水基凍膠1050 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第17頁(yè)在常規(guī)壓裂前，在前置活性水階段向地層泵入高泡沫質(zhì)量CO2段塞，有隔離液與后續(xù)前置凍膠相隔，增加壓裂液返排能力，到達(dá)快速排液之目標(biāo)。CO2段塞增能壓裂施工流程與CO2泡沫壓裂完全相同。 中國(guó)石化 中原石油勘探局5、CO2段塞增能壓裂CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧

11、化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第18頁(yè)壓后壓裂液快速返排能夠減小地層傷害，提升壓裂效果。常規(guī)壓裂壓后排液80%所用時(shí)間普通在10天以上，壓裂液在地層孔隙及裂縫中滯留時(shí)間長(zhǎng)，造成地層傷害。因?yàn)镃O2所含有膨脹特征，決定了CO2增能壓裂比常規(guī)壓裂壓后返排速度快、返排率高、對(duì)儲(chǔ)層傷害小。6、排液效果評(píng)價(jià) 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第19頁(yè)比如橋84井，常規(guī)壓裂后排液80%所用時(shí)間為11天，壓力恢復(fù)測(cè)試計(jì)算污染系數(shù)為1.8。CO2增能壓裂壓后排液80%所用時(shí)間平均為3.9天，污染系數(shù)為0.02。比如濮深8井，CO2增能壓裂壓后排液80%所用時(shí)間為4.5天，壓

12、后測(cè)試計(jì)算污染系數(shù)為0；濮153井CO2增能壓裂，壓后排液80%所用時(shí)間為5天，壓后測(cè)試計(jì)算污染系數(shù)為0.05。經(jīng)過(guò)對(duì)比壓后壓裂液返排時(shí)間及壓后測(cè)試動(dòng)態(tài)資料，說(shuō)明CO2增能壓裂也能夠取得更加好排液效果。 中國(guó)石化 中原石油勘探局CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第20頁(yè)7、國(guó)內(nèi)其它油田壓裂效果孤北古1井（勝利油田）：CO2段塞增能壓裂，井段4120.6-4139.0m，地層溫度157，施工方式卡封護(hù)套，加Carbo陶粒53m3，CO2 130t。5天排液200m3，6mm油嘴10.7104 m3/d天然氣產(chǎn)量。探井豐深1井（勝利油田）：沙四段4316.6-4343m，1

13、4.8m/2n，11月采取增能壓裂，注CO2量130t。壓后取得了日產(chǎn)氣8104 m3/d、油70t/d 效果。CO2增能/泡沫壓裂工藝技術(shù)煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第21頁(yè) LG-5井10煤層CO2壓裂設(shè)計(jì)情況一、井基本數(shù)據(jù)1.鉆井基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 2.煤層基本數(shù)據(jù)層位 煤層井段 (m)厚度 (m) 聲波時(shí)差(s/m) 孔隙度 (%) 泊松比 楊氏模量*104MPa 滲透率（md）10.1900.85-902.251.410.2905.95-907.15 1.2煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第22頁(yè)3、煤層煤質(zhì)特征：壓裂目標(biāo)層為類原生結(jié)構(gòu)煤，煤體結(jié)構(gòu)破壞較弱，煤滲透性很好，且有利于煤儲(chǔ)層強(qiáng)化改造

14、辦法實(shí)施； 4.煤層提議射孔數(shù)據(jù)層號(hào) 射孔井段 (m) 厚度 (m) 射孔槍型孔密（孔/m） 孔數(shù)（孔） 10.1900.85-902.25 1.4102槍102彈 16 3210.2905.95-907.15 1.2102槍102彈 16 64煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第23頁(yè) 二、設(shè)計(jì)思緒：(1)該井10煤性質(zhì)為I類原生煤，但煤層厚度小，煤層不純，中間含有夾矸，依據(jù)以往壓裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證實(shí)，提議此次煤層進(jìn)行壓裂改造時(shí)，加砂規(guī)模不宜過(guò)大。(2) 煤巖塑性特征強(qiáng)，新縫不易起裂與延伸；壓裂泵注程序采取低起步小增幅加砂程序設(shè)計(jì)、高排量等辦法，同時(shí)采取階段加砂技術(shù)以確保加砂順利進(jìn)行。(3) 煤層吸水

15、性強(qiáng)，壓裂液配方加入高效助排劑、殺菌劑、粘土穩(wěn)定劑。（4）本井采取CO2+酸性水基壓裂液增能施工試驗(yàn)，以提升液體效率，降低排液時(shí)間，力爭(zhēng)取得裂縫長(zhǎng)度與有效導(dǎo)流能力突破。（5）因?yàn)槊簩訙囟容^低，高濃度液體CO2無(wú)法快速氣化，形成泡沫，為壓后快速返排提供能量，且在未來(lái)返排過(guò)程中形成干冰，毀壞套管。煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第24頁(yè)三、煤層采取CO2壓裂依據(jù)依據(jù)一：煤層壓裂改造可有效地將井孔與煤層天然裂隙連通起來(lái)，從而在排水采氣時(shí)，更合理地分配井孔周圍壓降，增加產(chǎn)能和氣體解吸速率，提升采收率，所以，壓裂改造作為一個(gè)主要強(qiáng)化增產(chǎn)辦法，在煤層氣開(kāi)采中得到普遍應(yīng)用。中原石油勘探局井下特種作業(yè)處于工藝技

16、術(shù)方面已經(jīng)取得了許多主要進(jìn)展，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，尤其在煤層氣井壓裂改造方面，已形成了一套比較完善、配套工藝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了很好效果。 依據(jù)二：基于CH4、CO2和N2 三者在煤層表面吸附解吸特征存在差異性，Clarkson等人提出，在煤層氣生產(chǎn)期間，能夠經(jīng)過(guò)向煤層中注入非CH4氣體來(lái)降低游離氣體中CH4分壓或競(jìng)爭(zhēng)吸附空間，從而促使CH4從煤層中解吸，增加CH4氣產(chǎn)率。煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第25頁(yè)為了研究CH4、CO2和N2在煤表面吸附能力，研究者做了一些試驗(yàn)。首先分別進(jìn)行N2，CH4和CO2純氣體等溫吸附試驗(yàn)，取得煤樣對(duì)3種純氣體Langmuir常數(shù)(表1)。表1 三種純氣體等溫吸

17、附試驗(yàn)結(jié)果(據(jù)唐書恒、湯達(dá)禎、楊起，)試驗(yàn)氣體N2 CH4 CO2 Langmuir等溫吸附常數(shù) VL/(cm3.g-1) 14.6334.5842.25PL/MPa 2.141.710.59由試驗(yàn)結(jié)果能夠看到，同一煤樣對(duì)CO2，CH4和N2吸附試驗(yàn)結(jié)果相比，CO2值要比CH4值大，CH4值又比N2值大，即三種氣體在煤中吸附能力大小次序是：CO2 CH4 N2。而PL值越大表明氣體越輕易從煤中解吸，即三種氣體優(yōu)先解吸次序是：N2 CH4 CO2。煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第26頁(yè)其次在CH4和CO2二元?dú)怏w等溫解吸試驗(yàn)中，吸附相CH4相對(duì)濃度逐步降低，CO2相對(duì)濃度逐步增加，故CO2能夠促

18、進(jìn)CH4解吸，提升其相對(duì)解吸速率。二元?dú)怏w等溫解吸試驗(yàn)表明，在進(jìn)行注氣強(qiáng)化煤層甲烷排采時(shí)，注入CO2比注入N2能夠更高效地驅(qū)替煤層甲烷，提升煤層甲烷采收率。這是因?yàn)槎獨(dú)怏w競(jìng)爭(zhēng)吸附中，吸附能力較強(qiáng)氣體組分吸附速率先快后慢，而吸附能力較弱氣體組分吸附速率先慢后快。二元?dú)怏w等溫吸附過(guò)程中組分分餾效應(yīng)，是因?yàn)槊簩?duì)不一樣氣體組分吸附能力差異而造成。同理，在CH4和CO2競(jìng)爭(zhēng)吸附中，CO2組分吸附速率是先快后慢，而CH4組分吸附速率先慢后快，解吸時(shí)則相反，反應(yīng)出CO2在與CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附中占據(jù)優(yōu)勢(shì)；注入CO2氣體數(shù)量越大、相對(duì)濃度越高，單位壓降CH4解吸率和CO2吸附率就越高。煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)

19、介第27頁(yè)依據(jù)三：選取CO2+酸性水基壓裂液進(jìn)行壓裂施工有以下優(yōu)點(diǎn)；CO2為壓后工作液返排提供了氣體驅(qū)替作用；有利于壓裂液快速返排等，不輕易形成壓裂后殘液附著于煤基質(zhì)表面液體膜，最大程度降低了水鎖作用；因?yàn)镃O2與甲烷氣體在煤基質(zhì)吸附中吸附能力強(qiáng)，且再競(jìng)爭(zhēng)吸附中甲烷處于劣勢(shì)，故CO2能夠置換出甲烷氣體，有利于甲烷解吸，提升壓裂改造效果；進(jìn)入煤層后氣態(tài)CO2還能控制液體濾失，提升壓裂液效率；降低了水基壓裂液用液量；采取酸性水基壓裂液，降低CO2在水中溶解量以更加好發(fā)揮以上作用；采取CO2壓裂降低了煤層中粘土礦物膨脹。煤層氣田二氧化碳?jí)毫堰m應(yīng)性簡(jiǎn)介第28頁(yè)四、施工設(shè)計(jì)方案介紹1.應(yīng)備液體數(shù)量及配方2.支撐劑名稱及其規(guī)格數(shù)量分項(xiàng)活性水