超臨界CO2聚能壓裂技術(shù)突破煤層氣高效開(kāi)采瓶頸
碳捕集利用與封存國(guó)際創(chuàng)新研究院王海柱教授團(tuán)隊(duì)在美國(guó)巖石力學(xué)研討會(huì)上發(fā)表創(chuàng)新成果，首次提出超臨界CO2聚能壓裂技術(shù)。該技術(shù)利用高壓超臨界CO2動(dòng)態(tài)致裂煤體，配合“聚能沖擊+油套同注”等工藝方式實(shí)現(xiàn)高壓超臨界CO2多次、持續(xù)注入，使儲(chǔ)層產(chǎn)生一定規(guī)模且不受地應(yīng)力控制的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，具有無(wú)水、環(huán)保、安全、高效等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)成員利用自主研發(fā)的真三軸超臨界CO2聚能壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了高階煤和低階煤的室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)，并與常規(guī)水力壓裂、超臨界CO2壓裂煤巖井筒壓力和成縫特征進(jìn)行對(duì)比。
技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)的高壓氣體爆破致裂技術(shù)不同，超臨界CO2聚能壓裂技術(shù)在利用高壓超臨界CO2動(dòng)態(tài)致裂 儲(chǔ)層的同時(shí)，配合“聚能沖擊+油套同注”等工藝方式可實(shí)現(xiàn)高壓超臨界CO2多次、連續(xù)注入，從而克服傳統(tǒng)水力壓裂準(zhǔn)靜態(tài)加載裂縫單一、高壓氣體爆破致裂動(dòng)態(tài)加載裂縫規(guī)模小等問(wèn)題，使儲(chǔ)層產(chǎn)生一定規(guī)模且不受地層應(yīng)力控制的裂縫網(wǎng)絡(luò)，具有無(wú)水、環(huán)保、安全、高效等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。超臨界CO2聚能壓裂技術(shù)有望在高效改造煤層的同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2的地質(zhì)埋存。該方法通過(guò)地面泵車(chē)向帶有特定聚能工具的壓裂管柱內(nèi)持續(xù)泵注可壓縮的超臨界CO2流體，當(dāng)管柱內(nèi)壓力超過(guò)工程設(shè)計(jì)壓力時(shí)，在壓力作用下聚能工具泄流通道自動(dòng)打開(kāi)，高壓超臨界CO2可控沖擊波迅速?zèng)_擊致裂煤體，持續(xù)注入CO2直至設(shè)計(jì)用量，驅(qū)動(dòng)原生裂縫和致裂裂縫持續(xù)向前擴(kuò)展，進(jìn)而在煤層形成具有一定范圍的改造區(qū)域。為確保注入目標(biāo)層位的CO2處于超臨界態(tài)，需要在井口配備加熱設(shè)備對(duì)CO2進(jìn)行加熱。
壓裂工藝可行性
以CO2干法壓裂技術(shù)為代表的CO2壓裂技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)吉林油田、延長(zhǎng)油田、蘇里格氣田等開(kāi)展了 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在壓裂工藝及配套裝備方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，為超臨界CO2聚能壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
(1) 配套裝備。與常規(guī)CO2干法壓裂或超臨界CO2壓裂相比，超臨界CO2聚能壓裂對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)備的需求較少，現(xiàn)場(chǎng)可操控性較強(qiáng)。由于超臨界CO2聚能壓裂無(wú)需泵注支撐劑，避免了使用密閉混砂車(chē)在技術(shù)和 成本上的限制。超臨界CO2聚能壓裂地面設(shè)備主要由液態(tài)CO2儲(chǔ)罐、CO2增壓泵車(chē)、CO2壓裂泵車(chē)和壓 裂管匯組成。在淺部低溫煤層中，地面還需配備加熱裝置確保注入壓裂管柱的CO2處于超臨界態(tài)。因而現(xiàn)有常規(guī)CO2壓裂地面設(shè)備即可滿(mǎn)足超臨界CO2聚能壓裂的施工需求，僅需對(duì)井下聚能工具進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足定壓開(kāi)啟、管柱配套、循環(huán)使用以及密封性等不同增產(chǎn)工藝的要求。
(2) 壓裂工藝。超臨界CO2聚能壓裂可采用“油套同注”的方式提高注入排量，即通過(guò)油管 (連續(xù)油 管) 向聚能工具內(nèi)注入超臨界CO2，聚能工具泄流通道打開(kāi)后采用油管 (連續(xù)油管) 和油套環(huán)空同注的形 式實(shí)現(xiàn)高排量CO2注入，驅(qū)動(dòng)裂縫持續(xù)向前擴(kuò)展，進(jìn)而擴(kuò)大地層改造范圍。同時(shí)，還可配合不同井型 (直井、水平井、徑向井等)、管柱組合和特定的聚能工具進(jìn)行定點(diǎn)單次、定點(diǎn)多次、多點(diǎn)多次沖擊等多種沖擊致裂模式，以滿(mǎn)足不同工況對(duì)壓裂工藝的需求。
(3) 施工成本。與常規(guī)水力壓裂相比，超臨界CO2聚能壓裂無(wú)需泵注水基壓裂液和支撐劑，減少了CO2干法壓裂或超臨界CO2壓裂中密閉混砂車(chē)等專(zhuān)業(yè)設(shè)備的作業(yè)費(fèi)用。同時(shí)，考慮到CO2對(duì)作業(yè)管柱及 設(shè)備存在一定的腐蝕，這在CO2干法壓裂或超臨界CO2壓裂中同樣存在，可通過(guò)加注緩蝕劑、噴涂防腐 涂層以及使用耐腐蝕合金材料等方式進(jìn)行防護(hù)，在一 定程度上增加了成本。超臨界CO2聚能壓裂作業(yè)費(fèi) 用包括CO2材料和運(yùn)輸費(fèi)用、聚能工具設(shè)計(jì)與制造費(fèi)用以及壓裂設(shè)備作業(yè)和維護(hù)費(fèi)用等，且隨著國(guó)家碳減排與利用技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，CO2材料成本將進(jìn)一步降低，因而超臨界CO2聚能壓裂具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。
應(yīng)用前景
煤層氣資源的高效開(kāi)發(fā)承擔(dān)著保障煤礦高效生產(chǎn)、減少瓦斯事故的安全責(zé)任以及補(bǔ)充清潔能源供應(yīng)、 助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要使命。作為非常規(guī)天然氣資源的重要組成部分，煤層氣在低碳能源代替高碳能源、可再生能源替代化石能源的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中扮演橋梁接替作用。一方面，現(xiàn)有以淺部煤層、中高階煤開(kāi)發(fā)為主導(dǎo)的煤層氣田需采用加密井網(wǎng)、二次改造等手段實(shí)現(xiàn)老區(qū)盤(pán)活、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。另一方面，需要向深部煤、低階煤和煤系氣等新領(lǐng)域開(kāi)拓，以扭轉(zhuǎn)當(dāng)前煤層氣開(kāi)發(fā)面臨的“儲(chǔ)量多、產(chǎn)量低” 困局。 該技術(shù)適用于原生結(jié)構(gòu)煤，在煤層氣老區(qū)盤(pán)活和新區(qū)改造方面具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)程度弱、煤體結(jié)構(gòu)保存完整的深部煤層，可利用CO2與煤層CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附促進(jìn)CH4解吸流動(dòng)， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2的永久埋存，將是未來(lái)重要的發(fā)展方向。
原文鏈接：http://onepetro.org/ARMAUSRMS/proceedings-pdf/ARMA22/ARMA22/ARMA-2022-0182/4085608/arma-2022-0182.