黃 程, 霍麗如, 吳辰泓

(1. 西北大學(xué) 化工學(xué)院, 西安710127; 2. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司, 西安710200；3. 陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)國(guó)際事業(yè)有限公司, 西安 710061)

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上莊嚴(yán)承諾，中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。一場(chǎng)CO2減排及資源化利用的減碳行動(dòng)迅速在全國(guó)范圍內(nèi)展開，碳交易市場(chǎng)的建立，更是從市場(chǎng)化機(jī)制推動(dòng)了“雙碳”目標(biāo)的快速實(shí)現(xiàn)。我國(guó)碳排放量龐大的根本原因是以煤、石油為重的化石能源的大量消耗，所以，煤炭和石油行業(yè)減碳技術(shù)的形成及應(yīng)用顯得尤為重要。非常規(guī)油氣作為一種新型的油氣類型，資源量非常豐富。但由于其儲(chǔ)層致密，水敏性強(qiáng)，所以在鉆井、壓裂、驅(qū)油等作業(yè)中使用的工作液難免會(huì)與儲(chǔ)層巖石相互作用。目前所使用的工作液基本全部為水基工作液。水基工作液會(huì)使非常規(guī)儲(chǔ)層中的黏土發(fā)生巖石膨脹，將一部分油氣鎖死在地下，無(wú)法被采出，導(dǎo)致對(duì)儲(chǔ)層造成傷害[1]。這種儲(chǔ)層傷害是對(duì)國(guó)家資源的極大浪費(fèi)。而使用CO2代替水作為工作液，不僅是對(duì)CO2的資源化利用，也可完全解決非常規(guī)儲(chǔ)層傷害的問題。CO2獨(dú)有的特性會(huì)使得非常規(guī)油氣開發(fā)獲得更高的產(chǎn)能，達(dá)到一箭雙雕的效果。因此，分析和總結(jié)當(dāng)前CO2資源化利用的現(xiàn)狀以及發(fā)展方向，有助于非常規(guī)油氣的開發(fā)。

1 CO2的物理化學(xué)性質(zhì)

常溫常壓條件下，CO2為無(wú)色無(wú)味氣體，CO2超臨界點(diǎn)為7.38 MPa和31.1 ℃，其相圖如圖1所示。鄂爾多斯盆地的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層基本都在CO2臨界點(diǎn)之上，此時(shí)其物理、化學(xué)性質(zhì)既不同于氣體又不同于液體，卻兼有二者的特性：其密度接近于水，黏度接近于氣體，而且其密度和黏度會(huì)隨溫度的改變而變化。其次，超臨界CO2界面張力幾乎為零，具有較強(qiáng)的溶解和擴(kuò)散能力。這些特性使其極易捕捉微小孔洞中的油氣資源，使得CO2在非常規(guī)油氣開發(fā)中有巨大潛力。

圖1 CO2相圖Fig.1 CO2 phase diagram

2 非常規(guī)油氣的特征

非常規(guī)油氣是相對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)油氣而言的，主要包括致密砂巖油氣、頁(yè)巖油氣、煤層氣等。其主要特征是儲(chǔ)層致密、儲(chǔ)層物性差、油氣井無(wú)自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能非常低，必須通過壓裂改造等非常規(guī)手段才可以獲得有開采價(jià)值的油氣產(chǎn)量。

致密油是指發(fā)育于烴源巖內(nèi)部或者緊鄰于烴源巖的低滲、特低滲粉砂巖、砂巖、碳酸鹽巖等儲(chǔ)集層聚集的石油，石油在源內(nèi)滯留或經(jīng)過短距離運(yùn)移的成藏[2]。

頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣，是指富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖及其他巖性?shī)A層中的石油和天然氣聚集，自生自儲(chǔ)，以游離態(tài)或吸附態(tài)存在油氣藏中，基本未經(jīng)過運(yùn)移[3]。與頁(yè)巖油不同的是，頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)以吸附態(tài)為主。

致密氣與致密油類似，是指儲(chǔ)存于致密儲(chǔ)層的天然氣，一般呈現(xiàn)低孔低滲、低孔喉半徑的特征，氣流阻力遠(yuǎn)高于常規(guī)氣藏，開發(fā)難度大[4]。

非常規(guī)資源非常豐富，2020年全球非常規(guī)石油產(chǎn)量5.4×108t，占原油總產(chǎn)量的13%，非常規(guī)天然氣產(chǎn)量超過1.1×1012m3，占總產(chǎn)量的29%。2020年我國(guó)非常規(guī)油氣產(chǎn)量超過7 000×104t油當(dāng)量[5]。所以，在傳統(tǒng)油氣資源逐漸枯竭的背景下，非常規(guī)油氣將成為我國(guó)能源安全的重要保障資源。

3 CO2壓裂技術(shù)

非常規(guī)儲(chǔ)層最典型的特點(diǎn)是儲(chǔ)層致密，黏土礦物含量高，儲(chǔ)層物性差，滲透率低，無(wú)自然產(chǎn)能或者自然產(chǎn)能非常低，必須經(jīng)過壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)能。目前大型水力壓裂是針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層最常用的手段[6]。但是，該技術(shù)用水量巨大，易造成儲(chǔ)層傷害。一般壓裂一口井需要萬(wàn)方以上的用水量，不僅對(duì)本已匱乏的水資源造成巨大浪費(fèi)，隨之伴生的大量污水也對(duì)環(huán)保造成很大風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)水敏性高的非常規(guī)油氣層而言，大量水進(jìn)入地層后與黏土礦物結(jié)合后膨脹鎖住部分孔喉，將本可以采出的油氣永久的鎖死在地層中[7]。正因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，人們不斷嘗試用CO2代替水作為壓裂液，探討并形成了一系列不同工藝條件下的CO2壓裂技術(shù)。實(shí)踐證明，CO2壓裂不僅提高了壓裂效果，節(jié)省了水資源，還能將部分CO2封存在地下，實(shí)現(xiàn)負(fù)碳作業(yè)。

從工程地質(zhì)方面分析，非常規(guī)儲(chǔ)層致密，巖石塑性低、脆性差。常規(guī)水力壓裂時(shí)破裂壓力高，形成網(wǎng)格單一，增產(chǎn)效果差。超臨界CO2在地層條件下密度與液體接近，黏度與氣體相似，具有很好的擴(kuò)散性、流動(dòng)性和傳輸性。所以使用CO2壓裂時(shí)伴隨著CO2注入壓力的升高，巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐步降低，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，破裂壓力降低，關(guān)鍵是可形成更復(fù)雜的縫網(wǎng)，大幅提升增產(chǎn)效果。同時(shí)，CO2不與地層反應(yīng)，表面張力也很低，其儲(chǔ)層傷害幾乎為0。正是因?yàn)檫@些特性，CO2壓裂在非常規(guī)油氣開發(fā)中備受人們的青睞。

3.1 CO2壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60—70年代美國(guó)率先開始CO2泡沫壓裂的研究和現(xiàn)場(chǎng)使用[12]，到20世紀(jì)80年代開始使用CO2干法壓裂的探索和實(shí)踐[13]，CO2壓裂從時(shí)間順序上大致可以分為3代，分別為CO2泡沫壓裂、CO2準(zhǔn)干法壓裂以及CO2干法壓裂。

3.1.1 CO2泡沫壓裂

CO2泡沫壓裂是在CO2增能壓裂基礎(chǔ)上，通過添加合適的起泡劑和穩(wěn)泡劑，讓CO2與攜砂液同時(shí)注入井口，在井口處形成泡沫，并用這種泡沫液進(jìn)行攜砂。該技術(shù)要求CO2泡沫穩(wěn)定，一般CO2泡沫體積占比應(yīng)當(dāng)在52%以上。相比水基壓裂液，CO2泡沫壓裂液不但具有黏度高、攜砂能力強(qiáng)、壓裂效果好的優(yōu)點(diǎn)，還可有效抑制黏土礦物水化膨脹，減少瓜膠等添加劑用量，降低了水敏基添加劑殘?jiān)鼘?duì)儲(chǔ)層的傷害，同時(shí)大幅降低了水的使用比例，節(jié)約了水資源。該技術(shù)的核心是與CO2相配伍的水基壓裂液的研發(fā)和優(yōu)化。早期多使用羥丙基瓜膠、羥甲基瓜膠等聚合物添加劑，但殘?jiān)扛撸瑢?duì)儲(chǔ)層傷害大。延長(zhǎng)石油集團(tuán)利用小分子表面活性劑形成的具有黏彈性的VES-CO2清潔壓裂液。這種壓裂液基本解決了添加物殘留的問題，儲(chǔ)層傷害率降到20%以下，成本也降低了10%～15%[14]。

CO2泡沫壓裂相比水力壓裂具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍需要使用大量的水，無(wú)法解決儲(chǔ)層傷害的問題。

3.1.2 CO2準(zhǔn)干法壓裂

CO2準(zhǔn)干法壓裂是在CO2泡沫壓裂的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低水的用量。將除攜砂液以外的部分用純CO2代替，攜砂液也盡可能降低水的比例。從工藝上講，CO2準(zhǔn)干法壓裂是將CO2造縫能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)與水力壓裂加砂量大、成本低的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的一種方法[15]。

準(zhǔn)干法壓裂首先是采用破巖能力和造縫能力強(qiáng)的CO2作為前置壓裂液，在儲(chǔ)層中建立復(fù)雜縫網(wǎng)，然后使用水力壓裂擴(kuò)大已有縫網(wǎng)，并使用水基壓裂攜帶大量支撐劑進(jìn)入縫網(wǎng)防止裂縫閉合。與常規(guī)水力壓裂相比，前置CO2壓裂液大大加強(qiáng)了裂縫的復(fù)雜程度和開啟延伸程度，如圖2所示，增大了壓裂波及體系，使壓裂效果得到較大提升。該技術(shù)在吉林、大慶等低滲油氣藏取得良好效果。延長(zhǎng)石油集團(tuán)首次在鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖氣使用了前置CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)，與滑溜水壓裂相比，單井日產(chǎn)量由8 000 m3提升到20 000 m3以上，并獲得了日產(chǎn)6.92×104m3的高產(chǎn)氣流，取得了陸相頁(yè)巖氣產(chǎn)量的突破[14]。

圖2 不同CO2壓裂與水力壓裂對(duì)比Fig.2 Comparation of different CO2 fracturing and hydraulic fracturing

與干法壓裂相比，準(zhǔn)干法壓裂的最大優(yōu)勢(shì)是不需要對(duì)CO2進(jìn)行增黏，也避免了使用密閉混砂車，大大降低了技術(shù)難度。缺點(diǎn)是仍然要使用一部分水，存在儲(chǔ)層傷害和添加劑殘?jiān)膯栴}。目前，有研究人員在探索前置CO2壓裂+CO2泡沫壓裂的準(zhǔn)干法壓裂工藝，用水量會(huì)進(jìn)一步減少。

3.1.3 CO2干法壓裂

CO2干法壓裂指的是用純液態(tài)CO2完全替代水基壓裂液的一種壓裂技術(shù)。完全避免了水基壓裂液水敏劑高添加物殘?jiān)鼘?duì)儲(chǔ)層傷害的問題，是最為理想的CO2壓裂形式。但是由于純CO2的黏度比水低至少2個(gè)數(shù)量，攜砂能力非常差。如果通過增加攜砂液排量的方式又會(huì)增加地面設(shè)備損耗和安全風(fēng)險(xiǎn)。所以，CO2壓裂液往往會(huì)使用一些增黏技術(shù)。目前大多使用比較昂貴且有一定污染的含氟增黏劑[16]，或者大量加入其他有機(jī)溶劑[17]，無(wú)法達(dá)到商業(yè)化、低成本、無(wú)污染的要求。開發(fā)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的增黏技術(shù)是業(yè)界一個(gè)重要的發(fā)展方向，但目前還沒有能穩(wěn)定的將CO2黏度提高到壓裂作業(yè)所需黏度的技術(shù)。

近幾年，吉林油田、塔里木氣田及延長(zhǎng)石油等都在進(jìn)行CO2干法壓裂的探索。吉林油田采用增黏CO2進(jìn)行干法作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)施工5口井，單層最高加沙量20.5 m3，砂比14%。單層日產(chǎn)超過8.2 t[17]。

3.2 CO2壓裂技術(shù)難題及發(fā)展方向

縱觀CO2壓裂技術(shù)，各有特色，泡沫壓裂成本低，所需技術(shù)最簡(jiǎn)；準(zhǔn)干法壓裂繞開了密閉混砂車的技術(shù)難題，增產(chǎn)效果比泡沫壓裂好，所需成本與技術(shù)已基本具備；而干法壓裂沒有水相參與，完全杜絕了水鎖導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害問題，增產(chǎn)效果十分明顯，是CO2壓裂技術(shù)的終極目標(biāo)。目前，實(shí)驗(yàn)性干法壓裂在北美已取得實(shí)驗(yàn)成功，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開始研發(fā)可實(shí)用的干法壓裂技術(shù)[18]，當(dāng)前仍有多個(gè)技術(shù)瓶頸制約著干法壓裂技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其中CO2攜砂能力差是最主要的問題，解決這一問題的有效方法集中在兩個(gè)方面，一是使用增黏劑提高懸砂能力，二是采用超低密度支撐劑增加懸砂量。

通常CO2增黏劑應(yīng)當(dāng)可以溶于超臨界CO2，而CO2的溶解能力極低且規(guī)律性不強(qiáng)。這大大增加了CO2增黏劑的開發(fā)難度。一般在研制出可溶的CO2增黏劑后，還要進(jìn)一步進(jìn)行修飾，增進(jìn)其增黏特性直至達(dá)到工業(yè)可用水平。但由于CO2溶解性的不確定性，修飾往往導(dǎo)致增黏劑失去CO2溶解性進(jìn)而失效[19]。這是增黏劑開發(fā)的主要瓶頸。中國(guó)石油大學(xué)(北京)研發(fā)的高級(jí)脂肪酸在加量0.25%～2.50%條件下，可將液態(tài)CO2黏度提黏17～184倍[20]。黃程、張東曉等也研發(fā)了無(wú)污染低成本的CO2乳液增黏法，但都處于實(shí)驗(yàn)階段，仍需要繼續(xù)完善[21]。

關(guān)于低密度支撐劑，現(xiàn)階段應(yīng)用最多的低密度陶粒支撐劑，其密度小于1.45 g/cm3，要滿足CO2干法壓裂需要進(jìn)一步降低密度至1.0～1.3 g/cm3。目前，超低密度支撐劑的研發(fā)方向主要集中在工藝和材料兩方面。工藝方面，多孔式空心陶粒小球和覆膜工藝等降密度工藝的進(jìn)一步研發(fā)，從結(jié)構(gòu)上降低支撐劑的密度；材料方面，利用有機(jī)高分子材料、納米材料之超輕、超強(qiáng)度支撐劑將是今后一個(gè)新的研究方向[18]。

4 低滲致密油藏CO2驅(qū)油技術(shù)

低滲致密油藏采收率普遍較低，需要通過不斷補(bǔ)充地層能量來(lái)提高驅(qū)油效率，進(jìn)而提高采收率。目前常用的驅(qū)油方式是水驅(qū)和CO2驅(qū)。對(duì)于低滲致密油藏，由于其儲(chǔ)層物性差，非均值性強(qiáng)，產(chǎn)能低，流體滲流方式和滲流規(guī)律也比常規(guī)儲(chǔ)層多，在注水開發(fā)的過程中時(shí)常遇到注入壓力高、能量補(bǔ)充困難、難以有效建立驅(qū)替體系等問題，驅(qū)油效率較低。而用超臨界CO2代替水注入地層中后，會(huì)與原油和地層發(fā)生混相、萃取、溶解等作用，極大地提高了驅(qū)油效率[22]。

4.1 超臨界CO2與原油之間的相互作用

4.1.1 混相作用

混相作用是指從地面注入超臨界CO2到地下，當(dāng)?shù)貙訅毫咏虼笥谧钚』煜鄩毫Φ臅r(shí)候，CO2與原油的表面張力就會(huì)被降到極小值甚至為0，原油完全溶于CO2[23]，形成的這種溶液擁有更低的密度，更低的黏度，更好的流動(dòng)性，更易被采出。因此超臨界CO2在超低滲儲(chǔ)層中具有更高的驅(qū)油效率。當(dāng)?shù)貙訅毫π∮谧钚』煜鄩毫r(shí)，原油和CO2之間存在較強(qiáng)的表面張力，原油與CO2為兩相或部分混相，只有部分原油溶于CO2，原油物理性質(zhì)沒有得到大的改善，驅(qū)油效率低于混相驅(qū)。

4.1.2 萃取作用

萃取作用是通過超臨界CO2與原油混合后，萃取出原油中的輕質(zhì)部分，從而減少原油中的瀝青質(zhì)含量，改變其流動(dòng)性使其更易被驅(qū)出[24]。

4.1.3 溶解作用

溶解作用指的是CO2進(jìn)入地層之后，能將地下水酸化，對(duì)儲(chǔ)層中的長(zhǎng)石等礦物進(jìn)行溶解和腐蝕，形成更多次生孔隙，改變儲(chǔ)層物性，提高油氣產(chǎn)量。同時(shí)，CO2在驅(qū)油過程中會(huì)替換部分烴類而長(zhǎng)期滯留于地層中，實(shí)現(xiàn)CO2的永久埋存[22]，因此，CO2驅(qū)油已成為低滲致密油藏實(shí)現(xiàn)驅(qū)油和埋存雙贏的最佳技術(shù)手段。

目前比較成熟的CO2驅(qū)替技術(shù)為CO2混相驅(qū)、非混相驅(qū)。其中混相驅(qū)替效率最高，但需要地層壓力大于最小混相壓力(MMP)。非混相驅(qū)效率較低，但仍高于水驅(qū)效率。

4.2 CO2驅(qū)油技術(shù)現(xiàn)狀

非常規(guī)油氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大，但其儲(chǔ)層物性差，儲(chǔ)量豐度低，常規(guī)注水開發(fā)難以有效動(dòng)用，開發(fā)效果差。CO2驅(qū)油是這類油藏有效補(bǔ)充地層能量，提高油藏采收率的最有效方法[25]。國(guó)外自20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行CO2驅(qū)油理論的研究和礦場(chǎng)應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，目前已成為提高油田采收率的主要技術(shù)之一。我國(guó)自20世紀(jì)60年代首先在大慶油田針對(duì)陸相油藏開展CO2驅(qū)油技術(shù)探索，取得了一定認(rèn)識(shí)，但受氣源不足、井筒腐蝕嚴(yán)重及成本高等因素影響，技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒有取得較大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。近十多年以來(lái)，伴隨著非常規(guī)油氣的發(fā)展及大氣環(huán)境減碳的需要，CO2驅(qū)油技術(shù)得到快速發(fā)展，基本形成了適合我國(guó)陸相沉積環(huán)境的CO2驅(qū)油理論和工藝技術(shù)，并開展了大量先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，取得了良好效果。目前，我國(guó)CO2驅(qū)油技術(shù)根據(jù)驅(qū)油機(jī)理主要分為混相驅(qū)和非混相驅(qū)兩大類。

4.2.1 混相驅(qū)

當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥贛MP時(shí)，原油與CO2混為一相，具有更低的表面張力和黏度，使得原油更容易被采出。美國(guó)CO2驅(qū)項(xiàng)目大多數(shù)為混相驅(qū)，截至2014年，美國(guó)CO2驅(qū)項(xiàng)目數(shù)量達(dá)到128個(gè)，年產(chǎn)1 264×104t，原油最終采收率達(dá)60%～70%[22]。我國(guó)CO2混相驅(qū)開始的也比較早。20世紀(jì)60年代，大慶、吉林、勝利油田等先后都開展了CO2混相驅(qū)的研究與應(yīng)用，取得了良好的效果。如勝利油田2007年在純梁采油廠高89-1區(qū)塊開展混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)，部署10注14采井網(wǎng)，截止2019年底，CO2累計(jì)注入31×104t，累計(jì)增油8.9×104t，預(yù)計(jì)采收率提高了17.2%[26]。

4.2.2 非混相驅(qū)

地層壓力小于MMP時(shí)原油和CO2之間存在較強(qiáng)的表面張力。此時(shí)只有部分原油溶于CO2，所以驅(qū)油效率較混相驅(qū)較低，但仍高于水驅(qū)。當(dāng)油藏不符合混相驅(qū)條件時(shí)，完全可以采用非混相驅(qū)提高采收率。目前非混相驅(qū)的研究和應(yīng)用相對(duì)較弱，整體處于攻關(guān)階段，驅(qū)油機(jī)理、油、水和CO2三相滲流特征、CO2竄流規(guī)律等都需要不斷完善和攻關(guān)。而我國(guó)的低滲致密油藏有一大部分是不滿足混相驅(qū)的條件的，因此提高非混相驅(qū)的理論和技術(shù)研究有著巨大的實(shí)際意義。2012年，延長(zhǎng)石油集團(tuán)在靖邊喬家洼實(shí)施第1口井非混相驅(qū)實(shí)驗(yàn)并取得成功，至2014年已擴(kuò)大到5個(gè)注氣井組。注氣區(qū)塊產(chǎn)量遞減較前期衰竭式開采下降12.67%，比水驅(qū)采收率提高8%以上[27]，成為鄂爾多斯盆地特低滲油藏非混相驅(qū)的先行者。

4.3 CO2驅(qū)油技術(shù)難題及發(fā)展方向

與國(guó)外CO2驅(qū)油技術(shù)相比，我國(guó)CO2驅(qū)油技術(shù)主要針對(duì)陸相低滲油藏及非常規(guī)油藏，整體上還處于理論技術(shù)研究和局部區(qū)塊應(yīng)用狀態(tài)，尚未規(guī)模應(yīng)用。主要技術(shù)難題表現(xiàn)在兩大方面，一是原油性質(zhì)差，地層壓力低，混相壓力高，難以實(shí)現(xiàn)混相驅(qū)；二是油藏儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫發(fā)育，CO2驅(qū)極易發(fā)生氣竄，所以，研發(fā)有效降低油藏混相壓力的方法及防竄抑竄技術(shù)是非常規(guī)油氣CO2驅(qū)油的關(guān)鍵。

4.3.1 降低混相壓力技術(shù)

降低混相壓力多采用助溶劑、表面活性劑、低碳烷烴等添加劑來(lái)降低最小混相壓力，都能不同程度地降低一次接觸混相壓力[28]。由于驅(qū)油劑會(huì)提升最終產(chǎn)出原油的成本，驅(qū)油劑的成本需要非常低。其中，低碳烷烴效果最好，但單次作業(yè)需要注入的量很大，拉高了成本，同時(shí)運(yùn)輸和作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大，不適宜大規(guī)模開展；助溶劑、表面活性劑等化學(xué)劑的研究備受關(guān)注，其用量較小，但成本仍需

進(jìn)一步降低。所以研發(fā)效果更優(yōu)、經(jīng)濟(jì)性更好的降低混相壓力的化學(xué)添加劑是今后的一個(gè)重要方向。

除了通過添加劑降低混相壓力，改善混相條件也可以提高混相程度。具體方法是通過提高地層能量來(lái)提高油藏的混相程度。多采用先期注CO2、采油井燜井等方式提高地層能量，改善混相條件。蘇北盆地3個(gè)注氣井組分別采用超前1年、超前半年、同步、滯后4種注氣方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明超前注氣油井日增油幅度最高，見表1。但針對(duì)不同類型油藏注入?yún)?shù)的優(yōu)選和控制、注入時(shí)長(zhǎng)的判斷等都需要進(jìn)一步研究。

表1 CO2注入與見效時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of CO2 injection and effective time

4.3.2 防竄抑竄技術(shù)

非常規(guī)儲(chǔ)層基質(zhì)致密，非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫發(fā)育，且多以壓裂方式投產(chǎn)，產(chǎn)生大量人工裂縫，諸多因素導(dǎo)致CO2驅(qū)過程中極易發(fā)生氣竄，嚴(yán)重影響開發(fā)效果，所以，防竄抑竄非常重要，其核心技術(shù)包括氣竄通道的識(shí)別、描述和預(yù)警方法以及防竄抑竄工藝技術(shù)兩方面。

氣竄發(fā)生后，可通過對(duì)已經(jīng)形成的氣竄通道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)完成氣竄通道的識(shí)別和描述，但無(wú)法在氣竄通道形成之前進(jìn)行預(yù)警。所以，今后需要針對(duì)不同油藏地質(zhì)條件及不同開發(fā)階段氣竄通道的形成與演化規(guī)律進(jìn)行技術(shù)研究，充分利用相關(guān)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并對(duì)其統(tǒng)計(jì)分析，找出規(guī)律，建立基礎(chǔ)模型，再利用數(shù)值模擬技術(shù)建立氣竄通道識(shí)別和描述模型，建立一套基于生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的氣竄通道識(shí)別和描述技術(shù)，以便在氣竄形成之前對(duì)氣竄通道進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)。

關(guān)于防竄抑竄工藝技術(shù)，目前多采用氣水交替驅(qū)的方式來(lái)防止和抑制氣竄的發(fā)生。氣水交替驅(qū)是集成CO2驅(qū)和水驅(qū)優(yōu)勢(shì)而形成的一項(xiàng)驅(qū)油技術(shù)，方法是依次向油層注入水段塞和CO2段塞，目的是控制流體流動(dòng)速度，擴(kuò)大波及體積，抑制氣竄發(fā)生。一方面，注水形成的水段塞可有效降低氣體的指現(xiàn)象，控制氣竄并延長(zhǎng)CO2氣體突破時(shí)間，從而提高驅(qū)油效率；另一方面，水氣交替驅(qū)能夠大幅度降低氣驅(qū)后CO2的流速，減小油相流動(dòng)阻力，增大水相滲流阻力，使得原油更易被驅(qū)替出來(lái)。但該技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段，實(shí)際應(yīng)用中不同滲透率油藏驅(qū)油效果也不同，不同注采方式、不同注采參數(shù)以及注入時(shí)間驅(qū)油效果也不同，下一步需要探索不同類型油氣藏水氣交替驅(qū)注采參數(shù)優(yōu)化方法，優(yōu)選出適合不同類型油藏的注入氣水比例、段塞大小、注入速度、注水與注氣循環(huán)次數(shù)、注入水性質(zhì)等參數(shù)，以求實(shí)現(xiàn)波及體積最大化，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

5 CO2鉆井技術(shù)

5.1 超臨界CO2鉆井基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

CO2鉆井是以超臨界CO2代替水作為鉆井介質(zhì)的新型鉆井技術(shù)，在提高非常規(guī)油氣鉆井效率，實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。該技術(shù)目前仍處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，尚未投入大規(guī)模應(yīng)用。2000年，美國(guó)的J.J.KOLLE等首先開始超臨界CO2鉆井的可行性研究[29]，他們對(duì)曼柯斯頁(yè)巖進(jìn)行超臨界CO2射流破巖實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，超臨界CO2比水的破巖效果更好。超臨界CO2射流的鉆井速度是水射流的3.3倍，破巖所需能比僅為水力鉆井的1/5[14]。

中國(guó)石油大學(xué)(華東)的王瑞和[26]等人對(duì)超臨界CO2鉆井過程中的鉆井環(huán)空壓力分布影響因素、超臨界CO2攜巖能力、射流破巖機(jī)理及井壁穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素進(jìn)行研究和分析，最終得到的結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?)在相同換空排量和回壓下，超臨界CO2作為循環(huán)介質(zhì)時(shí)的循環(huán)壓耗比清水低36.7%；2)超臨界CO2攜巖最小環(huán)空返速與清水接近，遠(yuǎn)小于空氣的最小環(huán)空返速；3)超臨界CO2射流破巖產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可有效降低破巖門限壓力，提高破巖率。實(shí)驗(yàn)證明，在不同射流壓力下，超臨界CO2射流破巖深度是水的1.65～1.75倍；4)鉆遇水平層理硬質(zhì)巖層時(shí)，坍塌破壞指數(shù)始終為正值，井壁穩(wěn)定性好；5)超臨界CO2鉆井過程中，地層會(huì)消耗、吸收、埋存CO2，有利于CO2的資源化利用。超臨界CO2鉆井所表現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，表明其具有廣闊的發(fā)展前景[30]。

圖3 水與超臨界CO2射流實(shí)驗(yàn)Fig.3 Jet flow experiment of water and suppercritical CO2

目前，超臨界CO2鉆井的技術(shù)難題主要存在于特種設(shè)備的研發(fā)，CO2腐蝕性的處理，井口高精度壓力的控制及CO2增黏攜巖等，需要系統(tǒng)地、跨學(xué)科的進(jìn)行綜合研究與公關(guān)，最終形成針對(duì)不同類型非常規(guī)油氣藏的CO2鉆井技術(shù)體系。

5.2 超臨界CO2鉆井未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向

超臨界CO2技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)非常適合在連續(xù)油管、小井眼、微小井眼、短半徑水平井及輻射水平井中使用。

連續(xù)油管鉆井是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)低成本、高效率鉆井技術(shù)，由于連續(xù)油管省去了所有高壓接頭，要實(shí)現(xiàn)低固相鉆井液連續(xù)循環(huán)就必須保持高于破巖壓力的噴射壓力，在實(shí)際操作運(yùn)行中難度較大。而超臨界CO2射流破巖門限壓力低，破巖速度快，大大降低了噴射鉆井的工作壓力，彌補(bǔ)了連續(xù)油管鉆井的弱點(diǎn)。如果該技術(shù)獲得突破，可以大大降低非常規(guī)油氣的鉆井成本，提高鉆井效率。

小井眼、微小井眼、短半徑水平井等鉆井技術(shù)的最突出優(yōu)勢(shì)是低成本、小鉆機(jī)、小井場(chǎng)、細(xì)管材、泥漿及燃料消耗低，缺點(diǎn)是不能打深井，對(duì)鉆井液要求也高，尤其是鉆桿小，鉆壓難以加上，環(huán)空間隙小，攜巖非常困難。而超臨界CO2的低破巖壓力低，速度快，對(duì)鉆壓要求也比較低，同時(shí)，超臨界CO2黏度低的特點(diǎn)使其在環(huán)空中容易形成紊流，有利于攜巖，從而加大了鉆井深度。

6 展望及研究方向

綜上所述，CO2在非常規(guī)油氣藏方面的應(yīng)用有著巨大的潛力，相關(guān)的研究也在普遍開展。其中最有前景的3大技術(shù)是CO2壓裂、CO2驅(qū)油和CO2鉆井。3種作業(yè)都需要大量的CO2，3大技術(shù)如果能夠普遍應(yīng)用，將在碳排放交易市場(chǎng)產(chǎn)生巨大的需求，進(jìn)而促進(jìn)其他減排技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)。大幅推進(jìn)我國(guó)減排的進(jìn)程。

雖然CO2在非常規(guī)油氣開發(fā)、碳的資源化利用中擁有巨大潛力，但仍存在技術(shù)瓶頸，主要包括CO2增黏技術(shù)、超輕支撐技術(shù)、密閉混砂車技術(shù)、最小混相壓力控制、防氣竄技術(shù)、密閉鉆井技術(shù)、鉆井液相態(tài)控制技術(shù)等。除了以上討論過的問題外，還有幾個(gè)重要的問題需要解決。

6.1 CO2氣源

當(dāng)前工業(yè)級(jí)的CO2主要制備方法多為碳酸鈣熱解，這個(gè)過程將已經(jīng)礦化的CO2釋放出來(lái)，使得整個(gè)CO2資源化利用過程無(wú)法達(dá)到負(fù)碳的效果。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)CO2捕集技術(shù)，當(dāng)前，煤化工廢氣CO2捕集、發(fā)電廠CO2捕集技術(shù)、空氣CO2捕集技術(shù)已經(jīng)有序展開。這些研究均對(duì)實(shí)現(xiàn)負(fù)碳經(jīng)濟(jì)提供幫助

6.2 CO2儲(chǔ)藏與運(yùn)輸

CO2一般以液態(tài)形式儲(chǔ)存，由于常壓下CO2無(wú)法液化，罐體需要使用的電力保持高壓和低溫，因此，CO2儲(chǔ)藏本身就是一個(gè)有碳排放的過程。CO2運(yùn)輸有管道運(yùn)輸和罐車運(yùn)輸兩種方式，目前大部分情況使用的是罐車運(yùn)輸，這也是一個(gè)碳排放的過程。這對(duì)負(fù)碳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。目前，CO2管道運(yùn)輸是最為經(jīng)濟(jì)和低碳的方式，但需要前期投入大量人力物力。目前我國(guó)鄂爾多斯盆地的非常規(guī)油氣開發(fā)與CO2氣源相近，尤其是煤化工產(chǎn)生的是最合適開展CO2產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)的地區(qū)。

6.3 CO2密封件

CO2在高壓下幾乎可以溶解進(jìn)入所有橡膠物質(zhì)，提高橡膠物質(zhì)的脆性，降低其強(qiáng)度，所以CO2密封件需要頻繁更換。同時(shí)CO2作為一個(gè)酸性氣體，對(duì)金屬也有一定的腐蝕性，這使得CO2管道、閘門、泵體等頻繁出現(xiàn)泄漏。鄂爾多斯盆地的非常規(guī)油氣開發(fā)所需的CO2運(yùn)輸方案中，管道運(yùn)輸是最經(jīng)濟(jì)的方案。當(dāng)前，耐CO2腐蝕的金屬涂料已經(jīng)具有初步研究成果。通過其他方式進(jìn)行密封也正在進(jìn)行

6.4 CO2成本

由于我國(guó)特殊的地理及工業(yè)分布，CO2需求地和CO2產(chǎn)出地往往間隔甚遠(yuǎn)，這使得CO2運(yùn)輸成本大幅上升。不過隨著產(chǎn)業(yè)鏈的日益完善，CO2生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)某杀?，逐步降低。?dāng)CO2價(jià)格是夠低的時(shí)候，會(huì)催生一批新的需要CO2的產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)、水泥制造等，產(chǎn)生更大的需求，形成規(guī)模效應(yīng)而進(jìn)一步降低其成本，實(shí)現(xiàn)碳經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)。鄂爾多斯盆地的非常規(guī)油氣開發(fā)能夠起到碳排放產(chǎn)業(yè)鏈的帶頭和示范的作用。