泡沫压裂工艺技术课件

CO2泡沫压裂工艺技术 提纲 一、国内外技术现状 二、CO2基本性质 三、CO2压裂技术的优缺点与适用性 四、CO2泡沫压裂液体技术 五、压裂设计技术 六、施工工艺技术 七、CO2干法压裂 八、HSE要点 案例 CO2泡沫压裂是以CO2泡沫压裂液为主体命名的。 CO2泡沫压裂液是由液态CO2、水冻胶和各种化学添加 剂组成的液-液两项混合体系，在向井下注入过程中，随温度 的升高，达到31临界温度以后，液态CO2开始气化，形成 以CO2为内相，含高分子聚合物的水基压裂液为外相的气液 两相分散体系。由于泡沫两相体系的出现，使流体粘度显著 增加；同时，通过起泡剂和高分子聚合物的作用，大大增加 了泡沫流体的稳定性；由于泡沫结构的存在，形成了低滤失 、低密度和易返排的压裂液特性。因此，CO2泡沫压裂液流 体具备了压裂液的必要条件，并拥有了常规水基压裂液不能 相比的多种优势，部分改进现有压裂设备和操作程度，即可 进行施工。 一、国内外技术现状 1、国外CO2在油气田应用状况 p在油田开发中的应用 CO2驱油 冷采技术 p在油气田压裂增产上的应用 增能助排 泡沫压裂 干法压裂 自50年代起，国外便开始试验应用550% 浓度的CO2 伴注压裂，取得了良好的返排效果。八十年代初期，美国、 加拿大各油田开始进行泡沫质量65-80%的CO2泡沫压裂试验 研究，提高了压裂液粘度，加快了返排，降低了伤害，提高 了压裂改造效果。近年来，国外在CO2干法压裂方面开展试 验研究工作，实现了无水压裂，在水敏性地层改造中取得了 显著增产效果,到目前为止, 有50多个油田进行了 CO2干法压 裂，一些井的产量增加了近10倍。总之，国外在CO2伴注、 CO2 泡沫压裂和CO2干法压裂等方面已趋成熟，并形成了配 套装备与工艺技术系列。 1、国内CO2在油气田应用状况 p在油田开发中的应用 CO2驱油 冷采技术 p在油气田压裂增产上的应用 增能助排 泡沫压裂 国内各油田在CO2 压裂方面尚处于起步阶段。90年代起 ，吉林、大庆等油田在CO2伴注和CO2吞吐解堵等方面进行 尝试应用，取得了一定效果。 近年以来，川庆工程院在长庆气田从 CO2增能压裂、泡 沫压裂方面通过研究攻关，建立了CO2泡沫压裂技术体系， 并开展了CO2干法压裂的前期研究，取得了良好的效果 二、CO2基本性质 在物理上，CO2有三种不同的相态，气 态、液态和固态。其临界温度和压力分别为 31和1071PSI。在18液态条件下，CO2 密度为1.020g/cm3，转化为0，1atm下的 气态标准体积为517m3。 三、CO2压裂技术的优缺点与适用性 1、CO2压裂技术优缺点 主要优点： 低伤害 快返排 高携砂能力 主要缺点： 高摩阻 成本相对较高 安全方面要求相对高 四、CO2泡沫压裂液体技术 1、基本要求： 冻胶液体系具有酸性环境下的可交联能力。 泡沫压裂液体体系具有对温度变化具有较强 的适应能力。 良好的破胶性能。 与地层流体配伍性良好。 2、基液冻胶液 主要体系：羧甲基胍胶体系。 羟丙基胍胶液体系。 酸性冻胶液体系。 交联剂：对于羟丙基胍胶液体系专门的酸性 交联剂。 添加剂：防膨剂、破乳剂、破胶剂等由实验结果确 定类型与加量。 基本配方（以常用的羟丙基胍胶液体系为例）： 基液：羟丙基胍胶+起泡剂+稳泡剂+破乳剂+ 防膨剂+铁离子稳定剂 胶联剂：专用酸性交联剂 破胶剂：配套常用破胶剂 3、压裂液综合性能评价 p基液浓度与粘度 p交联比 p抗剪切性能 p耐温性能 p破胶性能 p防膨性能 p配伍性 p伤害率 五、压裂设计技术 压裂设计主要内容： p 泡沫质量设计 p 裂缝几何参数设计 p 支撑剂量 p 排量 p 砂比 p 摩阻（压力预测） p 温度场分析 p 施工程序设计 （一）、几个概念 p泡沫质量 在一定温度压力下，气态CO2占总泡沫压裂液的比例 称CO2泡沫质量。 按CO2泡沫质量大小分为： 伴注泡沫液（6570%）泡沫呈连续相， 一般情况下，CO2泡沫压裂特指泡沫质量大于65 70%，泡沫质量达到100%时，也就是全部用CO2压裂 时，称为干法压裂。 p恒定泡沫质量设计。 是指按恒定冻胶液与液态CO2排量注入井内 保持泡沫质量不变的压裂施工程序设计。 优点：施工方便，易于控制。 缺点：难以发挥泡沫压裂的优势。 适用范围：主要用于低泡沫质量的压裂施工 （如CO2伴注压裂）。 p变泡沫质量设计 是指按冻胶液排量由小到大与液态CO2排量 由大到小注入井内，泡沫质量持续或阶段性变化 （一般是由高到低）的压裂施工程序设计。 优点：充分利用了泡沫液的低滤失、低伤害 优点，提高了造缝能力。 缺点：提高压裂砂比较困难；施工程序比较 复杂；施工控制难度较大。 适用范围：水敏、水锁伤害大的地层，以及 确定要达到泡沫压裂的施工。 p恒定内相、外相设计 这里的相指存在于压裂液中的气、液、固三种相 态。压裂设计中，将支撑剂（固相）纳入CO2（ 气相）进行的相关参数与工艺的设计称作恒定内 相设计。相反则为恒定外相设计。 （二）、 CO2泡沫质量设计 p 地质特征； p 压裂规模； p 施工参数； p 施工压力与摩阻； p 井筒条件； p 设备能力； p 作业成本； p 安全控制。 一次压裂设计中，CO2泡沫质量的设计依据以 下几个原则： 泡沫质量 （三）、裂缝几何参数设计 裂缝几何参数优化设计方法与常规压裂基本相 同。加砂量与优化的裂系统相匹配。 （四）、压裂排量与砂比设计 p泡沫压裂排量设计考虑的主要因素： 1、实现优化裂缝系统目标，保障一定的动态裂 缝宽度，以及要求的裂缝长度。 2、根据泡沫质量大小，对冻胶液和液态CO2 排量分别分阶段设计。 3、摩阻与井筒、井口承压能力。 4、滤失系数。 5、温度因素。 p砂比设计 砂比除裂缝系统要求达到的无因次导流能力外， 更多依赖于压裂液的性质和有没有砂浓缩器。 液体性能好 可提高砂比 液体性能好 有砂浓缩器 高砂比 （五）、摩阻与压力设计 1、摩阻 泡沫液一般具有较高的沿程摩阻，其摩阻系数与液相材料性质、泡 沫质量、流速、管径及表面粗糙度等因素有关。CO2泡沫压裂液亦不例 外。 要确定一种CO2泡沫压裂液体系的摩阻系数，通常有二种主要做法 ： 一是室内试验方法。在不同施工排量、管柱下进行地面模拟测试， 以获得其摩阻系数。 二是通过现场试验进行实时监测，计算不同状态下的摩阻系数。 在某一特定条件下，得到的CO2泡沫压裂液在不同施工排量、管柱下 的施工摩阻系数，以及在31/2油管中，不同泡沫质量下的摩擦压降如图 所示。可以看出一般性的规律：CO2泡沫质量越高，摩擦压降越大。 2、压力预测 p在CO2泡沫液摩阻系数确定后，施工中的井口压 力预测与常规压裂的预测方法是相同的。 （六）、井筒、裂缝内温度场分布温度场所分析 CO2泡沫压裂液不同于常规的水基压裂液体系，压力、 温度对其流变性影响较大 。 首先需要对CO2泡沫压裂液在实际施工条件下的流 变特性及对流换热特性进行试验评价，其次应找到泡沫流 体的对流换热规律，建立了相应的数学模型，达到预测 CO2泡沫压裂井筒、裂缝内温度场分布。 （七）、施工程序设计 施工程序设计分为泵注程序和施工工艺程序两个主要部分： 泵注程序 冻胶液注入程序 液态CO2相注入程序 携砂冻胶液排量 加砂程序 排量 通 井 、 洗 井 由于 CO2泡沫压裂过程中摩阻较高，因此一般选择大尺 寸的压裂管柱（如31/2油管或油套环空）进行CO2泡沫压 裂施工。 下 压 裂 管 柱 连接 井口 与地 面管 线 井口与地面 管线试压 CO2注入部 分循环冷却 CO2注入部分 地面管线试压 压裂 关井 放喷 排液 六、施工工艺程序 CO2井口 气化 CO2泡沫压裂地面管线与井口示意图 主要配套设备 主压裂车机组两套（一套泵注冻胶携砂液，一套泵注液态CO2） 混砂车 平衡车 CO2循环泵车 CO2储罐及罐车 冻胶液储罐 高低压管汇 压裂井口等 如为了提高砂比，可在井口增加砂浓缩器 三、CO2泡沫压裂技术 压后管理 根据裂缝温度场模拟计算结果及裂缝闭合时间： （1）压后关井3060min； （2）针阀开启程度由小到大，控制放喷； （3）在保证裂缝不吐砂、压裂液破胶的前提下，最大 限度地利用气体能量，快速、彻底排液。缩短液体在 地层中的滞留时间，降低储层伤害，提高CO2泡沫压裂 改造效果。 （一）CO2干法压裂定义 为了提高纯液体CO2压裂中压裂液的粘度，在对液 体CO2压裂液增粘过程中发展改良了一些液体CO2压裂 工艺技术，这些技术与原来的纯液体CO2压裂技术一起统 称为CO2干法压裂技术。 CO2干法压裂即指用液体CO2或以液体CO2为基液 形成的乳状液或泡沫液作为携砂液进行压裂的技术。 七、CO2干法压裂介绍 北美从1981年开始利用纯液态CO2体系作为压裂 液，从1994年开始利用N2/CO2泡沫体系作为压裂液 进行干法压裂施工，现场应用1000多口井，与泡沫 压裂相比其压后5年的效益比为6.5，充分体现了无 水压裂的优势。 （二）CO2干法压裂技术特点及其适应性分析 CO2干法压裂的优点： （1）基本上不对地层产生伤害； （2）压后排液更加迅速彻底。 CO2干法压裂面临的问题 液态CO2粘度太低（在储层环境下约0.030.10mPas），为水 的十分之一，由此带来的是携砂能力差、液体容易滤失等问题。 CO2干法压裂适合于以下几种气层的开发： （1）低渗透气层； （2）水敏性地层； （3）滞留有压裂液的高渗透气层。 CO2干法压裂在研究应用过程中，发展了两 种压裂工艺技术： 液态CO2/支撑剂干法压裂工艺技术 以液态CO2为基液的泡沫压裂工艺技术 1、压裂材料的组成：液态 CO2压裂液、支撑剂、 胶凝剂（深井压裂时使 用）。 2、压裂设备：CO2储罐、 N2储罐、管汇、混砂车 、高压压裂泵车。 3、工艺流程 （见右图） （三）液态CO2/支撑剂干法压裂工艺技术 1 、 “CO2+N2”泡沫压裂工艺技术 “CO2+N2”泡沫压裂液是在液态CO2中注入N2形成泡沫，泡沫的 形成既增加了粘度又减少了CO2的使用量。当支撑剂同常规泡沫一样 被包括在压裂液内时，支撑剂就成为内相的一部分。 2、 “CO2+N2+起泡剂”泡沫压裂工艺技术 对