超臨界CO2聚能壓裂技術突破煤層氣高效開采瓶頸
碳捕集利用與封存國際創新研究院王海柱教授團隊在美國巖石力學研討會上發表創新成果，首次提出超臨界CO2聚能壓裂技術。該技術利用高壓超臨界CO2動態致裂煤體，配合“聚能沖擊+油套同注”等工藝方式實現高壓超臨界CO2多次、持續注入，使儲層產生一定規模且不受地應力控制的復雜裂縫網絡，具有無水、環保、安全、高效等技術優勢。團隊成員利用自主研發的真三軸超臨界CO2聚能壓裂實驗系統開展了高階煤和低階煤的室內壓裂實驗，并與常規水力壓裂、超臨界CO2壓裂煤巖井筒壓力和成縫特征進行對比。
技術原理與優勢
與傳統的高壓氣體爆破致裂技術不同，超臨界CO2聚能壓裂技術在利用高壓超臨界CO2動態致裂 儲層的同時，配合“聚能沖擊+油套同注”等工藝方式可實現高壓超臨界CO2多次、連續注入，從而克服傳統水力壓裂準靜態加載裂縫單一、高壓氣體爆破致裂動態加載裂縫規模小等問題，使儲層產生一定規模且不受地層應力控制的裂縫網絡，具有無水、環保、安全、高效等技術優勢。超臨界CO2聚能壓裂技術有望在高效改造煤層的同時實現CO2的地質埋存。該方法通過地面泵車向帶有特定聚能工具的壓裂管柱內持續泵注可壓縮的超臨界CO2流體，當管柱內壓力超過工程設計壓力時，在壓力作用下聚能工具泄流通道自動打開，高壓超臨界CO2可控沖擊波迅速沖擊致裂煤體，持續注入CO2直至設計用量，驅動原生裂縫和致裂裂縫持續向前擴展，進而在煤層形成具有一定范圍的改造區域。為確保注入目標層位的CO2處于超臨界態，需要在井口配備加熱設備對CO2進行加熱。
壓裂工藝可行性
以CO2干法壓裂技術為代表的CO2壓裂技術已經在我國吉林油田、延長油田、蘇里格氣田等開展了 現場試驗，在壓裂工藝及配套裝備方面取得了長足進展，為超臨界CO2聚能壓裂技術的現場應用奠定了基礎。
(1) 配套裝備。與常規CO2干法壓裂或超臨界CO2壓裂相比，超臨界CO2聚能壓裂對專業設備的需求較少，現場可操控性較強。由于超臨界CO2聚能壓裂無需泵注支撐劑，避免了使用密閉混砂車在技術和 成本上的限制。超臨界CO2聚能壓裂地面設備主要由液態CO2儲罐、CO2增壓泵車、CO2壓裂泵車和壓 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。因而現有常規CO2壓裂地面設備即可滿足超臨界CO2聚能壓裂的施工需求，僅需對井下聚能工具進行特殊設計，滿足定壓開啟、管柱配套、循環使用以及密封性等不同增產工藝的要求。
(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，即通過油管 (連續油 管) 向聚能工具內注入超臨界CO2，聚能工具泄流通道打開后采用油管 (連續油管) 和油套環空同注的形 式實現高排量CO2注入，驅動裂縫持續向前擴展，進而擴大地層改造范圍。同時，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行定點單次、定點多次、多點多次沖擊等多種沖擊致裂模式，以滿足不同工況對壓裂工藝的需求。
(3) 施工成本。與常規水力壓裂相比，超臨界CO2聚能壓裂無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壓裂中密閉混砂車等專業設備的作業費用。同時，考慮到CO2對作業管柱及 設備存在一定的腐蝕，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行防護，在一 定程度上增加了成本。超臨界CO2聚能壓裂作業費 用包括CO2材料和運輸費用、聚能工具設計與制造費用以及壓裂設備作業和維護費用等，且隨著國家碳減排與利用技術的持續進步，CO2材料成本將進一步降低，因而超臨界CO2聚能壓裂具有一定的成本優勢。
應用前景
煤層氣資源的高效開發承擔著保障煤礦高效生產、減少瓦斯事故的安全責任以及補充清潔能源供應、 助力“雙碳”目標實現的重要使命。作為非常規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構調整中扮演橋梁接替作用。一方面，現有以淺部煤層、中高階煤開發為主導的煤層氣田需采用加密井網、二次改造等手段實現老區盤活、穩產增產。另一方面，需要向深部煤、低階煤和煤系氣等新領域開拓，以扭轉當前煤層氣開發面臨的“儲量多、產量低” 困局。 該技術適用于原生結構煤，在煤層氣老區盤活和新區改造方面具有廣闊的應用前景。特別是受地質構造運動程度弱、煤體結構保存完整的深部煤層，可利用CO2與煤層CH4競爭吸附促進CH4解吸流動， 同時實現CO2的永久埋存，將是未來重要的發展方向。
原文鏈接：http://onepetro.org/ARMAUSRMS/proceedings-pdf/ARMA22/ARMA22/ARMA-2022-0182/4085608/arma-2022-0182.