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1、CO2增产技术改造煤层的 可行性探讨 1 目 录 前 言 1 CO2的来源和基本的物理特性 1 1 CO2的来源 1 2 CO2的基本物性 2 国内外CO2增产技术的应用 3 煤层强化改造的现状和需解决的问题 4 CO2增产技术的可行性研究 4 1 CO2吞吐工艺技术的可行性 4 2 CO2增能助排压裂工艺的可行性 4 3 CO2泡沫压裂工艺的可行性 5 对CO2泡沫压裂的认识 2 摘要 本文通过对煤层CH4脱吸附原理和CO2基本特性 的介绍 结合国内设备配套和施工能力 经过分析和 推理 提出利用CO2吞吐 CO2增能压裂和CO2泡沫压裂 的可行性 根据我国目前煤层改造的现状 进一步阐 述了应
2、用CO2泡沫压裂对煤层实施强化改造的重要性 建议尽早开展专题研究 对煤层实施CO2泡沫压裂改造 以提高煤层气产量 主题词 煤层气 CO2 泡沫 压裂 可行性 3 前 言 煤层是一种特殊的富含有机质的岩层 它不仅固体 有机质含量高 多数煤层还吸附着丰富的CH4 甲烷气也称煤层气 当煤层原地条件被改变 煤 层压力降到解吸压力以下时 CH4将逐步脱离煤体 的吸附而在煤层的微孔隙 空隙和裂隙中遵循一 定的规律运移 从而成为能够被开发和利用的天 然气 4 我们可以在煤矿开采的同时 在矿井下进行CH4的 抽排 也可以通过钻井和煤层强化改造 在深部煤 层进行CH4的开发 CO2增产技术在油气层强化改造 方面
3、已经取得了令人满意的效果 在煤层强化改造 方面 美国和加拿大的工程师也应用了CO2增产技 术 其中CO2泡沫压裂工艺技术已被广泛地应用于 煤层压裂改造 并取得了显著的经济效益 5 我国煤层气的预测地质储量达到30万亿m3以上 由于沉积环境 地质背景和构造演化等种种差异 我国多数煤田的煤层渗透率极低 特别是高变 质的无烟煤 虽然含气量极高 但由于煤层的渗 透率特低 难以得到较好地开发利用 二十世纪 九十年代以来 尽管应用水力压裂工艺技术对煤 层进行强化改造 取得了一定的效果 但是由于 煤层的特殊物理性质 常规的水力压裂技术增产 效果不理想 因此 寻找更有效的煤层强化 6 增产技术显得十分重要 经
4、过近几年的探索和研 究 我们认为利用CO2泡沫压裂工艺技术和CO2吞 吐工艺技术可以有效地改善煤层的原始结构 提 高煤层的有效渗透率 促进CH4的解吸 增加煤层 气井的产能 提高煤层气开发的经济和社会效益 7 1 CO2的来源和基本的物理特性 1 1 CO2的来源 CO2作为一种矿产资源在地下能够运移和富集形 成CO2气田 并且具有很高的纯度 例如吉林农安 的CO2气田产出的CO2纯度达到96 以上 已探明和控 制地质储量达到100 108m3以上 CO2也可以从工业废气中提纯 大型石化厂和火 力发电厂排放的CO2气体能够利用成熟的工艺技术 进行提纯 完全可以满足泡沫压裂工程的需求 8 1 2
5、 CO2的基本物性 CO2在不同的条件下能够以气态 液态和固态三 种相态存在 在 56 60 和0 531MPa的条件下 CO2 以气态 液态和固态三种相态同时存在 该点即为 CO2的三相点 在压力低于0 531MPa的条件下 CO2 只能以固态 干冰 或气态的相态存在 CO2的临界 温度为31 04 临界压力为7 391MPa 当温度高 于31 04 时 CO2不能以液态存在 9 CO2相对于空气的密度为1 532 是一种比空气重 的气体 CO2由液态变为气态其体积增加546倍 标况 它是一种极易膨胀的气体 CO2微溶于水 形成弱酸性水溶液 其PH值在3 3 3 7之间 10 co2相态图
6、图1 11 CO2与N2基本物性表 表1 12 13 2 国内外CO2增产技术的应用 美国和加拿大是最早应用CO2增产技术的国家 二 十世纪八十年代 他们已经配套了比较完善的设备和 工艺技术 并在油气井中广泛应用CO2吞吐和CO2泡沫 压裂工艺 世界最大的石油工程服务公司哈里伯顿和 斯伦贝谢都掌握和应用着当今最先进的CO2增产技术 他们为世界各地的油田开发提供工程技术服务 特 别在稠油开发和特低渗 低压油藏的改造方面 CO2 增产技术显示出更加优越的特点 二十世纪九十年代 斯伦贝谢公司将CO2泡沫压裂工艺技术成功地14 应用于煤层改造 使一批低产煤层气井的产量得到大幅 度的提高 给煤层气的开发
7、提供了强有力的支持 目前 CO2泡沫压裂工艺技术已被广泛地应用于煤层气的强化 改造 并取得良好的经济效益和社会效益 我国在二十世纪九十年代中期才引进CO2增产设备 开始CO2增产技术的研究工作 在吉林油田 CO2增产 技术最早应用于稠油开采 通过向油层中注入CO2使CO2 溶混于原油中 大幅度地降低原油粘度 利用CO2气体 的膨胀 增加溶解气驱的能量 提高油井的产量 获得 了较好的经济效益 15 中原油田在2002年引进了一整套斯蒂文森公司生 产的CO2增产设备 2003年用于稠油井的吞吐开发 单层一次性泵注CO2量为235 375t 泵注排量0 5t 0 6t min 泵注压力24 30MP
8、a 泵注CO2的温度为 18 32 泵注结束关井15天后下泵抽排 单井平均 增液量9 5t d 单井平均增油量7 5t d 原油粘度平 均下降38 原油凝固点温度一般下降10 对稠油 开发起到了积极作用 CO2泡沫压裂工艺技术在我国 开展的不普遍 仅从吉林油田发表的资料看 CO2泡 沫压裂效果普遍好于常规的油井压裂 其增产效果 16 一般是常规压裂增油量的1 77倍 有效期在2年 左右 中原油田从引进CO2泡沫压裂设备时 就配 套引进了斯伦贝谢的CO2泡沫压裂工艺技术 目前 已具备CO2泡沫压裂的基本条件 正准备对低压 低渗气层进行泡沫压裂改造 而对煤层的泡沫压 裂项目正在研究之中 17 3
9、煤层强化改造的现状 和需解决的问题 我国的煤层强化改造始于二十世纪九十年代初 期 最早采用的是清水激励 施工规模小 没有 支撑裂缝 效果非常差 九十年代中期 引进了 常规油层水力压裂工艺技术 采用清水 活性水 线性胶 交联胶对煤层实施强化改造 施工规 模和加砂量都有了很大提高 并且在局部地区取 得了突破 点燃了我国煤层气产业的希望 经过 80多口井的试验和应用 各种压裂液的缺点充分 暴漏 见表2 18 压裂液性能对比表 表2 19 20 n常规的水力压裂很难在煤层中形成长而具 有高导流能力的裂缝 交联胶对煤层的伤害没 有彻底解决 因此 我国的煤层强化改造受到 了严重挑战 现实告诉我们 必须找到
10、更好更 可靠的方法改造煤层 才能推动煤层气产业向 前发展 经过我们认真的研究 认为以下几个 问题急需解决 21 1 适合不同型煤层气井完井方法的优选 2 高效率低伤害压裂液的研究应用 3 高导流能力支撑裂缝的支撑剂及组合优选 4 应用现代设计软件优化施工设计 5 提高施工工艺水平 对低渗煤层实施大规 模强化改造 6 加快煤层CH4的解吸速度 降低残余吸附量 提高采收率 7 加强压裂后期管理 降低排采和作业对煤 层的伤害 8 逐步研究和建立煤层气井产能评价方法 22 4 CO2增产技术的可行性研究 4 1 CO2吞吐工艺技术的可行性 CO2在低于临界温度和高于临界压力条件下 能够以 液体的状态用
11、专用的泵注入煤层 泵注的排量 压力 流体温度在一定范围内可调 进入煤层的CO2可能是 纯液体 也可能有一部分溶于地层水中 随着泵注量 的不断增加 CO2将沿煤层的孔隙和裂隙进入到煤层的 深部 由于CO2溶于水形成的水溶液呈弱酸性 且具有 较低的表面张力和界面张力 所以它具有一定的溶蚀 能力 可以解除部分矿物质的堵塞 有效防止粘土23 矿物的膨胀和运移 能改善和提高煤层的渗透率 据有关资料介绍 在同等地层条件下 CO2比 CH4更容易吸附在煤的颗粒表面 由此可知 向煤 层中注入一定量的CO2后 关井一段时间还可以置 换出一定量的CH4 这不仅提高了煤层CH4的采收 率 也加快了CH4的脱吸附速度
12、 对提高煤层气井 的产量十分有益 但是在向煤层中增注CO2的同时 也会使煤层的温度下降 可能会造成冷伤害 因此必须控制好注入速度和液态CO2的温度 在放 喷排液的过程中 由于CO2的体积膨胀 24 可能会使煤层的流体流速过快 导致机械颗粒的运 移 对煤层造成伤害 所以必须控制好放喷速度 有效地保护煤层 4 2 CO2增能助排压裂工艺的可行性 目前国内应用于煤层压裂改造的压裂液全部为水 基压裂液 无论是线性胶或是胶联胶都是用活性水 配制 由于需压裂改造的煤层多数为低压 低渗煤 层 所以在压裂施工中压裂液的高滤失和压后的难 返排成为影响压裂效果的重要因素 因此在压裂前 置液和携砂液中加入一定量的C
13、O2能有效的解决以上25 问题 这种体系的压裂液由于泡沫质量低于52 通常 都称为增能体系压裂液 压裂液中混入一定量的CO2后 在泵注过程中仍然 是液态体系 当压裂液进入煤层以后 由于热交换作 用和表面活性剂的作用 部分CO2将变为气体而分散于 液体中 从而能够有效降低压裂液的滤失 提高压裂 液造缝和携砂能力 使压裂的有效缝长更长 更宽 支撑裂缝具有更高的导流能力 同时溶于水的CO2能够 使压裂残液保持较低的PH值 防止次生沉淀物的生成 另外水溶性CO2液体具有较低的表面张力 利于压 26 裂残液的返排 更重要的是CO2由液态变为气态体积迅 速增大 在煤层中起到增能作用 利用这种作用可以 使压
14、裂残液迅速地得到返排 缩短排液时间 减少煤 层伤害 提高压裂效果 CO2的强吸附作用还可以置 换部分煤层CH4 提高煤层CH4的采收率 使煤层气井 获取更好的效益 4 3 CO2泡沫压裂工艺的可行性 泡沫压裂主要是采用泡沫压裂液进行加砂压裂 泡沫是气体分散于液体中的分散体系 泡沫提供了比 较高的压裂液粘度和优良的支撑剂携带能力 27 典型的泡沫压裂施工设计泡沫质量为70 75 80 一般情况下泡沫质量选择60 90 随着泡沫质量的增 加 泡沫的稳定性和粘度也增大 但当泡沫质量超过 90 时 泡沫恢复成雾状 泡沫压裂适用于低压 低渗和强水敏性储集层 泡沫压 裂液具有易返排 低滤失 高粘度 携砂能
15、力强 压裂 液效率高 对储集层伤害小 增产效果好等优点 泡沫压裂施工难点在于 压裂施工中需要较高的注入压 力 需要配套特殊的泵注设备 压裂施工难度大 不安 全因素较多 28 4 3 1 CO2泡沫压裂设备配套 CO2泡沫压 裂施工应配备常规水力压裂所用的全套压裂 设备 主要包括混砂车 仪表车 管汇车 泵车 储液 罐等 还应配备以下特殊设备 目前国内已基本配套 齐全 A CO2液罐车 用于储运和供给CO2液体 B CO2增加泵 用于从CO2液罐中吸液供给CO2泵车 C 防冻液罐车 用于对高压管线的清扫 防止结冰 D 气控车 用于控制泵车和管汇上的气控阀的开启与 关闭 29 E 可调式安全泄压阀
16、用于高压管线的安全泄压 F 高压密度计 用于准确的计量和确保顶替液量 G 单流阀 旋塞阀和气控阀 用于施工的安全操作和 放压 4 3 2 泡沫压裂液的现状 泡沫压裂液由液相 气相和起泡剂组成 液相 线性胶 交联胶 烃类化合物及酒精 气相 N2 CO2 起泡剂 阳离子表面活性剂 阴离子表面活性剂 30 非离子表面活性剂 混合型表面活性剂 泡沫压裂液根据其组成的不同可分为稳定泡沫 高级泡沫 酒精泡沫和稳定油基泡沫等几个类型 其特点见表3 31 常用泡沫压裂液特性表 表3 32 泡沫压裂液的性能受很多因素的影响 除了 压裂液添加剂的影响外 还受地层条件和施工参 数的影响 因此 在进行泡沫压裂前 需要进行 配伍性和流变性试验 以确定最佳的配方和施工 参数 保证施工的顺利和安全成功 中原油田引进和应用的CO2泡沫压裂技术是 美国斯伦贝谢的工艺技术 因此主要介绍斯伦贝 谢公司的几种常用压裂液 33 斯伦贝谢公司常用的泡沫压裂 表4 34 YF800粘度 时间曲线 图2 35 4 3 3 CO2泡沫压裂设计 泡沫压裂工艺是在常规压裂工艺的基础上发展产生的 因此泡沫压裂的设计思路与常规加砂压裂有许多相
