一種迅速發展的非常規油氣儲層改造增產新方法:超臨界CO₂ 壓裂

2024年05月14日07:45:16 科學 1844

我國頁岩油氣、煤層氣等非常規油氣資源儲量豐富,大力推進非常規油氣高效開發對於緩解我國能源供需矛盾、保障國家能源安全意義重大。但非常規油氣儲層孔隙度和滲透率較低,必須進行儲層改造才能實現商業化開發。近年來水力壓裂技術取得了長足進步,大大加快了非常規油氣開發進程,同時也面臨著一系列挑戰,如水資源消耗大、儲層污染、返排液難處理等。超臨界CO₂ 流體黏度低、擴散係數高、表面張力接近零,具有許多獨特的物理和化學性質,自20 世紀初被引入鑽完井工程中後,表現出了諸多優勢。超臨界CO₂ 壓裂易使儲層形成複雜裂縫網路,同時不會引起儲層黏土膨脹,儲層壓裂改造效果好;此外,CO₂ 吸附性強,能夠在置換吸附態的甲烷分子,提高產量和採收率的同時,實現CO₂ 永久封存。因此,超臨界CO₂ 壓裂技術被認為是一種具有廣闊應用前景的新型無水壓裂技術

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超臨界CO₂ 射流剖面的速度矢量圖與壓力雲圖

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水射流與超臨界CO₂ 射流破岩效果對比圖

在我國CO₂ 排放日益增加、主要油氣產區水資源短缺的背景下,中國石油大學(北京)王海柱教授及其研究團隊率先提出超臨界CO₂ 壓裂增產新方法,並在國家重點基礎研究發展計劃(簡稱973計劃)、國家自然科學基金重點國際(地區)合作研究項目、國家自然科學基金國際(地區)合作研究與交流項目、國家自然科學基金優秀青年科學基金項目、國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年科學基金項目(2014CB239203, 51210006, 41961144026, 51922107, 51874318, 51304226)等的資助下,歷經十餘年持續研究,堅持「創新原理—參數設計—礦場試驗—推廣應用」的研究思路,形成了非常規油氣儲層改造與增產特色技術取得了非常規油氣綠色「無水」增產技術的突破,在超臨界CO₂ 流體特性與射流基礎、超臨界CO₂ 噴射壓裂基礎等方面取得了較系統的理論研究成果

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《超臨界CO₂壓裂基礎》(王海柱等編著. 北京:科學出版社,2024.3)一書是在沈忠厚院士和李根生院士的指導下,對十幾年來研究工作的成果總結。全書共九章,系統總結了作者及其研究團隊在超臨界CO₂ 壓裂基礎理論研究方面的最新成果,覆蓋了超臨界CO₂ 壓裂技術中噴射壓裂井筒流動與控制、射流破岩與孔內增壓、壓裂起裂機理、支撐劑輸送和現場應用實例等內容,以圖表、數據等形式,生動地闡述了超臨界CO₂ 壓裂技術各個環節相關的基礎理論。

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  • 第一章介紹了超臨界CO₂ 流體的物理性質及密度、黏度、導熱係數等參數的計算方法;

  • 第二章介紹了超臨界CO₂ 噴射壓裂井筒流動與控制;

  • 第三章通過數值模擬和室內試驗的研究方法,闡述了超臨界CO₂ 射流及破岩特性;

  • 第四章採用理論分析、數值模擬與室內試驗相結合的研究方法,介紹了超臨界CO₂磨料射流特性;

  • 第五章研究了超臨界CO₂ 噴射壓裂孔內增壓機理,分析了關鍵參數對孔內增壓和環空封隔效果的影響規律;

  • 第六章通過研究超臨界CO₂ 與儲層岩石相互作用機制等闡述了超臨界CO₂ 壓裂起裂機理;

  • 第七章闡述了超臨界CO₂ 壓裂過程中水平環空超臨界CO₂ 攜砂運移特性和規律;

  • 第八章研究了平直和複雜裂縫內攜砂機理及規律;

  • 第九章以陝西延長石油(集團)有限責任公司(簡稱延長石油)一口試驗井為例對超臨界CO₂ 壓裂技術的現場施工工藝進行了介紹,並針對存在的問題給出了相應的解決對策。

本書第一章由王海柱撰寫,第二章由王海柱和李小江撰寫,第三章由田守嶒和賀振國撰寫,第四章由王海柱和賀振國撰寫,第五章由李根生和程宇雄撰寫,第六章由王斌和楊兵撰寫,第七章由王海柱和陸群撰寫,第八章由王海柱和鄭永撰寫,第九章由王海柱撰寫。全書由李根生院士統籌指導,王海柱統稿。

本書可供從事儲層壓裂改造,碳捕集、利用與封存及其他石油工程領域相關專業的高等院校師生、科研人員和工程技術人員參考,希望能對從事這一領域的科研工作者有所啟示

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本文摘編自《超臨界CO₂壓裂基礎》(王海柱等編著. 北京:科學出版社,2024.3)一書「前言」,有刪減修改,標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-077981-6

責任編輯:萬群霞 崔元春

(本文編輯:劉四旦)

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