非常规天然气储层超临界二氧化碳压裂工程基础研究

Fracturing is an effective method to realize commercial development in unconventional reservoir (tight gas and shale gas) due to the low porosity, low permeability, small pore throat size and large gas flow resistance. However, fracturing also brings about water sensitivity and contaminant problems to unconventional reservoir. Supercritical carbon dioxide fracturing is a new effective method and has advantage to decrease carbon-dioxide emissions. The objective of the project is to study the key problems of the stimulation of unconventional gas reservoir by applying supercritical carbon dioxide fracturing techniques, including: study the filtration behavior of supercritical carbon dioxide in unconventional gas reservoir (tight gas and shale gas), and mathematically model the filtration of supercritical carbon dioxide; aiming at avoiding the formation damage, study the method to viscosify the supercritical carbon dioxide fracturing fluid; build up the transitivity equation describing the unsteady flow of different supercritical carbon dioxide-proppants system after viscosifying in the fracture; develop the methodology of estimating the transportation of proppants; build up the coupled computational model of temperature and pressure field in the fracture; develop the theory and methodology controlling the supercritical carbon dioxide phase behavior. The goal of the project is to develop models and methodologies to optimize the design of supercritical carbon dioxide fracturing project to support the development of unconventional gas reservoir in China. More importantly, this project will contribute to the improvement of the theoretical level and international influence of unconventional gas reservoir development techniques of China.

非常规天然气（致密气和页岩气）储层一般呈现低孔隙度、低渗透率、低孔喉半径等特征，气流阻力大，水力压裂是实现商业开采的常用手段。但水力压裂存在水敏、储层污染等一系列问题。超临界二氧化碳压裂是一种经济有效的压裂新方法，并具有减排优势。本项目针对非常规天然气储层超临界二氧化碳压裂改造工程中的关键科学问题，通过攻关，揭示超临界二氧化碳在非常规天然气储层中的滤失规律，建立储层中超临界二氧化碳压裂液滤失描述的数学方程；基于避免储层伤害的原则，探索出超临界二氧化碳压裂液增粘方法；建立裂缝内增粘后不同超临界二氧化碳压裂液体系中支撑剂的二维非稳态输送方程，给出支撑剂在裂缝中的跟随性评价方法；建立超临界二氧化碳相态控制方法；得到超临界二氧化碳压裂参数优化设计方法，形成具有自主知识产权的非常规天然气储层超临界二氧化碳压裂改造的基础理论体系，为我国非常规天然气藏高效开发提供支撑。

非常规天然气（致密气和页岩气）储层一般呈现低孔隙度、低渗透率、低孔喉半径等特征，气流阻力大，水力压裂是实现商业开采的常用手段。但水力压裂存在水敏、储层污染等一系列问题。超临界二氧化碳压裂是一种经济有效的压裂新方法，并具有减排优势。.本课题针对非常规天然气储层超临界二氧化碳压裂工程基础研究进行攻关，采用调研、实验、理论、计算、模拟等手段，系统研究了超临界二氧化碳压裂液在非常规天然气储层中的滤失规律和吸附驻留机理，超临界二氧化碳压裂液增粘机理及支撑剂的运移规律和跟随性，超临界二氧化碳压裂液在裂缝中的流动特性和相态控制方法，超临界二氧化碳压裂水力参数优化设计和现场实验。研发了页岩中超临界二氧化碳流体滤失、吸附解吸附及渗流驱替实验装置、超临界二氧化碳相平衡及增粘效果评价实验装置、超临界二氧化碳裂缝携砂流动实验装置。开发了新型超临界二氧化碳增粘剂、超临界二氧化碳增粘及支撑剂跟随性评价实验技术和实验方法，建立了超临界二氧化碳压裂非常规天然气储层的两相滤失速度计算模型、超临界二氧化碳压裂液体系下裂缝中支撑剂跟随性计算模型、超临界二氧化碳压裂液在裂缝内的流动模型、超临界二氧化碳压裂液在井筒和裂缝内的流动阻力的计算方法和相态控制模型，得到了超临界二氧化碳压裂液在非常规油气储层中的滤失规律和吸附驻留机理、支撑剂在超临界二氧化碳压裂液体系中运移规律，揭示了聚合物增粘剂在超临界二氧化碳中的溶解和增粘机理，掌握了超临界二氧化碳压裂滤失速度、相态控制方法及水力参数优化设计方法，并通过现场试验评价了超临界二氧化碳加砂压裂的增产效果及其经济性，对研发非常规油气资源的超临界二氧化碳压裂增产新技术具有重要学术意义。.研究结果表明：超临界二氧化碳压裂液压力与稳定滤失速度近似呈线性降低关系， 超临界二氧化碳增粘后能够有效降低滤失速度；二氧化碳在页岩中的吸附量与温度、压力和有机碳含量均有关系，有机碳含量是影响甲烷和二氧化碳吸附的主要因素；开发的氟化丙烯酸酯共聚物能够有效增加超临界二氧化碳的粘度，在5wt%浓度下可以使其粘度增大400余倍；支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性和运移性与支撑剂的密度、粒径及超临界二氧化碳的密度、流速均有关系；压裂施工中应根据不同地温梯度选择二氧化碳压裂液的注入温度，以控制裂缝内的二氧化碳的相态；超临界二氧化碳压裂现场试验结果表明，超临界二氧化碳压裂液体系和水力参数设计方法具有现场可