相态变化与增能原理-煤层气开采工艺

CO2压裂液是由液态二氧化碳、原胶液和各种化学添加剂组成的混合液。压裂时CO2在高压下压入地层，储存能量，在关井过程中温度逐渐升高，达到31℃后CO2开始气化。物质随温度和压力变化的相态变化见图5－3。

图5－3　物质相态变化图

当开井放喷时，在地层裂缝或孔中的泡沫因压力下降，气泡迅速膨胀，产生很大的附加能量，驱使进入地层裂缝及孔隙中的液体迅速返排。靠二氧化碳增能作用，而不是靠消耗地层能量返排，减缓了地层压力的降落。井筒二氧化碳泡沫流体的静水压头低，一般泡沫柱的压头仅为水基液压头的30%～50%，大大减少了返排时的能量消耗。

图5－4为葡316井压裂施工及施工后的井底压力－温度变化情况。

图5－4　葡316井S3－1层压裂监测压力－温度与时间展开曲线

从井温曲线上看，施工过程中c－d段井底温度迅速下降，施工结束时（d点）降到最低点，约20.1℃，此时二氧化碳为液态。关井后温度开始回升，22.8min后升到31℃（e点），二氧化碳开始大量汽化，关井142min后（f点），开始开井返排，此时温度已恢复到75℃，且随着压裂液返排，温度上升速度减缓，说明此时已有地层中的液体靠二氧化碳膨胀而排出。

从压力曲线上看，开始返排时，井底压力迅速下降，经历637.6min后压力降到最低点（g点），此时井底压力只有6.198MPa，低于相同深度的静液柱压力，说明井筒中液柱被完全排出，此时井筒中充满从地层中排出的低密度泡沫液。(www.xing528.com)

从相同时间的返排率对比看，二氧化碳压裂的葡316井排液38.7h，其返排率为86.3%；水力压裂的葡311井排液45.3h，返排率平均值为60.26%，见表5－1。

表5－1　二氧化碳泡沫压裂与水力压裂累计返排率对比

图5－5为葡316井与葡311井返排率－时间曲线对比。

图5－5　葡316井与葡311井返排率－时间曲线对比

从相同返排率所需时间对比看，达到返排率66.3%时，二氧化碳压裂的葡316井、水力压裂的葡311井所需的排液时间分别为11.2h和182.8h，葡316井排液时间是葡311井的6%，可见，二氧化碳压裂返排速度更快，放喷阶段即为主要排液阶段。

实施CO2泡沫压裂后，不但返排时间短，而且返排率较高，很大程度上降低了由于压裂液进入储层形成水锁作用而对储层造成的伤害。