中國非常規油氣儲量豐富，將成為未來重要的接替能源。但非常規油氣藏的共同特點是孔隙度和滲透率低，這決定了其必須進行儲層改造才能實現。近年來水力壓裂技術取得了長足的進步，大大加快了頁巖氣等非常規油氣商業開發進程，同時也面臨著一系列挑戰，如水資源消耗大、儲層黏土膨脹、地下水污染、返排液處理困難等。超臨界CO2流體黏度低、擴散系數高、表面張力接近于零，具有諸多獨特的物理和化學性質，自２０世紀初被引入到鉆完井工程中后，表現出了諸多優勢。
超臨界CO2壓裂容易使儲層形成復雜裂縫網絡，同時流體中不含水，不會引起儲層黏土膨脹；此外，超臨界CO2壓裂后返排迅速，可大大縮短油氣井的非生產時間，提高經濟效益；同時CO2吸附性強，能夠在置換頁巖中吸附的甲烷分子提高產量和采收率的同時，實現CO2的埋存。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。
１CO2超臨界CO2壓裂技術
１.１CO2超臨界CO2壓裂技術的起源CO2在常溫常壓下是無色無味的氣體，性質穩定，無燃爆性，易被液化，易于回收循環利用，是一種環境友好的“綠色流體”。雖然液態CO2在油氣勘探開發中的應用已有３０多年的歷史，但超臨界CO2流體的壓裂特性和優勢近十幾年才被發現和關注。
當溫度達到３１.３℃、壓力超過７.３９CO2ＭＰａ時，CO2流體便處于超臨界狀態。超臨界CO2流體既不同于液體，也不同于氣體，具有許多獨特的物理化學性質。超臨界CO2的密度接近于液體，黏度接近于氣體，而且擴散系數較高、表面張力接近于零，具有很強的滲透能力以及良好的傳熱、傳質性能，并且在油藏條件下很容易達到CO2的臨界條件。
１.２CO2超臨界CO2壓裂技術流程
超臨界CO2壓裂工藝流程與CO2干法壓裂主要的區別在于如何保證在井底的CO2處于超臨界態。通常作業層位埋深淺、地溫梯度小、注入排量較大時，需要在地面配備加熱裝置或利用地面壓裂設備運行時產生的余熱對CO2進行加熱，以保證施工時CO2處于超臨界態；如果作業層位埋深較深，井下溫度足夠高時，地層可直接對其進行加熱，并輔以排量控制等手段使其達到超臨界態。
根據超臨界CO2流體特性和非常規油氣資源的開發特點，首先進行噴砂射孔作業，利用密閉混砂車將液態CO2與磨料充分混合，經高壓管線輸送到壓裂車。壓裂車組將混合流體通過連續油管泵入到井筒中。地層條件下，如果排量適中，一般井深超過７５０ｍ后CO2便能達到超臨界態。混合流體逐漸下行，溫度壓力不斷升高，當到達噴射壓裂裝置后，產生高速超臨界CO2磨料射流，射穿套管和儲層巖石，形成射流孔道。
射孔完成后進行壓裂作業。通過連續油管或連續油管與環空同時泵入純凈液態CO2，液態CO2在下行過程中轉變為超臨界態。超臨界CO2射流直接噴射到射流孔道中，產生比水射流更強的孔內增壓效果，從而壓開儲層。
對于常規油管壓裂方式，可先進行地層射孔，隨后下入光油管到射孔段并錨定，也可以采用水力噴砂射孔，隨后用CO2替換井筒中的水，進行后續的壓裂作業。后續的壓裂過程與連續油管噴射壓裂相同。
２CO2超臨界CO2壓裂巖石起裂機制
２.１CO2超臨界CO2對巖石物性的影響
超臨界CO2與巖石之間的相互作用會對巖石的力學特性、礦物組成、孔滲特性等巖石物性產生影響。研究表明，CO2在頁巖上的吸附能力遠大于ＣＨ４，而這種吸附效應會對頁巖的單軸抗壓強度和楊氏模量造成損傷。這是由于CO2相較于ＣＨ４具有更高的等量吸附熱、更大的表面勢能和Ｇｉｂｂｓ自由能，使CO2在頁巖表面吸附的自發性和相互作用力均高于ＣＨ４，進而使頁巖產生非均質性吸附膨脹，導致頁巖的力學性質被劣化。同時，超臨界態的CO2具有更強的吸附能力，會使這種劣化作用更明顯。此外，對于超臨界CO2溶蝕效應引起的頁巖微觀結構的變化，一些學者通過掃描電鏡（ＳＥＭ）、Ｘ射線衍射（ＸＲＤ）和ＦＴＩＲ分析等研究手段分析發現，超臨界CO2良好的溶解能力會使處理后的頁巖內部有機質和礦物成分（如蒙脫石、高嶺石和方解石）出現不同程度減少，孔隙的比表面積降低，從而形成了新的孔隙結構并使原有孔隙尺寸增加。
頁巖經超臨界CO2處理后表面形貌發生了明顯的變化，頁巖原生孔隙受到溶蝕，部分礦物質被溶解。同時，經過超臨界CO2處理后，頁巖與水的接觸角增大，降低了頁巖的表面張力，從而減少水在其中的流動阻力，在微孔隙處不易形成水塞，有利于油氣的采出。超臨界CO2的溶蝕效應一方面有利于頁巖中ＣＨ４滲流特性的改善，同時也會對頁巖的吸附性能、氣體的流動機制產生影響，這些變化在進行產能預測及CO2封存潛力評估時應予以考慮。目前該方面研究大多停留在對巖石表面特性變化的檢測研究，對巖石深部特性的變化報道較少。
２.２CO2起裂機制
裂縫的起裂傳播機制及產生裂縫網絡的復雜程度是壓裂施工設計的重要考慮因素。超臨界CO2壓裂液相比水基壓裂液，具有起裂壓力低、易形成復雜裂縫網絡、破裂斷面粗糙的特點，主要原因是：
（１）超臨界CO2的低黏特性。模擬實驗表明，超臨界CO2的黏度遠低于水基流體，且表面張力接近于零，其滲透性遠高于水基流體。在壓裂過程中，相比于水基壓裂液，超臨界CO2更容易穿透巖石中互不連通的微孔隙，將流體壓力傳遞到巖石深部，在井筒周圍形成高孔隙壓力區。孔隙內壓力的增加會引起井筒周圍有效應力的降低，并降低巖石的強度，使巖石更易起裂，誘發微裂縫。因此超臨界CO2壓裂的起裂壓力明顯低于液態CO2壓裂和常規水力壓裂，這在數值模擬和室內實驗中均得到了驗證。
（２）超臨界CO2與水基流體在熱物理性質上的差異。在壓裂過程中，作用在巖石上的高壓超臨界CO2流體在巖石起裂時進入裂縫的瞬間，由于焦耳－湯姆遜效應會使流體溫度發生驟降而產生溫差，而在水基流體中幾乎不會出現這種現象。這種溫度的變化會引起超臨界CO2流體相態的變化，從而獲得較高的裂縫擴展速度并促進形成復雜縫網。同時，在巖石起裂的瞬時低壓期間，如果裂縫的熱量能迅速擴散到低溫流體中，則在裂縫產生的熱應力能夠顯著增加巖石的損傷破壞，這種作用會促使附加裂縫的擴展進而形成復雜的裂縫網絡。
由于壓裂過程中超臨界CO2的物性參數對溫度壓力變化敏感，流體流動與傳熱復雜，還存在濾失、吸附與解吸、多相流動、化學反應等多方面的復雜影響，使得目前針對超臨界CO2壓裂起裂的研究主要是對實驗現象的满堂彩，而缺乏對內在機制的研究。
３CO2超臨界CO2縫內攜砂
３.１CO2超臨界CO2攜砂液縫內運移特性
加砂量是影響壓裂井產量的重要因素之一，一般而言加砂量與改造井的產氣量具有正相關性。超臨界CO2的黏度較低，施工狀態下只有０.０２～０.１６CO2ｍＰａ·ｓ，遠小于傳統壓裂液的黏度，致使超臨界CO2攜砂液中的支撐劑在裂縫內容易發生沉降形成砂堤，對形成的復雜裂縫難以實現有效支撐，進而影響壓裂改造效果。
超臨界CO2攜帶支撐劑在裂縫中的堆積程度明顯高于滑溜水，即超臨界CO2在裂縫內的攜砂能力要弱于滑溜水等水基壓裂液。除了使用增黏劑來提高攜砂能力外，有學者認為流體高速流動時產生的湍流同樣能夠使低黏壓裂液有效攜帶支撐劑：在湍流的作用下會增大與粗糙壁面的摩擦，進而減緩其在縫內的沉降速度。
另外，對于低黏壓裂液中的支撐劑攜帶，裂縫表面的粗糙程度、壓裂形成縫網的復雜程度以及隨縫寬減小而增大的拉曳效應均能有效減緩其沉降速度，對支撐劑在裂縫內的鋪置效果和導流能力產生一定影響。
４CO2超臨界CO2壓裂井筒流動
超臨界CO2流體的物性參數對溫度、壓力的變化較為敏感，明確壓裂過程中超臨界CO2的井筒流動規律對于安全、作業具有重要意義。
超臨界CO2壓裂流體的注入主要有油套同注或油管注入兩種方式。程宇雄等參照超臨界CO2應用方向，對油套同注的壓裂方式進行研究，建立了超臨界CO2噴射壓裂井筒流動模型，并以異常低地溫梯度地層為例計算分析了井筒流動流體的相態控制問題，認為井筒溫度的控制是噴射壓裂過程中流體相態控制的關鍵。針對油管注入這種方式，郭建春等考慮井筒內溫度、壓力和CO2物性參數相互耦合的特點，利用連續性方程、運動方程、能量方程及傳熱學理論，建立了超臨界CO2壓裂井筒非穩態－壓力耦合流動模型。
目前該方面研究主要針對于直井壓裂過程中相關參數預測，且均集中于理論模型研究，對外部條件進行了過多的簡化，并且缺乏室內或現場試驗驗證，實用性不強。另外，目前中國水平井數量逐年增加，對于水平井井筒溫度、壓力參數預測尚未開展有效研究。
５CO2超臨界CO2壓裂設備
超臨界CO2壓裂所需設備與CO2干法壓裂基本相同。現場施工經驗表明，加砂濃度難以控制、井下易砂堵以及設備頻繁超壓是CO2壓裂過程中的常見問題，導致常規壓裂設備難以適用于超臨界CO2壓裂，其中對混砂及增壓設備提出了更高要求。
在超臨界CO2壓裂作業中，混砂車中的CO2需在一定溫度、壓力條件下保持為液態，同時還要保證支撐劑能夠連續加入這種帶壓環境中，這就使常規混砂設備無法滿足施工要求，必須使用能夠加壓保溫的密閉混砂裝置。早期CO2加砂壓裂施工中，由于混砂設備技術參數的限制，加砂量有限，嚴重制約了產能提升效果。
６CO2超臨界CO2壓裂現場試驗
超臨界CO2壓裂是繼CO2干法壓裂之后又一種全新的無水壓裂技術，該技術對CO2作用于儲層時的相態满堂彩更為準確，施工技術參數設計更符合超臨界CO2特性。目前該技術整體處于基礎研究階段，僅有少量的現場試驗，且均集中在中國。
７CO2超臨界CO2壓裂存在的主要問題及發展趨勢
超臨界CO2壓裂技術經過十幾年的發展，取得了長足進步。但一些關鍵技術問題仍未突破，相關機理仍不明確，其工業應用面臨著一系列挑戰。主要表現在４個方面。
（１）攜砂能力差，易砂堵。超臨界CO2的黏度遠低于水基壓裂液的黏度，其密度也比水小，在井筒和縫內攜砂過程中容易沉降，堆積在井底或者裂縫跟端，造成壓裂施工過程中井底和縫端頻繁砂堵。
（２）流動摩阻高，易超壓。超臨界CO2在井筒中的流動摩阻明顯高于常規的水基壓裂液，尤其在噴嘴噴射階段，超臨界CO2射流摩阻更大，需要較大的施工壓力才能達到排量要求，造成地面設備頻繁超壓，影響正常施工。
（３）壓裂機理認識不清。超臨界CO2是一種可壓縮性極強的流體，同時其物理性質受溫度和壓力影響較大，因此在壓裂過程中的高溫高壓條件下，其與巖石的相互作用機制非常復雜，不僅要考慮壓力場和溫度場，而且要考慮超臨界CO2濾失，超臨界CO2物性參數變化，以及化學作用。超臨界CO2壓裂起裂和裂縫擴展雖然做了大量工作，但只是停留在表面現象的觀測和分析，深層次的機理問題仍未得到解決。
（４）地面和井下專用設備工具缺乏。超臨界CO2流體性質與水有較大差別，常規壓裂設備不能滿足作業要求，如混砂設備、井下噴射壓裂工具、地面循環冷卻裝置等，需要結合超臨界CO2的特殊性質，研制專用的地面和井下設備。
面對上述難題，超臨界CO2壓裂技術可以從以下方向取得突破：①提高攜砂能力方面，現階段可以研制新型環保增黏劑，未來隨著納米纖維技術的發展，在超短纖維增黏方面將取得突破，實現超臨界CO2物理增黏；同時開發超低密度支撐劑，相應的提高支撐劑的懸浮能力；②降低摩阻方面，可以結合增黏劑的研制，開發適合于超臨界CO2的降阻劑，此外，也可以通過提高流體流動截面積的方式降低流動阻力，如增大井筒直徑，從鉆井設計之初就考慮后續超臨界CO2壓裂完井方式；③壓裂起裂和裂縫擴展機理方面，需要采用擴展有限元、邊界元或更高級的模擬方法，追蹤裂縫起裂和擴展過程中的多場耦合作用，輔以實驗手段，深入認識和揭示裂縫起裂和擴展機理；④地面和井下專用設備工具方面，在常規水力壓裂技術基礎上，結合超臨界CO2流體特性，通過數值模擬和實驗測試等手段，研制大排量、大混砂能力、耐高壓的地面泵組、大功率地面循環冷卻裝置等，低溫地層壓裂條件下應用的地面加熱系統，以及配套專用井下裝置。
這些主要問題的解決將進一步推動超臨界CO2壓裂技術的現場應用步伐，促進該技術的快速發展。同時，也要積極推進相關輔助問題的解決，如井筒壓力和溫度預測、水合物防控等問題，以進一步提高該技術的成熟度。未來超臨界CO2壓裂技術將逐漸從目前的直井單層壓裂向水平井多級壓裂發展，從傳統的油管壓裂向連續油管拖動壓裂發展，逐漸滿足頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等非常規油氣的規模化開發需求。
