超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)

張 琳，胥 豪，牛洪波，劉曉蘭

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017)

氣體鉆井有別于常規(guī)鉆井技術(shù)，其采用空氣、天然氣或者氮?dú)獾茸鳛檠h(huán)介質(zhì)，攜帶巖屑并冷卻鉆頭，但由于其循環(huán)介質(zhì)密度太低，難以產(chǎn)生足夠的扭矩來驅(qū)動井下馬達(dá)，因此氣體鉆井通常只應(yīng)用于直井段鉆進(jìn)。為了克服這個難題，美國路易斯安那州立大學(xué)在20世紀(jì)90年代對超臨界CO2鉆井可行性進(jìn)行了研究和現(xiàn)場試驗(yàn)。CO2在溫度高于31.1℃和壓力高于7.38 MPa的情況下為超臨界流體[1～6]。利用超臨界CO2進(jìn)行鉆井時，超臨界狀態(tài)的CO2具有接近于液體的密度，同時其粘度也比較大，因此可以驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)動并攜帶巖屑，可以應(yīng)用于定向井和水平井。

1 超臨界CO2物理特性

CO2氣體無色無味，分布廣泛，獲取簡單，三相點(diǎn)為 －56.56℃、0.52 MPa，臨界點(diǎn)為31.10℃、7.38 MPa[5～14]，當(dāng)溫度和壓力大于臨界點(diǎn)時，其達(dá)到超臨界狀態(tài)(見圖1)。

圖1 CO2相態(tài)圖

當(dāng)CO2氣體溫度和壓力逐漸升高時，CO2從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，同時密度也逐漸增加;當(dāng)溫度和壓力高于臨界點(diǎn)后，呈現(xiàn)為超臨界狀態(tài)。在從氣態(tài)變?yōu)槌R界狀態(tài)時，其密度變化是連續(xù)的。CO2氣體的密度可調(diào)范圍非常大[11]，最大密度可達(dá)1200 kg/m3，與常規(guī)鉆井液和欠平衡鉆井時的鉆井液密度比較接近(見圖2)，顯示出超臨界CO2鉆井技術(shù)寬廣的應(yīng)用前景。另一方面，隨著相態(tài)的變化，CO2氣體的粘度變化范圍也較大，特別是從氣態(tài)變化為液態(tài)時出現(xiàn)粘度突變[11]。當(dāng)CO2呈超臨界狀態(tài)后，其粘度還將進(jìn)一步增加，但總體介于液態(tài)和氣態(tài)之間。因此可知，超臨界CO2具有常規(guī)鉆井液的密度范圍，其粘度又介于氣體和液體之間，可以驅(qū)動井下馬達(dá)工作，并攜帶井筒巖屑，同時低粘度還有利于降低循環(huán)壓耗，在深井和超深井鉆井時具有極大的優(yōu)勢。

圖2 超臨界CO2與常規(guī)欠平衡鉆井流體密度對比

2 超臨界CO2鉆井技術(shù)流程

超臨界CO2鉆井技術(shù)主要應(yīng)用于一些特殊的油氣藏，如非常規(guī)油氣藏、壓力衰竭型油氣藏等，并且多配合連續(xù)管技術(shù)使用。圖3為超臨界CO2連續(xù)管鉆井示意圖，CO2存儲于儲罐內(nèi)，并通過制冷機(jī)確保低溫狀態(tài)，確保其處于液態(tài)，便于通過高壓泵注入連續(xù)管內(nèi);進(jìn)入連續(xù)管的CO2隨著壓力的升高進(jìn)入到超臨界狀態(tài)，從而驅(qū)動井下馬達(dá)轉(zhuǎn)動破巖并攜帶巖屑返出井筒，最后經(jīng)氣體凈化器分離，分離后的CO2再次進(jìn)入儲罐從而循環(huán)利用。

圖3 超臨界CO2連續(xù)油管鉆井

3 超臨界CO2鉆井技術(shù)的優(yōu)勢

超臨界CO2鉆井屬于一種新的鉆井技術(shù)，由于流體的密度、粘度比較特殊，因此體現(xiàn)出諸多的鉆井優(yōu)勢。

3.1 有利于提高鉆井速度，縮短建井周期

超臨界CO2鉆井提高鉆井速度，縮短鉆井周期主要來源于以下3個方面的優(yōu)勢。

3.1.1 水楔作用更強(qiáng)

超臨界CO2鉆井破巖機(jī)理與常規(guī)水射流破巖機(jī)理相類似，主要體現(xiàn)為空化破壞作用、水射流沖擊作用、水楔作用等，但由于其密度、粘度、擴(kuò)散性等方面與常規(guī)鉆井液有很大的區(qū)別，因此其水楔作用更加突出[11]。圖4為常規(guī)水射流與超臨界CO2射流破巖的一個對比示意圖。當(dāng)采用水射流破巖時，水流在壓差作用下進(jìn)入地層裂縫，并向深部流動，但受制于毛管力的作用，其進(jìn)入深度有限;而采用超臨界CO2鉆井時，由于超臨界狀態(tài)下的CO2粘度小、擴(kuò)散性好，并且不存在表面張力，因此不會受制于毛管力的作用，可以進(jìn)入到更深的裂縫，從而提高射流能量的傳遞，提高破巖速度。

圖4 常規(guī)水射流與超臨界CO2射流破巖對比

3.1.2 門限壓力更低

Kollé和Marvin的研究成果充分證明采用超臨界CO2鉆井時，破巖門限壓力比常規(guī)鉆井液鉆井要低，其中大理石巖樣的破巖門限壓力比常規(guī)鉆井時低約2/3，頁巖巖樣的破巖門限壓力比常規(guī)鉆井液時要低1/2甚至更多;同時室內(nèi)試驗(yàn)證明，在曼柯斯頁巖中利用超臨界CO2作為鉆井液的鉆進(jìn)速度是用水時的3～4倍，破巖所需比能僅為用水力鉆井時的 1/5[11]。

3.1.3 鉆井復(fù)雜情況少

由于超臨界CO2鉆井時井筒流體不含水分，因此可以避免上部泥頁巖地層遇水膨脹、垮塌、縮徑等復(fù)雜情況，從而減少復(fù)雜情況發(fā)生的機(jī)率，減少鉆井周期。

3.2 有效保護(hù)儲集層，提高原油采收率

常規(guī)水基鉆井液含有大量的固相顆粒，這些固相顆粒在鉆進(jìn)過程中會逐漸進(jìn)入地層，堵塞油氣流通通道;另一方面鉆井液濾液滲入地層并與地層內(nèi)的粘土礦物發(fā)生反應(yīng)，也會堵塞孔喉，導(dǎo)致儲層傷害、產(chǎn)量降低。而超臨界CO2鉆井時，流體里不含水分和固相，因此不會造成儲層傷害;同時還能改善近井地帶的油氣滲流通道[2]，從而提高原油采收率。

3.3 對于低滲透油氣藏、非常規(guī)油氣資源意義重大

低滲透油氣藏和非常規(guī)油氣藏開發(fā)難度大，常規(guī)開發(fā)方式經(jīng)濟(jì)效益較低，而采用超臨界CO2鉆井技術(shù)卻可以大大提高開發(fā)效率。其原因主要在于超臨界CO2鉆井可大大提高機(jī)械鉆速、降低復(fù)雜情況發(fā)生機(jī)率、減少儲層傷害、改善油氣流通通道，另外由于超臨界CO2表面張力為零，有利于油氣資源的置換和驅(qū)替。

3.4 充分發(fā)揮連續(xù)管鉆井技術(shù)優(yōu)勢

連續(xù)管技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間，近年來發(fā)展比較迅速，但受制于連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)、循環(huán)壓耗大、攜巖能力弱等問題，其應(yīng)用范圍受到了極大的限制，而超臨界CO2鉆井有望極大地發(fā)揮連續(xù)管鉆井的技術(shù)優(yōu)勢。首先超臨界CO2鉆井破巖門限壓力低，降低了泵壓要求;其次可以利用馬達(dá)進(jìn)行定向井、水平井鉆井;再者超臨界CO2流體粘度遠(yuǎn)低于常規(guī)鉆井液粘度，循環(huán)壓耗小;最后低粘的超臨界CO2流體易形成紊流，提高攜巖效果。

3.5 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

由于超臨界CO2鉆井鉆速快，大大縮短了鉆井周期，并且降低了鉆井設(shè)備功率，減少了能源耗費(fèi)，因此可以大大降低開發(fā)初期的鉆井成本;同時超臨界CO2鉆井避免了儲層傷害，可以節(jié)約相應(yīng)的投產(chǎn)前期近井帶儲層改造費(fèi)用，節(jié)約開發(fā)成本。

3.6 環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢

超臨界CO2不僅可以利用CO2進(jìn)行強(qiáng)化采氣，換得清潔能源，而且還可以將大量CO2注入儲層，實(shí)現(xiàn)永久封存，并從碳排放較多的企業(yè)或國家獲取碳交易方面的收益，從而進(jìn)一步降低頁巖氣開發(fā)成本。此外，超臨界CO2鉆井液適應(yīng)性廣，與常規(guī)水基或油基鉆井液相比，它容易回收利用，對環(huán)境無污染，節(jié)約了鉆井液和環(huán)境治理費(fèi)用。

4 超臨界CO2鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

4.1 流體物性研究

早在19世紀(jì)50年代，Robb W L等人就對超臨界CO2流體的粘度和擴(kuò)散性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2流體的粘度比常壓氣體的粘度高出一個數(shù)量級，其擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體的擴(kuò)散系數(shù)，具有良好的傳質(zhì)性能。1972年，Jasper J J等人對CO2的表面張力規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO2變?yōu)槌R界狀態(tài)時，表面張力降至零。2000年左右，Marr R等人研究了超臨界CO2的密度隨溫度、壓力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其密度對溫度和壓力的變化十分敏感，微小的波動即可導(dǎo)致其密度的急劇變化。

2005年，西南石油學(xué)院袁平等人分析國外相關(guān)的狀態(tài)方程模型，優(yōu)選出適合于超臨界CO2相態(tài)計(jì)算的PR－EOS模型，并從相態(tài)理論和狀態(tài)方程出發(fā)，研究超臨界CO2相變行為，并對超臨界CO2可能導(dǎo)致井噴的原因進(jìn)行了分析[7]。2007年，美國路易斯安那州立大學(xué)Aladwani等人進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，提出了鉆井液PVT模型，模擬了鉆井液物性參數(shù)粘度、密度、壓縮因子隨深度變化的規(guī)律。沈忠厚、王海柱等人通過理論分析，對比研究了超臨界CO2鉆井液與氮?dú)狻⒖諝獾茹@井流體的密度、粘度等物性，研究結(jié)論證明超臨界CO2密度變化范圍較大，幾乎涵蓋了所有鉆井液密度調(diào)控范圍[9]。

4.2 井筒溫度壓力規(guī)律研究

1996年，Kabir提出了鉆井過程中超臨界CO2單相流動和地層出水以后兩相流的循環(huán)流動和熱傳導(dǎo)模型，計(jì)算分析了超臨界CO2溫度隨深度的變化規(guī)律，及其在井內(nèi)流動時的靜液柱壓力、鉆柱中不同高度處的壓力損耗、巖屑輸送比和噴射沖擊力等。2000年，陳聽寬等人對超臨界壓力下內(nèi)螺紋管摩擦阻力特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2在相變點(diǎn)處摩擦阻力系數(shù)存在突變。2003年，Tohru Yamashitah等人在超臨界壓力條件下，對小直徑管的流體的熱傳導(dǎo)和流動壓降進(jìn)行了研究。研究表明在近臨界區(qū)域管中流體的流動壓降隨著熱通量的增加而降低，并指出在傳熱惡化區(qū)域流動的壓降降低幅度尤為明顯。2003年，Koji Okamoto等人對強(qiáng)制對流換熱條件下，超臨界CO2流動的瞬時速度分布進(jìn)行了研究。

2010年，邱正松、王在明等人對超臨界CO2鉆井流體井筒溫度傳遞特性進(jìn)行了研究，建立了井眼溫度傳遞數(shù)學(xué)模型[6]，給出了鉆具內(nèi)和環(huán)空流體溫度計(jì)算解析式，結(jié)合具體鉆具尺寸，繪制了鉆具和環(huán)空中流體溫度分布剖面，得到了超臨界CO2鉆井液溫度隨井深的變化規(guī)律。2010年，沈忠厚等人以超臨界CO2流體鉆井為例研究了鉆頭漸縮噴嘴壓力、溫度、流速變化對聲速流的影響，表明在氣體鉆井設(shè)計(jì)時，尤其是高壓力、大排量噴射鉆井時，應(yīng)制好井底與鉆頭上游之間的壓力關(guān)系，避免聲速流的發(fā)生。2011年，王海柱、沈忠厚等人以Span－Wagner氣體狀態(tài)計(jì)算方法為基礎(chǔ)，建立了井筒流動和傳熱數(shù)學(xué)模型[3]，從而對超臨界CO2鉆井井筒壓力溫度進(jìn)行耦合計(jì)算，并對超臨界CO2連續(xù)管鉆井進(jìn)行實(shí)例分析，同時還研究了超臨界CO2連續(xù)管鉆井過程中地層水侵入對井筒溫度和壓力的影響。2010年，王在明、邱正松等人建立了考慮井筒流體與地層換熱對井筒流體溫度影響的井筒傳熱模型，根據(jù)能量守恒推導(dǎo)出了井筒流體溫度計(jì)算模型[8]，利用有限元推導(dǎo)出了井筒內(nèi)CO2鉆井流體的壓力計(jì)算公式。

4.3 射流及破巖規(guī)律研究

美國Tempress公司的J.J.koue等人在2000年時，利用55～193 MPa的不同射流壓力對泥巖、大理巖、花崗巖等堅(jiān)硬巖石進(jìn)行超臨界CO2射流破巖室內(nèi)研究，證實(shí)超臨界CO2射流破巖的門限壓力比水射流要低很多，能夠顯著提高機(jī)械鉆速[12]。2009年，王瑞和、倪紅堅(jiān)等人建立了國內(nèi)首套超臨界CO2射流高效破巖試驗(yàn)裝置，有效模擬了井下實(shí)際工況，已獲得超臨界CO2直射流、旋轉(zhuǎn)射流、脈沖射流的破巖規(guī)律。

4.4 攜巖規(guī)律研究

沈忠厚等人建立了臨界CO2流體攜巖的數(shù)學(xué)模型和物理模型[4]，研究了超臨界CO2流體在水平井段的攜巖規(guī)律，研究表明超臨界CO2流體的攜巖能力隨著其密度和粘度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)小于某一臨界密度時其攜巖能力明顯降低。2006年，中國石油大學(xué)(華東)的邱正松教授和王在明博士等人研制了超臨界CO2鉆井液循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置[9]，在此基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)研究了溫度、壓力以及井斜角對超臨界CO2攜巖的影響，并對CO2水合物形成和溶解特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

5 結(jié)語

(1)超臨界CO2鉆井作為一項(xiàng)新興的鉆井技術(shù)，具有諸多的優(yōu)勢，較大的應(yīng)用范圍，特別是對壓力枯竭型地層以及非常規(guī)油氣藏開發(fā)方面具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢，顯示出良好的應(yīng)用前景。

(2)目前國內(nèi)外對于超臨界CO2鉆井技術(shù)的研究更多處于理論研究和室內(nèi)研究階段，真正的現(xiàn)場應(yīng)用屈指可數(shù)，超臨界CO2鉆井也還存在著一些亟待解決的問題，如出水地層CO2腐蝕問題、井口高精度壓力控制問題、CO2增加粘度技術(shù)的問題、鉆頭壓降和溫度控制問題以及連續(xù)管配套設(shè)備的問題。

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