應(yīng)用超臨界CO2進(jìn)行氣體循環(huán)鉆井的技術(shù)構(gòu)想

朱忠喜 康博微 帥建軍

（1.中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100；2.中國海油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；3.油氣藏地質(zhì)開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051）

應(yīng)用超臨界CO2進(jìn)行氣體循環(huán)鉆井的技術(shù)構(gòu)想

朱忠喜1康博微2帥建軍3，4

（1.中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100；2.中國海油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；3.油氣藏地質(zhì)開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；4.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051）

超臨界CO2流體既有液體的高密度又有氣體的低黏度和高擴(kuò)散系數(shù)等特點(diǎn)，采用超臨界CO2作為鉆井液相對普通鉆井液具有很大的優(yōu)勢。采用超臨界CO2作為鉆井液能夠有效提高射流破巖效率，提高鉆速，并且能夠有效保護(hù)油氣藏，減少井下事故。氣體循環(huán)利用鉆井技術(shù)是利用地面氣體回收處理設(shè)備將從井口中返出的攜巖氣體進(jìn)行分離和精細(xì)過濾，然后經(jīng)過壓縮增壓循環(huán)注入井下，大大降低了鉆井成本。介紹了超臨界CO2的性質(zhì)以及超臨界CO2在鉆井過程中的優(yōu)勢，氣體循環(huán)利用鉆井工藝系統(tǒng)的原理及流程，提出了將超臨界CO2鉆井與循環(huán)鉆井技術(shù)相聯(lián)合的技術(shù)構(gòu)想。

超臨界CO2 氣體循環(huán)鉆井 氣體鉆井

0 引言

目前，超臨界CO2鉆井室內(nèi)試驗(yàn)和相關(guān)的理論研究是鉆井技術(shù)人員和科技工作者研究的一個熱點(diǎn)，同時閉環(huán)式氣體循環(huán)鉆井工藝已在室內(nèi)和現(xiàn)場進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。前種技術(shù)主要是利用超臨界CO2的類流體攜巖和不傷害儲層的優(yōu)良特性，后種工藝主要是從降低氣體循環(huán)成本，減少大氣污染等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計。筆者從充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢進(jìn)行鉆井的角度，將二者結(jié)合起來進(jìn)行探討。

1 超臨界CO2 流體特性

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，CO2為無色無味的氣體，水溶液呈弱酸性，CO2氣體不能燃燒，但卻易于液化。超臨界CO2（簡稱SC--CO2）是指處于臨界溫度和臨界壓力之上的CO2流體。CO2的臨界溫度和臨界壓力很低，臨界溫度為31.04℃，臨界壓力為7.38MPa［1］，（圖1）。其氣液界面張力接近于零，擴(kuò)散系數(shù)、黏度接近于氣體，其密度與液體接近，流動行為和氣體相似，并且具有很強(qiáng)的溶解能力［2］，其相態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 CO2相態(tài)分布圖

超臨界CO2既不同于氣體，也不同于液體，而是具有很多獨(dú)特的物理性質(zhì)。超臨界CO2的表面張力為

零，因此它可以進(jìn)入任何大于超臨界CO2分子的空間。由于其黏度較低，在井筒中很容易達(dá)到紊流狀態(tài)，有助于攜巖。

2 超臨界CO2鉆井的優(yōu)勢

2.1 超臨界CO2射流破巖技術(shù)

多年來的常規(guī)噴射鉆井實(shí)踐表明，射流不但有清洗井底的作用，而且還有直接或輔助破碎巖石的作用。由于超臨界CO2的低黏度、易擴(kuò)散等特性，其破碎巖石過程中“水楔”作用尤為明顯，如圖3所示。由于受到機(jī)械破巖作用，巖石會形成微裂紋和微裂縫，當(dāng)這些微裂紋、微裂縫受到超臨界CO2沖擊時，它可以迅速進(jìn)入裂隙深部，使裂隙深部流體與高壓射流流體連通為統(tǒng)一的壓力體，形成應(yīng)力集中區(qū)，降低破巖門限壓力，提高破巖效率。

圖3 水射流與超臨界CO2破碎頁巖對比圖

當(dāng)試驗(yàn)條件為10～50MPa，溫度為70℃，噴嘴直徑為2.3mm，噴距為4.6mm，相比于水射流，超臨界CO2射流具有明顯優(yōu)勢，在30MPa下，超臨界CO2提高射流破巖能力幅度較大，相當(dāng)于水射流破巖能力的3倍（圖4），大大降低了破巖門限壓力［3］。

2.2 有效保護(hù)油氣層

超臨界CO2鉆井液既不含有固相（固體顆粒）又不含有液體（水），從而在根本上解決了常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)工程中遇到的孔喉阻塞、黏土膨脹等問題，避免了水鎖、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)的發(fā)生［4］。與此同時，超臨界CO2表面張力為零，它可以進(jìn)入微小孔隙和微小裂縫中，從而更好地驅(qū)替油氣，而且由于超臨界CO2的高密度性，它可以溶解近井地帶的重油組分，降低油氣運(yùn)移阻力，提高原油采收率。超臨界CO2能使儲層中的黏土脫水收縮，從而增大儲層孔隙度。CO2溶解于原油之中，還能夠降低原油的黏度，增大原油體積，使原油易于流動，從而提高采收率。

圖4 超臨界CO2射流與水射流破巖效率對比圖

2.3 利用超臨界CO2進(jìn)行氣體鉆井

采用CO2進(jìn)行氣體鉆井時，將CO2通過連續(xù)油管高壓注入，注入壓力達(dá)到7.4MPa，CO2進(jìn)入連續(xù)管后壓力、溫度繼續(xù)升高，從而達(dá)到超臨界狀態(tài)。由于超臨界CO2的密度接近于液體，它的高密度能夠很好地為井下鉆具提供合適的扭矩。當(dāng)超臨界CO2鉆井液經(jīng)過鉆頭噴嘴噴出后，其溫度壓力迅速下降，超臨界CO2的相態(tài)逐步向氣相轉(zhuǎn)化，最終在環(huán)空中以氣體上返，在井底形成欠平衡狀態(tài)，從而提高了鉆井速度。同時，由于超臨界CO2的密度對溫度變化很敏感，所以可以通過調(diào)節(jié)井口壓力來達(dá)到控制井底壓力的目的。

2.4 防止井下著火

空氣鉆井作業(yè)時，若地層水進(jìn)入井眼，使鉆屑形成泥環(huán)，井內(nèi)流體受阻，井下壓力迅速上升，泥環(huán)以下的氣體溫度升高，引起井下著火。常常會熔化掉著火點(diǎn)附近的鉆具，造成井眼報廢，給鉆井帶來巨大損失。由于超臨界CO2既不是可燃物又不是助燃劑，而且可以作為滅火劑，所以應(yīng)用超臨界CO2鉆井從根本上避免了井下著火這一問題。

3 氣體循環(huán)鉆井技術(shù)

目前氣體鉆井均采用出井氣體直接排放的方式。如果能將氣體回收，像普通鉆井液一樣循環(huán)使用，就可以大大減少能源消耗，降低鉆井成本。中國石油大學(xué)的柳貢慧教授在國內(nèi)外率先提出了利用氮?dú)庋h(huán)鉆井的工藝設(shè)想［5］，在四川大邑101井進(jìn)行了開環(huán)現(xiàn)場試驗(yàn)，為該技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣奠定了基礎(chǔ)。

氣體循環(huán)是對循環(huán)出井的氣、液、固混合物進(jìn)

行有效分離，將液體和巖屑排放掉，而分離、過濾、凈化后的氣體再次進(jìn)入壓縮機(jī)、增壓機(jī)進(jìn)行循環(huán)利用。整體工藝方案［6］如圖5所示。

圖5 氣體循環(huán)鉆井整體工藝方案設(shè)計示意圖

氣體回收工藝流程：井筒中出來的攜巖氣體首先進(jìn)入到一級分離器和二級分離器進(jìn)行離心分離，除去大顆粒的鉆屑（包括液滴），分離后的氣體進(jìn)入到緩沖罐中，緩沖后續(xù)系統(tǒng)的壓力；緩沖罐中的氣體再進(jìn)到過濾器中進(jìn)行精細(xì)過濾，過濾后的氣體經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后再利用。地層出氣會造成分離系統(tǒng)壓力陡增，為了保護(hù)設(shè)備安全，在緩沖罐頂部設(shè)計安裝了安全閥，當(dāng)分離系統(tǒng)的壓力超過安全閥設(shè)定壓力時，安全閥開啟，將系統(tǒng)中的氣體通過放空管線排到放噴池中放燃。

由于氣體鉆井具有及時發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲層、大幅度提高機(jī)械鉆速等巨大優(yōu)勢，我國在今后的鉆井作業(yè)中也必將會更多地采用該項(xiàng)技術(shù)。目前很多油田單位都在積極進(jìn)行氣體鉆井設(shè)備的購置與配套工作，而高成本成為制約氣體鉆井推廣的瓶頸。因此氣體循環(huán)利用鉆井新技術(shù)的發(fā)展前景非常廣闊。

4 超臨界CO2 循環(huán)鉆井的技術(shù)構(gòu)想

超臨界CO2鉆井具有諸多優(yōu)勢，利用超臨界CO2鉆井可以降低破巖門限壓力，有效提高鉆速，保護(hù)油氣層等，但是CO2氣源成本高，且直接排放到空氣中會造成空氣污染產(chǎn)生溫室效應(yīng)，若能夠解決CO2的分離和循環(huán)利用問題，則CO2就可以像普通鉆井液一樣循環(huán)使用，這可以降低成本，提高效率，大大提高氣體鉆井安全，改善環(huán)境。氣體循環(huán)利用鉆井技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題，氣體循環(huán)鉆井與常規(guī)氣體鉆井相比，前期設(shè)備投入可縮減至20%［7］。氣體循環(huán)分離裝置可以將從井口返出攜巖CO2進(jìn)行回收，經(jīng)過兩級分離，精細(xì)過濾，然后經(jīng)過壓縮機(jī)和增壓機(jī)的處理再次注入井下。超臨界CO2鉆井與氣體循環(huán)鉆井技術(shù)的結(jié)合對進(jìn)一步降低氣體鉆井成本，提高國內(nèi)鉆井技術(shù)水平具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

5 結(jié)論

1）超臨界CO2流體既不是氣體也不是液體，而是具有氣體的低黏度、高擴(kuò)散系數(shù)，又兼有液體高密度特點(diǎn)的流體，其臨界溫度和臨界壓力在井筒中也比較易于達(dá)到。

2）超臨界CO2流體相對于常規(guī)鉆井液，在破巖和保護(hù)儲層方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，超臨界CO2流體鉆進(jìn)過程中降低了破巖門限壓力，提高了噴射破巖效率，利用超臨界CO2鉆井使井下實(shí)現(xiàn)欠平衡狀態(tài)，提高了鉆速，還可避免地層污染，保護(hù)油氣層。

3）氣體循環(huán)鉆井技術(shù)能夠?qū)木诜抵恋孛娴臄y巖氣體進(jìn)行回收，經(jīng)過兩級分離、精細(xì)過濾，然后壓縮、增壓再次入井，達(dá)到循環(huán)利用的目的，大大降低了常規(guī)氣體鉆井的成本。

4）將超臨界CO2鉆井與氣體循環(huán)利用鉆井技術(shù)相結(jié)合，既可以體現(xiàn)出超臨界CO2作為鉆井液的優(yōu)勢，又可以對CO2進(jìn)行回收，循環(huán)利用。二者相結(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢顯著，預(yù)計對未來鉆井技術(shù)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)而重大的影響。

［1］王海柱，沈忠厚，李根生.地層水侵入對超臨界CO2鉆井井筒溫度壓力的影響［J］.石油勘探與開發(fā)，2011，38（3）：362-368.

［2］王海柱，沈忠厚，李根生.超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（3）：31-35.

［3］杜玉昆，王瑞和，倪紅堅(jiān)，等.超臨界CO2射流破巖試驗(yàn)［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報，2012，36（4）：94-96.

［4］賈江鴻，程遠(yuǎn)方，趙修太，等.純梁油田低滲透油藏傷害機(jī)理及解堵技術(shù)［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35（3）：330-334.

［5］柳貢慧，李軍，孫國剛，等.氣體循環(huán)利用鉆井新思路［J］.石油與裝備，2011（1）：65-66.

［6］李軍，柳貢慧，王錫洲.氮?dú)庋h(huán)鉆井開環(huán)現(xiàn)場試驗(yàn)［J］.石油鉆采工藝，2010，32（3）：9-11.

（編輯：李臻）

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2095-1132（2014）05-0034-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.010

修訂回稿日期：2014－09－05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51202024）和中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2013D-5006-0307）資助。

朱忠喜（1978－），副教授，從事油氣井壓力控制和井漏檢測方面的研究及教學(xué)工作。E-mail：zhuzhongxi@126.com。