二氧化碳分散巖屑機制的模擬試驗研究

霍洪俊，王瑞和，倪紅堅，武程皓，宋維強，李木坤

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

二氧化碳是一種良好的鉆完井介質(zhì)，處于超臨界態(tài)時，可顯著提高破巖鉆井效率，有效保護儲層，提高頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)效率［1-8］。研究二氧化碳裹挾巖屑運移的機制，可揭示二氧化碳對巖屑粒徑分布的影響作用，對于確定工藝、安全高效鉆井和完井具有重要價值，筆者通過模擬試驗，考察二氧化碳影響巖屑粒徑分布變化的規(guī)律。

1 模擬試驗裝置

為探索鉆完井工程中，二氧化碳環(huán)境中巖屑的分散規(guī)律，參照井下工況研制了模擬試驗裝置(圖1)，該裝置主要由增壓泵、中間容器、模擬井筒、溫控設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗時，氣瓶中的二氧化碳經(jīng)增壓泵加壓后進入中間容器，調(diào)整中間容器內(nèi)二氧化碳的溫度和壓力至預(yù)定值后，注入模擬井筒，與井筒內(nèi)預(yù)置的巖屑混合，試驗完成后，模擬井筒卸壓，對其中的巖屑和反應(yīng)液進行分析計量。該裝置的中間容器的容積為2 L，耐壓40 MPa，可加熱至200℃，模擬井筒容積為80 mL，耐壓為40 MPa，最高工作溫度為200℃。溫控設(shè)備用于控制中間容器及模擬井筒的溫度，控制精度為±0.1℃。壓力和溫度的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理，采集精度分別為±0.01 MPa和±0.1℃。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment equipment

采用振動篩和電子天平(精度為±0.1 g)配合檢測分析巖屑粒徑分布。

2 試驗材料和流程

2.1 試驗材料

巖屑取自勝利油田東營組實鉆的巖屑。二氧化碳?xì)怏w的純度為99.95%(青島天源氣廠)。采用去離子水(中國石油大學(xué)自制)模擬地層水進行對比試驗。

2.2 試驗流程

用去離子水沖洗浸泡巖屑1 h，去除其表面附著的雜質(zhì)，150℃烘干后取500 g巖屑，測量其粒徑分布，采用X-射線衍射(XRD)分析其礦物成分。然后，取50 g已測粒徑分布的巖屑置入模擬井筒，加入55 mL去離子水，抽真空后將中間容器中的二氧化碳(或去離子水)注入模擬井筒，開始計時。計時結(jié)束，模擬井筒卸壓，取出其中的巖屑和反應(yīng)液，對巖屑在150℃烘干后測量其粒徑分布，分析巖屑礦物成分，分析反應(yīng)液的離子成分。

按照GB/T15445.222006/ISO95762-2.2001方法計算巖屑平均粒徑。試驗壓力、溫度和反應(yīng)時間分別設(shè)定為10 MPa、50℃和45 min。

3 試驗結(jié)果及機制分析

3.1 試驗結(jié)果

圖2～4分別為模擬井筒內(nèi)只有二氧化碳、地層水以及二氧化碳與地層水混合時，巖屑粒徑分布的變化規(guī)律，其中，A為大于0.85 mm(即小于24目)的巖屑組分;B為0.59～0.85 mm(即24～30目)的巖屑組分;C為0.42～0.59 mm(即30～40目)的巖屑組分;D為0.25～0.59 mm(即40～60目)的巖屑組分;E為小于0.25 mm(即大于60目)的巖屑組分。對比圖2～4可以看出，在二氧化碳或水單一介質(zhì)環(huán)境中時，巖屑粒徑分布的變化甚微;當(dāng)介質(zhì)環(huán)境為二氧化碳和地層水混合時，巖屑粒徑分布則較單一介質(zhì)有顯著變化。在本文試驗條件下，巖屑與二氧化碳和水混合介質(zhì)接觸后，A的質(zhì)量劇烈減少，其質(zhì)量占比由試驗前的18.6%減少為6.6%，而E的質(zhì)量則顯著增大，其質(zhì)量占比從試驗前的11.7%增大至21.2%。而處于A-E之間的巖屑質(zhì)量占比變化不大，其中C的巖屑質(zhì)量占比略有增加，D的巖屑質(zhì)量占比則略有減小。

圖3 地層水對巖屑粒徑分布的影響Fig.3 Effect of water on average cutting size

圖4 二氧化碳與地層水共存環(huán)境中巖屑粒徑分布的變化Fig.4 Effect of CO2and H2O on cutting size

圖5為3種不同介質(zhì)環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨時間變化的試驗結(jié)果。可以看出，隨著時間的增加，二氧化碳對巖屑粒徑影響甚微，基本可忽略，地層水對巖屑粒徑有一定的影響，本文條件下，在試驗初期，巖屑粒徑基本不發(fā)生變化，但當(dāng)試驗時間超過1800 min后，巖屑粒徑開始逐漸變小。二氧化碳與地層水共存環(huán)境中，巖屑粒徑的變化最為劇烈，在試驗初期巖屑粒徑即急劇減小，當(dāng)試驗時間達到5 min后，巖屑粒徑的變化趨于穩(wěn)定。

圖5 反應(yīng)時間對巖屑平均粒徑的影響Fig.5 Effect of time on the average cutting size

圖6為不同介質(zhì)環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨溫度變化的試驗結(jié)果(試驗時間為5 min)?？梢钥闯觯瑑H有二氧化碳或地層水存在時，溫度的增高對巖屑平均粒徑的影響基本可以忽略。在二氧化碳與水共存環(huán)境中，巖屑平均粒徑與溫度近似成線性關(guān)系，隨著溫度的升高，巖屑平均粒徑逐漸減小。

圖6 反應(yīng)溫度對巖屑粒徑的影響Fig.6 Effect of temperature on average cutting size

圖7為不同介質(zhì)環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨壓力變化的試驗結(jié)果(試驗時間為5 min)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在僅有二氧化碳或地層水的環(huán)境中，壓力的變化對巖屑粒徑的影響甚微，基本可忽略。在二氧化碳與水共存環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨著壓力的增大而逐漸減小。

圖7 反應(yīng)壓力對巖屑平均粒徑的影響Fig.7 Effect of pressure on average cutting size

3.2 機制分析

(1)巖屑礦物成分。表1為二氧化碳和水共存環(huán)境中，巖屑粒徑組分反應(yīng)前后，其礦物成分XRD分析及質(zhì)量分析結(jié)果?？梢钥闯?，東營組巖屑主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石以及黏土礦組成，其中黏土礦物含量較高。表2為東營組巖屑黏土礦物的XRD分析結(jié)果，可以看出，東營組巖屑黏土礦物以伊/蒙間層為主，蒙脫石的含量較高，高嶺石、綠泥石等含量較低。反應(yīng)前后各粒徑巖屑礦物組分中黏土礦物含量變化較大，而其他礦物組分變化不明顯。

對比表1和表2發(fā)現(xiàn)，巖屑粒徑組分反應(yīng)后質(zhì)量變化的情況，與其黏土礦物含量的變化相對應(yīng)，兩者具有較好的一致性，這表明，巖屑中黏土礦物的分散是導(dǎo)致巖屑平均粒徑減小的主要原因。

表1 反應(yīng)前后東營組巖屑礦物成分分析及質(zhì)量分析結(jié)果Table 1 Analysis of mineral and changes of quality about each screen

(2)反應(yīng)液離子成分。表3為反應(yīng)液離子分析結(jié)果。結(jié)合巖屑的礦物組分變化分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要來源于兩方面:一是黏土礦物的水化分散。由表2可知，東營組蒙脫石含量很高，蒙脫石的吸附陽離子多為Na+和Ca2+，且易水化膨脹，可使黏土礦物吸附的陽離子進入水中;另一來源為二氧化碳與水反應(yīng)形成碳酸，可與巖屑中的礦物組分如斜長石、方解石等反應(yīng)生成Na+和Ca2+［9-10］，致使巖屑分散，平均粒徑減小。

表2 東營組巖屑黏土礦物XRD分析結(jié)果Table 2 XRD analysis result of clay minerals

表3 反應(yīng)液離子成分分析結(jié)果Table 3 Result of ions analysis about water sample

上述分析可知，黏土礦物的水化分散是導(dǎo)致巖屑粒徑減小的主要原因，環(huán)境中二氧化碳與水共存時，二氧化碳具有顯著強化黏土礦物水化分散的效用，同時二氧化碳與水反應(yīng)生成的碳酸，所具有的溶解性，則進一步促進了巖屑的分散。兩種效應(yīng)隨著時間的延長逐漸加深，而隨著溫度和壓力的升高，則漸趨劇烈。

4 結(jié)論

(1)二氧化碳對巖屑粒徑影響甚微，地層水在長時間浸泡的時候，會使巖屑粒徑變小，當(dāng)?shù)貙铀c二氧化碳共存時，會使巖屑粒徑在短時間內(nèi)發(fā)生明顯變化。

(2)二氧化碳或地層水單一介質(zhì)環(huán)境中，巖屑粒徑隨溫度和壓力的變化不明顯，但處于地層水和二氧化碳共存環(huán)境時，巖屑粒徑隨著溫度和壓力的升高，巖屑平均粒徑逐漸減小，近似成線性關(guān)系。

(3)在地層水和二氧化碳共存環(huán)境中，東營組巖屑粒徑變化的主要原因是二氧化碳促進了巖屑中的黏土礦物組分分散，縮短了黏土礦物的水化反應(yīng)時間，同時二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸，溶解了巖屑中的部分膠結(jié)礦物，促進了巖屑粒徑的減小。

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