超臨界二氧化碳鉆井基礎(chǔ)研究進展

王瑞和， 倪紅堅， 宋維強， 肖彩云

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

近年來國內(nèi)外的研究表明，超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)將展示出其巨大的發(fā)展?jié)摿1]。超臨界CO2具有接近液體的密度、接近氣體的黏度以及良好的溶解和擴散能力，與常規(guī)氣體鉆井流體相比，超臨界CO2能夠有效驅(qū)動螺桿鉆具[2]，同時其環(huán)空壓力調(diào)控范圍較大，展現(xiàn)了更大的靈活性和更高的效率[3]；與常規(guī)水基鉆井液相比，超臨界CO2不會傷害儲層，且CO2吸附巖石的效率數(shù)倍于甲烷氣，有利于保護油氣層和提高采收率[4]；超臨界CO2射流破巖門限壓力遠低于水射流，可有效輔助破巖，獲得更高的鉆井速度[5]。另外，為適應(yīng)保護環(huán)境的迫切需要，充分利用CO2，減少排放更具重要的現(xiàn)實意義。因此超臨界CO2鉆井技術(shù)，在實現(xiàn)CO2資源化利用、提高非常規(guī)油氣鉆探效益等方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

美國是最早進行超臨界CO2鉆井技術(shù)研究的國家，1998年,J.J.Kollé等人[6-7]首先研究了超臨界CO2連續(xù)管鉆井的可行性，發(fā)現(xiàn)了其在射流破巖方面的巨大優(yōu)勢，并引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注；2005年，A.P.Gupta等人[8]建立了超臨界CO2循環(huán)流動的PVT模型，從理論上分析了超臨界CO2作為鉆井流體進行欠平衡鉆井的可行性；2008年，F(xiàn).Al-Adwani等人[9]在常規(guī)鉆井液能量方程的基礎(chǔ)上建立了超臨界CO2傳熱模型，并考慮了地層水侵入對超臨界CO2傳熱的影響。中國石油大學(xué)(華東)于2006年開始涉足超臨界CO2鉆井理論與技術(shù)研究領(lǐng)域，經(jīng)過10余年的探索，提出了超臨界CO2鉆井區(qū)別于常規(guī)鉆井的2個基本問題，即超臨界CO2在井筒中的多相流動和超臨界CO2與巖石的相互作用，并在超臨界CO2井筒流動規(guī)律與相態(tài)變化、攜巖規(guī)律、射流破巖及井壁穩(wěn)定性等方面進行了較為系統(tǒng)的研究，為超臨界CO2鉆井技術(shù)發(fā)展提供了理論和技術(shù)支撐。

1 超臨界CO2在井筒中的流動及控制

超臨界CO2作為一種新型鉆井流體，其在鉆井過程中的循環(huán)流動規(guī)律及攜巖性能是影響鉆井安全的關(guān)鍵問題[10-11]，而研究CO2井筒流動規(guī)律的難點主要在于CO2的可壓縮性及其對流場壓力和井筒傳熱的耦合影響。

1.1 超臨界CO2在井筒中的流動規(guī)律

CO2在井筒中的循環(huán)流動規(guī)律是超臨界CO2鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題之一。與常規(guī)鉆井液不同，由于CO2具有可壓縮性，在井筒中流動時，CO2物性參數(shù)與井筒中的溫度和壓力相互耦合[12-14]，因而建立超臨界CO2在鉆井中的流動模型，分析井筒中超臨界CO2溫度和壓力的分布，是實現(xiàn)井下壓力控制的依據(jù)。同時，井筒溫度場和壓力場也是研究井壁穩(wěn)定性和超臨界CO2攜巖性能等的基礎(chǔ)。

1.1.1 流動模型

當(dāng)井筒中超臨界CO2的流動達到穩(wěn)態(tài)時，綜合考慮井壁圍巖的溫度變化、湍流耗散以及摩擦生熱的影響，對井筒微元列出可壓縮流體流動基本方程組，即超臨界CO2在井筒中的流動模型：

(1)

式中：v為流體流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；vi為流體流速v在xi軸的分量，m/s；h為流體比焓，h=cpT，J/kg；cp為定壓熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

由式(1)可知，準確計算CO2的物性參數(shù)是求解超臨界CO2流動模型的基礎(chǔ)，而CO2的物性參數(shù)可以通過狀態(tài)方程來計算。根據(jù)CO2的特性，選用精度較高的Span-Wagner方程[15]計算CO2的熱力學(xué)參數(shù)(密度、比熱容等)，選用Vesovic方程[16]及該方程的改進形式——Fenghour方程[17]計算CO2的遷移參數(shù)(熱導(dǎo)率、黏度)，以提高井筒流場的計算精度[17-19]。

1.1.2 流動規(guī)律

通過求解井筒中流體流動與傳熱的控制方程組(詳見文獻[17])，得到流量為25 kg/s、環(huán)空回壓為9 MPa時的井筒壓力剖面(見圖1)和溫度剖面(見圖2)。由圖1和圖2可知：井筒中CO2的壓力與井深近似呈線性關(guān)系，這與之前的研究結(jié)果相符；與以清水為循環(huán)介質(zhì)時井筒內(nèi)壓力剖面對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)空排量和回壓相同時，以CO2為循環(huán)介質(zhì)時的循環(huán)壓秏比清水低36.7%，證實了采用超臨界CO2鉆井技術(shù)鉆進窄密度窗口地層的優(yōu)勢；鉆桿內(nèi)液態(tài)CO2在井深780.00 m左右轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)；鉆頭噴嘴處有較大的壓降和溫降，但CO2仍處于超臨界狀態(tài)；CO2在環(huán)空中上返時可由超臨界態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上酄顟B(tài)，但可提高井口回壓，使環(huán)空中的CO2始終處于超臨界狀態(tài)。

圖1 井筒內(nèi)不同鉆井流體的流動壓力剖面Fig.1 Wellbore flow pressure profile with different drilling fluids

圖2 井筒溫度剖面Fig.2 Temperature profile in wellbore

此外，考察井筒內(nèi)CO2物性參數(shù)剖面發(fā)現(xiàn)，主導(dǎo)鉆桿內(nèi)CO2物性參數(shù)變化的是溫度，而主導(dǎo)環(huán)空中CO2物性參數(shù)變化的是壓力。同時，環(huán)空中的壓力與CO2密度及流動壓秏直接相關(guān)，這也是調(diào)控環(huán)空壓力的依據(jù)。

1.2 超臨界CO2鉆井環(huán)空壓力控制

非常規(guī)油氣儲層(如頁巖氣儲層)對環(huán)空壓力較為敏感，容易發(fā)生坍塌、漏失等井下故障，因此，環(huán)空壓力的控制是安全高效鉆井的重要保障。實際鉆井過程中，環(huán)空壓力分布受循環(huán)流量、注入溫度和環(huán)空回壓等因素影響。

在前期研究的基礎(chǔ)上，進一步分析了超臨界CO2鉆井過程中影響環(huán)空壓力分布的主要因素。為實現(xiàn)井底目標(biāo)壓力，計算了不同參數(shù)時所需補償?shù)木诨貕?詳見文獻[20])，結(jié)果見圖3和圖4。由圖3和圖4可知：井深不變時，為實現(xiàn)井底恒壓的控壓目標(biāo)，井口回壓隨流量增大而減??；流量不變時，隨著井深增大，井底目標(biāo)壓力增大，井口回壓也隨之增大。此外，計算表明，入口溫度對環(huán)空壓力剖面影響較小。

綜合分析上述計算結(jié)果可知，循環(huán)流量和環(huán)空井口回壓是影響環(huán)空壓力分布的主要因素。在超臨界CO2鉆井過程中，循環(huán)流量需滿足攜巖的要求[21]。在滿足攜巖要求的前提下，綜合調(diào)整循環(huán)流量和井口回壓是控制環(huán)空壓力最有效的手段。

圖3 流量對環(huán)空壓力剖面的影響Fig.3 Impact of flow rate on annulus pressure profile

圖4 井深對環(huán)空壓力剖面的影響Fig.4 Impact of well depth on annulus pressure profile 注：井底控壓目標(biāo)pt與流體密度ρw、井深h的關(guān)系為pt=ρwgh。

2 超臨界CO2的攜巖特性

由于超臨界CO2的密度低于水，且黏度接近于氣體，故超臨界CO2的攜巖能力低于常規(guī)鉆井液。因此對于超臨界CO2鉆井，尤其是水平井段的井眼清潔問題倍受關(guān)注。為此研制了超臨界CO2攜巖試驗裝置，結(jié)合理論模型，以臨界返速為研究對象，分析了超臨界CO2環(huán)空攜巖的基本規(guī)律[20-25]。

2.1 巖屑起動模型

鉆進斜井段和水平段過程中，鉆井流體攜帶的巖屑顆粒由于受自身重力的影響極易沉降到井眼低邊形成巖屑床[12]，當(dāng)環(huán)空鉆井流體返速大于臨界返速時，沉降的巖屑顆粒就會脫離巖屑床向前運移，進而被鉆井流體攜帶至地面。

對巖屑進行受力分析可知，井斜角不同時，影響巖屑顆粒所受合力的主要因素也不同，巖屑顆粒的起動模式也不同。研究表明，巖屑顆粒的起動根據(jù)井斜角不同主要有滾動起動和上升起動2種。巖屑起動時的臨界環(huán)空流速可通過巖屑受力分析進行推導(dǎo)(詳見文獻[21])，滾動起動和上升起動的環(huán)空臨界返速分別為：

(2)

(3)

式(2)和式(3)可用于計算不同流體的攜巖臨界返速。

2.2 超臨界CO2攜巖規(guī)律

在溫度為40 ℃、壓力為8.5 MPa的條件下，分析超臨界CO2攜巖的臨界返速隨井斜角的變化情況。

巖屑顆粒以不同起動模式起動時的環(huán)空流體臨界返速如圖5所示。

圖5 不同井斜角下巖屑滾動及上升起動的臨界返速Fig.5 Critical returning velocity of cuttings rolling and rising with deviation angle

不同井斜角下超臨界CO2攜巖的臨界環(huán)空速度如圖6所示。

圖6 不同井斜角下攜巖臨界環(huán)空返速Fig.6 Critical annulus return velocity changing with deviation angle

從圖6可以看出，隨著井斜角增大，超臨界CO2攜巖的臨界環(huán)空速度呈先增大后減小的趨勢，且理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢一致，但試驗結(jié)果小于理論計算結(jié)果。對比不同流體攜巖最小環(huán)空返速發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2攜巖最小環(huán)空返速遠小于空氣攜巖最小環(huán)空返速，與清水?dāng)y巖最小環(huán)空返速較為接近(見圖7)，表明超臨界CO2攜巖效果比清水稍差，但遠好于空氣。

由于CO2具有可壓縮性，超臨界CO2的攜巖性能受環(huán)空中溫度、壓力、相態(tài)及流速等多種因素的影響。而超臨界CO2的物性參數(shù)對溫度和壓力的變化極為敏感，因此在超臨界CO2鉆井過程中，需要結(jié)合其流動模型分析超臨界CO2的攜巖能力。

圖7 不同流體攜巖最小環(huán)空返速Fig.7 Minimum annular return velocity with different fluids

3 超臨界CO2射流破巖

高壓射流破巖或輔助破巖是提高鉆速的重要方式，國內(nèi)外的研究證實超臨界CO2射流能有效降低破巖門限壓力和增加破巖體積[26]。因此,研究超臨界CO2射流破巖或射流輔助破巖機理，是發(fā)展高效破巖鉆井方法與技術(shù)的基礎(chǔ)。

3.1 超臨界CO2射流破巖試驗

為了進一步闡釋超臨界CO2射流破巖的機理，研制了國內(nèi)首套超臨界CO2鉆完井模擬試驗系統(tǒng)，并開展了超臨界CO2射流破巖試驗[26-28]，分析了射流壓力、井底環(huán)境溫度、井底圍壓、巖石強度、噴嘴直徑、噴射距離等因素對超臨界CO2射流破巖效果的影響規(guī)律，證明了超臨界CO2射流破巖的效果優(yōu)于水射流。在不同射流壓力下，超臨界CO2射流破巖深度是水射流的1.65～7.85倍(見圖8)。通過射流破巖試驗還發(fā)現(xiàn)，頁巖經(jīng)超臨界CO2射流沖蝕后的端面呈網(wǎng)格化破碎，整體呈大體積層狀破碎。

3.2 射流破巖機理

研究表明[29-30]，與水射流和N2射流相比，溫度應(yīng)力是超臨界CO2射流破巖的獨特機理，且與水射流相比，超臨界CO2射流溫度場引起射流中心最大應(yīng)力及中心附近高應(yīng)力區(qū)域增大，有利于降低射流破巖的門限壓力、增大破巖體積。

為了量化分析射流場和破巖應(yīng)力，建立了包含流體控制方程、巖石本構(gòu)方程和熱傳導(dǎo)方程的流-固耦合模型，分析不同射流溫度和彈性模量下巖石的破壞規(guī)律，結(jié)果見圖9。

圖8 增壓條件下超臨界CO2和水射流破巖深度與射流壓力的關(guān)系Fig.8 Rock-breaking depth of supercritical CO2 and water jet versus jet pressure

圖9 彈性模量和溫度對超臨界CO2射流破巖應(yīng)力的影響Fig.9 Impact of elastic modulus and temperature on breaking stresses of supercritical CO2 jet

從圖9可以看出：隨著射流溫度升高，巖石的最大拉應(yīng)力和破壞半徑增大，當(dāng)射流溫度超過70 ℃時，射流破壞范圍是室溫下的5倍，但破巖深度減小，這是由于射流溫度場使破巖應(yīng)力和破壞面積增大，因而超臨界CO2射流能降低破巖門限壓力、增大破巖面積；隨著巖石彈性模量增大，破巖徑深比(破巖半徑與破巖深度的比)增大，巖石破壞形狀從碗狀破碎坑向表面線狀轉(zhuǎn)變，表明超臨界CO2射流具有高效破壞地層深部硬巖的潛力。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在地層溫度條件下，超臨界CO2射流的溫降和破巖應(yīng)力比水射流和N2射流大(見圖10)。

圖10 地層溫度條件下不同流體射流破巖時的應(yīng)力Fig.10 Stresses of rock-breaking under different fluids at formation temperature注：巖石彈性模量70 GPa,射流壓差10 MPa、射流和井底溫度70 ℃。

研究已證明，超臨界CO2射流具有破巖門限壓力低、破巖面積大的優(yōu)勢，而射流輔助破巖是油氣鉆井中主要的鉆進方式。通過研究超臨界CO2射流與鉆頭的復(fù)合破巖機制，發(fā)現(xiàn)其與水射流輔助破巖相比具有獨特的優(yōu)勢：1)超臨界CO2在鉆柱、鉆頭內(nèi)的循環(huán)壓耗小，射流沖擊壓力高；2)在地層溫度條件下超臨界CO2射流的制冷作用可保護鉆頭，避免井底高溫對牙輪鉆頭密封和軸承的損壞，降低PDC鉆頭切削齒的溫度；3)射流溫度場能使巖石表面和內(nèi)部的應(yīng)力增大，降低鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖時的切削力，增大鉆齒壓入深度和破巖體積。

4 超臨界CO2鉆井井壁穩(wěn)定性

井壁穩(wěn)定是安全高效鉆井的重要保證[31]，超臨界CO2在井筒中的流動狀態(tài)和其與井壁的相互作用直接影響井壁穩(wěn)定性。在超臨界CO2對巖石力學(xué)性質(zhì)影響試驗的基礎(chǔ)上，考慮超臨界CO2與儲層之間的傳熱傳質(zhì)作用，建立了力-熱耦合模型，通過求解力-熱耦合模型獲得井壁圍巖的坍塌壓力，分析超臨界CO2鉆井的井壁穩(wěn)定性。

4.1 超臨界CO2鉆井井壁穩(wěn)定性模型

與常規(guī)鉆井相比，在超臨界CO2鉆井過程中，超臨界CO2與鉆開地層發(fā)生的傳熱傳質(zhì)作用是不可忽略的。前期研究表明，超臨界CO2在地層中的滲透性強，在鉆井過程中，經(jīng)鉆頭噴射后，超臨界CO2會產(chǎn)生較大的溫降[10]，因而井底附近環(huán)空中的超臨界CO2與地層存在溫差，在超臨界CO2滲入地層時，該溫差會使井壁圍巖的應(yīng)力發(fā)生變化，并引起地層孔隙壓力發(fā)生變化。因此，在超臨界CO2與地層傳質(zhì)傳熱作用的基礎(chǔ)上，通過力-熱耦合分析超臨界CO2鉆井的井壁穩(wěn)定性就顯得尤為重要。

基于上述認識和研究，忽略地層水和縱向傳熱的影響，假設(shè)地層孔隙度為常數(shù)，考慮溫度對井周應(yīng)力、孔隙壓力的影響，建立了超臨界CO2與井壁圍巖的力-熱耦合模型[32]：

(5)

當(dāng)巖石發(fā)生坍塌破壞時，坍塌指數(shù)F為負值，井壁失穩(wěn)。

該模型考慮了超臨界CO2對井周應(yīng)力的影響及近井地層溫度、地層孔隙壓力的變化，并結(jié)合超臨界CO2作用下頁巖力學(xué)試驗結(jié)果和超臨界CO2井筒流動規(guī)律，可對超臨界CO2鉆井井壁穩(wěn)定性進行計算分析。

4.2 超臨界CO2對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

超臨界CO2作為一種外來流體介質(zhì)，侵入地層后會影響巖石的力學(xué)性能，為研究超臨界CO2浸泡時間對巖石力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，研制了超臨界CO2浸泡巖石的測試井筒。以取自四川宜賓長寧裸露地層的巖心為研究對象,巖樣為水平層理巖樣，測試巖樣經(jīng)超臨界CO2浸泡后的力學(xué)性能，結(jié)果見圖11—圖13。從圖11—圖13可以看出，隨浸泡時間增長，巖心的抗壓強度逐漸降低至穩(wěn)定值，彈性模量逐漸升高至穩(wěn)定值，泊松比逐漸降低至穩(wěn)定值，說明巖樣經(jīng)超臨界CO2浸泡后脆性增加，更容易被破壞。

圖11 巖石抗壓強度與超臨界CO2浸泡時間的關(guān)系Fig.11 Compressive strength versus supercritical CO2 soaking time

圖12 巖石彈性模量與超臨界CO2浸泡時間的關(guān)系Fig.12 Elasticity modulus versus supercritical CO2 soaking time

4.3 井壁穩(wěn)定性計算實例

以上文1.1.2中的直井(井眼直徑108.6 mm，井深1 500.00 m)為例，結(jié)合4.2中超臨界CO2對頁巖力學(xué)性能影響的試驗結(jié)果，假設(shè)鉆遇地層為水平層理硬質(zhì)頁巖地層，模型中所用平均孔隙壓力梯度、最大水平地應(yīng)力梯度、最小水平地應(yīng)力梯度及垂直應(yīng)力梯度的當(dāng)量密度分別為1.0，1.9，1.5和2.3 kg/L。利用上文建立的超臨界CO2鉆井井壁穩(wěn)定力-熱耦合模型對相應(yīng)的井壁進行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果見圖14。

圖13 巖石泊松比與超臨界CO2浸泡時間的關(guān)系Fig.13 Poisson’s ratio versus supercritical CO2 soaking time

圖14 井周坍塌破壞指數(shù)Fig.14 Collapse damage index around a wellbore

從圖14可以看出，采用超臨界CO2鉆進水平層理的硬質(zhì)頁巖地層時，隨著作業(yè)時間增長，坍塌破壞指數(shù)呈上升趨勢，且坍塌破壞指數(shù)始終為正值，即井徑不會擴大，因而無井壁坍塌風(fēng)險。分析井壁坍塌壓力發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2鉆開儲層的瞬間井底坍塌壓力降低，這是由于超臨界CO2經(jīng)鉆頭噴射后產(chǎn)生了溫降(見圖2)，低溫使坍塌壓力降低，這對保護井壁穩(wěn)定有利；但隨著鉆井時間增長，全井段坍塌壓力高于常規(guī)鉆井坍塌壓力但低于井筒壓力，因而井壁保持穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

針對超臨界CO2鉆井過程中井筒多相流和流體與巖石相互作用的問題，闡述了超臨界CO2在井筒中的流動規(guī)律、攜巖規(guī)律、射流破巖及井壁穩(wěn)定性等方面的相關(guān)理論及研究進展：1)流動規(guī)律方面，在相同排量條件下以超臨界CO2為循環(huán)介質(zhì)時的循環(huán)壓秏比清水低，循環(huán)流量和井口回壓是影響超臨界CO2鉆井環(huán)空壓力分布的主要因素，通過調(diào)整排量和井口回壓可以有效控制井底壓力；2)攜巖方面，超臨界CO2的攜巖效果與清水接近，優(yōu)于空氣，在井斜角為48°～72°時攜巖最困難；3)射流破巖方面，揭示了溫度應(yīng)力是超臨界CO2射流破巖的獨特機理和優(yōu)勢，可有效降低破巖門限壓力，提高破巖效率；4)井壁穩(wěn)定性方面，鉆進水平層理硬質(zhì)頁巖地層時，坍塌破壞指數(shù)隨作業(yè)時間增長而增大且始終為正值，表明采用超臨界CO2鉆井技術(shù)鉆進該類地層可降低井壁坍塌風(fēng)險。

綜上所述，利用超臨界CO2鉆井技術(shù)開發(fā)非常規(guī)油氣資源極具發(fā)展?jié)摿?，但也頗具挑戰(zhàn)性。超臨界CO2鉆井技術(shù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既需要基礎(chǔ)理論研究，更需要諸多技術(shù)和設(shè)備工具的研發(fā)，必須進行系統(tǒng)設(shè)計，整合優(yōu)勢資源，各學(xué)科協(xié)同攻關(guān)。建議在進行基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，進一步加強理論成果與工程技術(shù)的結(jié)合，完善井筒流動模型、建立判定井眼清潔和井壁穩(wěn)定的依據(jù)，進一步將研究成果與具體油藏特性聯(lián)系起來，同時加快超臨界CO2鉆井相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，盡快形成滿足非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)需求的超臨界CO2鉆井技術(shù)。

參 考 文 獻

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