超臨界二氧化碳粒子射流破巖性能分析

杜玉昆, 陳曉紅, 王瑞和, 岳偉民,杜 強(qiáng), 白殿剛, 郝國(guó)亮, 周 艷

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東青島 266071; 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 4.北京探礦工程研究所, 北京100083; 5.大港油田灘海開(kāi)發(fā)公司,天津 300280; 6.遼河油田歡喜嶺采油廠(chǎng),遼寧盤(pán)錦124114; 7.遼河油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,遼寧盤(pán)錦 124010)

超臨界二氧化碳作為鉆井液及壓裂液,可解決在非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)方面遇到的很多難題。Kolle和Marvin等[1-3]通過(guò)破巖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳射流相對(duì)于高壓水射流的破巖范圍更大,效果也更好。路易斯安娜州立大學(xué)建立了井筒內(nèi)超臨界二氧化碳流體物性模型,可分析井筒內(nèi)流體物性分布特點(diǎn)[4-5]。沈忠厚等[6]開(kāi)展了超臨界二氧化碳鉆井可行性研究,王在明等[7]建立了超臨界二氧化碳鉆井液循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置,研究超臨界二氧化碳的傳熱傳質(zhì)特性和二氧化碳水合物特性,王瑞和等[8]研制了超臨界二氧化碳鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng),分析超臨界二氧化碳射流破巖、攜巖、地層壓裂和儲(chǔ)層驅(qū)替效果[9-10],孫寶江等[11]對(duì)存在超臨界二氧化碳的井筒多相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究[11],李根生等[12]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)密度是影響超臨界二氧化碳運(yùn)移巖屑的重要因素,王海柱等[13-14]進(jìn)行了超臨界二氧化碳鉆井井筒壓力溫度耦合計(jì)算,黃飛等[15]利用超臨界二氧化碳鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)[8]開(kāi)展了超臨界二氧化碳射流沖蝕頁(yè)巖試驗(yàn)研究。利用粒子射流破巖或輔助破巖是提高硬地層鉆井速度的一種重要途徑[16-17],采用粒子破巖鉆井[18-24]發(fā)現(xiàn)通過(guò)在井底形成粒子射流,利用粒子和射流的沖擊研磨作用,可以大幅度提高機(jī)械鉆速。超臨界二氧化碳射流和粒子射流均具有較強(qiáng)的破巖優(yōu)勢(shì),中國(guó)頁(yè)巖和致密砂巖等非常規(guī)儲(chǔ)層巖石的抗破碎強(qiáng)度高、破巖門(mén)限壓力大,筆者建立超臨界二氧化碳粒子射流破巖實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展超臨界二氧化碳粒子射流破巖實(shí)驗(yàn)研究,獲得超臨界二氧化碳粒子射流的破巖特性。

1 試驗(yàn)裝置

對(duì)前期建立的超臨界二氧化碳破巖試驗(yàn)裝置進(jìn)行升級(jí)改造,研制粒子注入和分離設(shè)備,將整體實(shí)驗(yàn)裝置分為存儲(chǔ)單元(儲(chǔ)罐)、增壓?jiǎn)卧?增壓泵)、加熱單元(加熱換熱器)、粒子注入單元、試驗(yàn)井筒單元、分離單元(固體、液體分離器)、制冷單元(制冷換熱器)和數(shù)據(jù)采集控制單元。超臨界二氧化碳粒子射流破巖實(shí)驗(yàn)的基本流程見(jiàn)圖1。

圖1 超臨界二氧化碳粒子射流破巖實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental flow of rock-breaking by supercritical carbon dioxide particle jet

破巖試驗(yàn)井筒由外筒、模擬鉆桿、射流噴嘴和巖心夾持器等組成。通過(guò)擋板控制器抽拉擋板控制射流破巖時(shí)間,通過(guò)在井筒軸向、巖石側(cè)壁和井底徑向上布置的高靈敏度的溫度、壓力傳感器實(shí)時(shí)采集超臨界二氧化碳粒子射流在噴射以及井筒流動(dòng)過(guò)程中的流體特性變化,射流噴嘴采用常規(guī)錐形噴嘴,試驗(yàn)井筒圍壓設(shè)置為7.5 MPa。粒子注入設(shè)備由粒子注入罐和四段流動(dòng)觀(guān)察窗組成。通過(guò)控制螺桿旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)粒子注入量和流體中的粒子濃度,耐壓40 MPa。選擇天然頁(yè)巖、兩種致密砂巖和人造水泥石巖樣開(kāi)展破巖性能分析,其抗壓強(qiáng)度分布為84.95、72.6、48和24.65 MPa,主體破巖試驗(yàn)采用抗壓強(qiáng)度為48 MPa的致密砂巖。選用石英砂和陶瓷顆粒2種常用粒子,石英砂莫氏硬度7,棱角尖銳,基于射流噴嘴結(jié)構(gòu),考慮試驗(yàn)安全性,選取粒子的粒徑范圍為:石英砂(0.3～0.5、0.5～0.7 mm)和陶瓷顆粒(0.425～0.5、0.85～1 mm)。

2 破巖性能

2.1 加入粒子后對(duì)超臨界二氧化碳射流破巖性能的影響

圖2 不同粒子射流時(shí)間條件下的破巖性能Fig.2 Effect of particlesjet duration on rock-breaking property

固定調(diào)節(jié)井筒入口處的流體壓力為20 MPa,加熱器溫度為100 ℃,選用直徑為3 mm的射流噴嘴,射流噴距為6 mm,粒子采用0.3～0.5 mm石英砂,射流破巖時(shí)間為2 min,巖心選用致密砂巖。結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯?破巖性能隨著粒子加入到射流中破巖時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng),但增強(qiáng)的幅度逐漸減小。相對(duì)于不加入粒子的純超臨界二氧化碳射流(對(duì)應(yīng)的圖中粒子射流時(shí)間為0 s),加入石英砂30 s后射流的破巖深度和體積分別提高了63.29%和66.67%,可見(jiàn)粒子的加入大幅度增強(qiáng)了超臨界二氧化碳射流的破巖能力;而隨著破巖時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),由于實(shí)驗(yàn)噴嘴不具備自進(jìn)能力,隨著巖石破碎的進(jìn)行,射流到巖石表面的噴距變大,導(dǎo)致雖然粒子射流繼續(xù)噴射,但是破巖效果逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 超臨界二氧化碳粒子射流噴嘴直徑的優(yōu)選

固定調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)井筒入口處的流體壓力為20 MPa,加熱器溫度為100 ℃,射流噴距為2倍噴嘴直徑,粒子采用粒徑為0.3～0.5 mm石英砂,粒子循環(huán)時(shí)間為3 min,粒子射流破巖時(shí)間為2 min,巖心選用致密砂巖,依次更換直徑為2～4 mm的射流噴嘴。結(jié)果見(jiàn)圖3,可以看出,根據(jù)實(shí)驗(yàn)后破碎坑的深度和體積,發(fā)現(xiàn)射流的破巖性能隨著噴嘴直徑的增大先增強(qiáng)后減弱。當(dāng)采用較小直徑的噴嘴時(shí),雖然射流噴射速度較高,但是粒子碰撞劇烈,無(wú)法形成足夠沖擊載荷的粒子射流噴射巖石,當(dāng)采用較大直徑噴嘴時(shí),粒子在射流中充分分散,但是由于射流溫度低(相同井筒入口壓力下大直徑噴嘴需要更大的排量,加熱換熱器換熱后二氧化碳流體升溫較低)、噴射速度較小,不利于破巖,因此只有當(dāng)噴嘴直徑在適當(dāng)范圍時(shí),才能發(fā)揮超臨界二氧化碳粒子射流的破巖優(yōu)勢(shì),本文中實(shí)驗(yàn)條件下射流破巖效果最優(yōu)的噴嘴直徑為3 mm。

圖3不同噴嘴直徑條件下的破巖性能Fig.3 Effect of nozzle diameter on rock-breaking property

2.3 超臨界二氧化碳粒子射流噴距的優(yōu)選

固定調(diào)節(jié)井筒入口處的流體壓力為20 MPa,加熱器溫度為100 ℃,粒子采用0.3～0.5 mm石英砂,粒子循環(huán)時(shí)間為3 min,粒子射流破巖時(shí)間為2 min,巖心選用致密砂巖。選用直徑為3 mm的射流噴嘴,依次調(diào)節(jié)噴距為1～5倍的噴嘴直徑。結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?射流的破巖性能隨著噴距的增大先增強(qiáng)后減弱。當(dāng)射流噴距較小時(shí),沖擊后的返回流對(duì)噴射流體干擾強(qiáng)烈,抵消了部分射流能量,而當(dāng)射流噴距較大時(shí),射流對(duì)巖石的沖擊區(qū)域增大,但是距離的增大也會(huì)導(dǎo)致巖石處于射流噴射速度較低的區(qū)域,不利于深度破巖,因此只有當(dāng)噴距在一定范圍內(nèi)時(shí),才能保證粒子射流充分發(fā)展的同時(shí)沖擊載荷較強(qiáng)。本文中實(shí)驗(yàn)條件下射流破巖效果最優(yōu)的噴距為2倍噴嘴直徑。

圖4 不同噴距條件下的破巖性能Fig.4 Effect of standoff distance on rock-breaking property

2.4 超臨界二氧化碳粒子射流中粒子類(lèi)型的優(yōu)選

固定調(diào)節(jié)井筒入口處的流體壓力為20 MPa,加熱器溫度為100 ℃,選用直徑為3 mm的射流噴嘴,射流噴距為6 mm,粒子循環(huán)時(shí)間為3 min,粒子射流破巖時(shí)間為2 min,巖心選用致密砂巖。粒子分別采用0.3～0.5 mm石英砂、0.5～0.7 mm石英砂、0.425～0.5 mm陶粒、0.85～1 mm陶粒，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?石英砂射流的破巖性能明顯優(yōu)于陶瓷顆粒射流。石英砂的硬度和密度較大,棱角尖銳,而陶瓷顆粒表面圓滑,密度和硬度小,雖然更易加速,但是不利于對(duì)巖石的沖擊切削,本文中實(shí)驗(yàn)條件下加入粒徑為0.3～0.5 mm的石英砂時(shí)粒子射流的破巖性能最強(qiáng),更適合用于作為本套實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)粒子。

圖5 不同粒子類(lèi)型獲得的破巖性能Fig.5 Effect of particles types on rock-breaking property

2.5 射流壓力對(duì)超臨界二氧化碳粒子射流破巖性能的影響

固定設(shè)置加熱器溫度為100 ℃,選用直徑為3 mm的射流噴嘴,射流噴距為6 mm,粒子采用0.3～0.5 mm石英砂,粒子循環(huán)時(shí)間為3 min,粒子射流破巖時(shí)間為2 min,巖心選用致密砂巖。調(diào)節(jié)井筒入口處的流體壓力為8～20 MPa，結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?射流壓力越大,射流的破巖性能越強(qiáng)。隨著射流壓力的增大,超臨界二氧化碳流體的流量增大,粒子被充分加速,高速粒子射流對(duì)巖石的沖擊力也隨之增大。

圖6 不同射流壓力條件下的破巖性能Fig.6 Effect of jet pressure on rock-breaking property

2.6 射流溫度對(duì)超臨界二氧化碳粒子射流破巖性能的影響

固定調(diào)節(jié)井筒入口處的流體壓力為20 MPa,選用直徑為3 mm的射流噴嘴,射流噴距為6 mm,粒子采用0.3～0.5 mm石英砂,粒子循環(huán)時(shí)間為3 min,粒子射流破巖時(shí)間為2 min,巖心選用致密砂巖。調(diào)節(jié)加熱器溫度為50～100 ℃，結(jié)果見(jiàn)圖7?？梢钥闯?射流溫度越高,射流的破巖性能越強(qiáng),但是增強(qiáng)的趨勢(shì)逐漸變緩。隨著加熱器溫度的升高,流經(jīng)其中的液態(tài)二氧化碳在熱交換后溫度隨之升高,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)井筒時(shí)相態(tài)已轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài),從而兼具了氣體二氧化碳的低黏度和易擴(kuò)散、液體二氧化碳的高密度特點(diǎn),在射流破巖的過(guò)程中,極易進(jìn)入巖石內(nèi)部的裂縫和孔隙中,引起射流沖擊造成的損傷繼續(xù)擴(kuò)展,降低破巖的門(mén)限壓力,有利于射流破巖,但是二氧化碳流體的密度和黏度同時(shí)降低,影響粒子的攜帶能力和射流的沖擊力,所以當(dāng)溫度升高到一定程度后,射流的破巖能力趨于穩(wěn)定。

圖7 不同射流溫度條件下的破巖性能Fig.7 Effect of jet temperature on rock-breaking property

2.7 超臨界二氧化碳粒子射流對(duì)不同類(lèi)型巖石的破巖性能對(duì)比

固定調(diào)節(jié)井筒入口處的流體壓力為20 MPa,加熱器溫度為100 ℃,選用直徑為3 mm的射流噴嘴,射流噴距為6 mm,粒子采用0.3～0.5 mm石英砂,粒子循環(huán)時(shí)間為3 min,粒子射流破巖時(shí)間為2 min。分別采用水泥石人造巖心、兩種致密砂巖和天然頁(yè)巖巖心(分別對(duì)應(yīng)的是圖中抗壓強(qiáng)度為24.65、48、72.6和84.95 MPa)，結(jié)果見(jiàn)圖8。可以看出,隨著巖石強(qiáng)度增大和巖石更加致密,破碎時(shí)需要消耗的機(jī)械功越大,破巖難度越大,按照破巖效果由好變差排序依次為水泥石、砂巖和頁(yè)巖。雖然對(duì)致密頁(yè)巖的破碎深度較小,但仍然具有較好的體積破碎效果,而由于未達(dá)到水射流破碎頁(yè)巖的門(mén)限壓力,相同條件下高壓水射流無(wú)法破碎堅(jiān)硬的頁(yè)巖,這也驗(yàn)證了超臨界二氧化碳粒子射流用于開(kāi)發(fā)非常規(guī)致密油氣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖8 相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)頁(yè)巖、砂巖和 水泥石的破巖性能Fig. 8 Effect of rock types on rock-breaking property

3 結(jié) 論

(1)相比于純超臨界二氧化碳射流,加入粒子后射流的破巖性能明顯增強(qiáng)。

(2)超臨界二氧化碳粒子射流的破巖性能隨著噴嘴直徑和噴距的增大先增強(qiáng)后減弱,確定了本實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)噴嘴直徑和噴距,破巖性能隨著射流壓力和溫度的增大而增強(qiáng)。

(3)超臨界二氧化碳粒子射流的破巖性能隨著粒子注入時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng),且由于石英砂的棱角尖銳、硬度更高,其破巖性能明顯優(yōu)于陶瓷顆粒,更適合用來(lái)作為粒子介質(zhì)來(lái)增強(qiáng)超臨界二氧化碳射流的破巖能力。