超臨界二氧化碳鉆井井壁巖石特性研究*

孟照峰

(中石化中原石油工程有限公司)

0 引 言

在鉆井過程中，當(dāng)出現(xiàn)液柱壓力和鉆井液壓力低于地層坍塌壓力等情況時，井壁容易出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌事故[1-3]。井壁穩(wěn)定性在鉆井過程中一直是備受關(guān)注的重要問題，仍存在很多未能攻克的技術(shù)難點(diǎn)。在現(xiàn)場施工時，井壁失穩(wěn)嚴(yán)重影響正常鉆進(jìn)速度，需要技術(shù)人員重新處理修復(fù)，這會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

專家學(xué)者對井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了多方面研究[4-8]，由鉆井液、巖石特性等單因素作用影響機(jī)理擴(kuò)展到多因素共同作用影響機(jī)理的深層次研究，建立了各種不同的鉆井井壁巖石力學(xué)模型[9-12]。超臨界二氧化碳密度高、流動性強(qiáng)、表面張力較小，可形成高壓力、高強(qiáng)度的射流沖擊力，有利于高效破巖鉆進(jìn)，在頁巖儲層開發(fā)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[13-15]。但超臨界二氧化碳在鉆井領(lǐng)域仍處于不成熟階段，作用機(jī)理未形成完善的理論體系，對井壁穩(wěn)定性的影響沒有確實(shí)的研究結(jié)論[16-21]。因此，研究超臨界二氧化碳對鉆井井壁巖石特性的影響有利于保障井壁穩(wěn)定和鉆井安全運(yùn)行。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用的頁巖來源于塔里木油田塔中地區(qū)，將頁巖研磨制成粉末狀顆粒，利用X射線衍射儀對頁巖的成分進(jìn)行組分分析，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.2%，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.1%，白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.9%，長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%，黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.7%。

試驗(yàn)裝置主要由超臨界二氧化碳制備單元、加載控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和回收單元構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳浸泡頁巖力學(xué)特性測試裝置Fig.1 Test device for mechanical properties of supercritical carbon dioxide immersed shale

超臨界二氧化碳制備單元主要由二氧化碳?xì)馄?、制冷器和高壓柱塞泵組成。高壓柱塞泵最高可提供80 MPa壓力。加載控制單元主要由加載浸泡控溫裝置和溫度控制器組成。加載浸泡控溫裝置主要由液壓泵、千斤頂和巖心夾持器組成，最大加載壓力達(dá)到250 MPa，最高加載溫度達(dá)到300 ℃，巖心最大直徑50 mm。數(shù)據(jù)采集單元由溫度傳感器、壓力傳感器、載荷傳感器和計算機(jī)組成?；厥諉卧杉和敖M成。

試驗(yàn)采用制冷器對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行液化，高壓柱塞泵對其加壓后泵送至加載浸泡控溫裝置內(nèi)。加載浸泡控溫裝置控制試驗(yàn)溫度，對巖心進(jìn)行加載測試，載荷傳感器、溫度傳感器及壓力傳感器采集相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖心浸泡應(yīng)變特性

控制試驗(yàn)溫度為40 ℃，壓力為15 MPa，將巖心放置于加載浸泡控溫裝置內(nèi)浸泡150 min，得到其應(yīng)變變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知：在浸泡15 min內(nèi)，巖心的橫向、縱向應(yīng)變均急劇上升；隨著時間的延長，橫向、縱向應(yīng)變緩慢下降；當(dāng)浸泡時間到達(dá)70 min后，橫向、縱向應(yīng)變趨于平穩(wěn)，因此后續(xù)試驗(yàn)浸泡時間設(shè)定為70 min。超臨界二氧化碳的黏度低，流動性能較強(qiáng)，可進(jìn)入頁巖內(nèi)的微小孔隙并積蓄一定的能量，導(dǎo)致頁巖體積變大，即應(yīng)變增加。同時，超臨界二氧化碳超強(qiáng)的穿透力、相態(tài)變化時發(fā)生體積增大均會導(dǎo)致頁巖膨脹。頁巖在縱向不同位置分布著紋理層，在浸泡過程中超臨界二氧化碳對頁巖內(nèi)膠狀物具有溶蝕作用，使原有的紋理層和微裂縫擴(kuò)展變大并形成新的裂縫和孔隙，因此，縱向應(yīng)變程度要略高于橫向應(yīng)變。頁巖內(nèi)黏土組分含量較高，黏土與超臨界二氧化碳接觸吸附后會發(fā)生收縮反應(yīng)，促使橫向、縱向應(yīng)變緩慢下降。當(dāng)黏土的收縮反應(yīng)和超臨界二氧化碳的膨脹作用相平衡時，橫向、縱向應(yīng)變趨于平穩(wěn)。

圖2 應(yīng)變隨浸泡時間的變化曲線Fig.2 Variation of strains with immersion time

2.2 浸泡壓力對巖心力學(xué)特性的影響規(guī)律

2.2.1 浸泡壓力對巖心應(yīng)變的影響

控制試驗(yàn)溫度為40 ℃，壓力由0升高至40 MPa，在超臨界二氧化碳浸泡下，消除粘結(jié)劑對試驗(yàn)結(jié)果的影響，得到超臨界二氧化碳浸泡壓力對頁巖巖心應(yīng)變的影響曲線，如圖3所示。

圖3 巖心應(yīng)變受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.3 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on core strains

由圖3可知，隨著浸泡壓力的增大，巖心縱向、橫向應(yīng)變先增大后略有下降。在臨界壓力附近，巖心應(yīng)變增大幅度較大，這是由于二氧化碳由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)，穿透力顯著增強(qiáng)，超臨界二氧化碳擴(kuò)散至量級更小的孔隙內(nèi)，頁巖體積膨脹，縱向、橫向應(yīng)變增大。縱向應(yīng)變增大幅度大于橫向應(yīng)變增大幅度，這是由于巖心橫向存在原有的紋理層，超臨界二氧化碳在微裂縫內(nèi)積蓄一定能量，導(dǎo)致巖心的微裂縫擴(kuò)展變大，縱向應(yīng)變顯著增大。當(dāng)浸泡壓力繼續(xù)升高時，橫向、縱向應(yīng)變均略有減小，這是由于超臨界二氧化碳在巖心內(nèi)趨于飽和，而黏土成分在超臨界二氧化碳的作用下收縮，此時，膨脹作用不再是主要影響因素，黏土收縮導(dǎo)致橫向、縱向應(yīng)變減小。

2.2.2 浸泡壓力對巖心單軸抗壓強(qiáng)度的影響

控制試驗(yàn)溫度為50 ℃，壓力由0升至40 MPa，得到巖心單軸抗壓強(qiáng)度曲線，如圖4所示。

圖4 單軸抗壓強(qiáng)度受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.4 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on uniaxial compressive strength

由圖4可知：當(dāng)浸泡壓力由5 MPa上升至10 MPa時，單軸抗壓強(qiáng)度急劇減小，這是由于二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)，超臨界二氧化碳高擴(kuò)散能力促使其迅速進(jìn)入巖心微孔隙內(nèi)，膨脹作用和溶蝕作用導(dǎo)致巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，單軸抗壓強(qiáng)度減小較快；當(dāng)浸泡壓力由10 MPa上升至25 MPa時，單軸抗壓強(qiáng)度緩慢減小，這是由于超臨界二氧化碳進(jìn)一步穿透至更深層孔隙內(nèi)，膨脹作用和溶蝕作用進(jìn)一步加強(qiáng)；當(dāng)浸泡壓力高于25 MPa時，超臨界二氧化碳趨近飽和狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

2.2.3 浸泡壓力對巖心彈性模量的影響

控制試驗(yàn)溫度為50 ℃，壓力由0升高至40 MPa，得到巖心彈性模量曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在臨界壓力附近，彈性模量隨浸泡壓力的升高而急劇升高。這主要是由于黏土組分吸附超臨界二氧化碳后發(fā)生收縮反應(yīng)，收縮后的黏土粘結(jié)性更強(qiáng)，顆粒之間相互聯(lián)結(jié)，增強(qiáng)了巖心的彈性，即彈性模量升高。當(dāng)浸泡壓力繼續(xù)升高時，超臨界二氧化碳與黏土的接觸面積增大，黏土收縮反應(yīng)增強(qiáng)，彈性模量略微升高，當(dāng)黏土收縮反應(yīng)達(dá)到極限時，不再受超臨界二氧化碳的影響，彈性模量趨于穩(wěn)定。

圖5 彈性模量受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.5 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on elastic modulus

2.2.4 浸泡壓力對巖心泊松比的影響

控制試驗(yàn)溫度為50 ℃，壓力由0升高至40 MPa，得到巖心泊松比曲線，如圖6所示。

圖6 泊松比受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.6 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on Poisson’s ratio

由圖6可知，當(dāng)浸泡壓力升高時，二氧化碳由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)，泊松比顯著升高。這是由于巖心在橫向上存在紋理層和微裂縫，超臨界二氧化碳與縱向黏土組分的接觸更加充分，黏土縱向收縮反應(yīng)更加強(qiáng)烈，彈性更高，變形量會相對較小，同樣，橫向彈性稍弱，變形量相對較大，即泊松比升高。當(dāng)壓力繼續(xù)增大時，超臨界二氧化碳趨于飽和，泊松比趨于穩(wěn)定。

2.3 浸泡溫度對巖心力學(xué)特性的影響規(guī)律

2.3.1 浸泡溫度對巖心應(yīng)變的影響

控制試驗(yàn)壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升高至70 ℃，在超臨界二氧化碳浸泡下，得到頁巖巖心應(yīng)變隨溫度的變化曲線；消除粘結(jié)劑對試驗(yàn)結(jié)果的影響，得到超臨界二氧化碳浸泡溫度對頁巖巖心應(yīng)變的影響曲線，如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)浸泡溫度由25 ℃升高至35 ℃時，橫向、縱向應(yīng)變均升高，主要原因是二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界狀態(tài)，超臨界二氧化碳的膨脹作用、溶蝕作用和擴(kuò)展作用導(dǎo)致孔隙能量增加，巖心膨脹，微裂縫擴(kuò)展變大。當(dāng)浸泡溫度繼續(xù)上升時，橫向、縱向應(yīng)變降低，巖心由膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s狀態(tài)，主要原因是超臨界二氧化碳的萃取作用導(dǎo)致黏土失水收縮，同時超臨界二氧化碳吸附在巖心黏土上也會促使其收縮，此時，膨脹作用不再是巖心宏觀表現(xiàn)的主導(dǎo)因素。當(dāng)浸泡溫度進(jìn)一步上升時，橫向、縱向應(yīng)變再次升高，巖心由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)。這是由于高溫下超臨界二氧化碳分子變得更加活躍，吸附作用和萃取作用受到抑制，穿透力增強(qiáng)，活躍的小分子更易進(jìn)入孔隙內(nèi)，膨脹作用和擴(kuò)展作用增強(qiáng)，促使巖心微裂縫增大，體積膨脹。

圖7 巖心應(yīng)變受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.7 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on core strains

2.3.2 浸泡溫度對巖心單軸抗壓強(qiáng)度的影響

控制試驗(yàn)壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升至70 ℃，得到巖心單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線，如圖8所示。

圖8 單軸抗壓強(qiáng)度受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.8 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on uniaxial compressive strength

由圖8可知，在臨界溫度附近，隨著浸泡溫度的升高，巖心單軸抗壓強(qiáng)度快速下降，主要原因是二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)，膨脹作用、溶蝕作用和擴(kuò)展作用破壞了巖心原有結(jié)構(gòu)。當(dāng)浸泡溫度繼續(xù)升高時，單軸抗壓強(qiáng)度隨之下降，雖然溫度升高會抑制溶蝕作用、萃取作用和收縮作用，但是運(yùn)動更加強(qiáng)烈的超臨界二氧化碳分子會增強(qiáng)膨脹作用和擴(kuò)展作用，在多種作用的累積效果下，單軸抗壓強(qiáng)度繼續(xù)下降。

2.3.3 浸泡溫度對巖心彈性模量的影響

控制試驗(yàn)壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升高至70 ℃，得到巖心彈性模量變化曲線，如圖9所示。

圖9 彈性模量受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.9 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on elastic modulus

由圖9可知，在臨界溫度附近，彈性模量顯著升高。這是由于超臨界二氧化碳萃取作用促使巖心黏土組分失水而收縮，同時，超臨界二氧化碳也會直接導(dǎo)致黏土收縮，黏土收縮后粘結(jié)性增加，彈性增強(qiáng)，即巖心彈性模量增大。當(dāng)浸泡溫度繼續(xù)升高時，彈性模量隨之增加后趨于平緩，主要原因是溫度升高促進(jìn)了黏土的進(jìn)一步收縮，但是在高溫條件下，超臨界二氧化碳分子過度活躍，無法穩(wěn)定地吸附在黏土周圍，黏土的收縮作用也相應(yīng)受到抑制，彈性模量趨于穩(wěn)定。

2.3.4 浸泡溫度對巖心泊松比的影響

控制試驗(yàn)壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升高至70 ℃，得到巖心泊松比變化曲線，如圖10所示。

圖10 泊松比受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.10 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on Poisson’s ratio

由圖10可知，在臨界溫度附近，隨著浸泡溫度的升高，巖心泊松比急劇增大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，泊松比先升高后趨于平緩。這是由于巖心在橫向上存在紋理層和微裂縫，溫度升高，超臨界二氧化碳分子更加活躍，與縱向黏土組分的接觸更加充分，黏土縱向收縮作用更加強(qiáng)烈，彈性更強(qiáng)，形變量會相對較小，即泊松比升高。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，超臨界二氧化碳的吸附作用和黏土的收縮作用受到抑制，泊松比趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

(1)超臨界二氧化碳浸泡時間延長，巖心橫向、縱向應(yīng)變先急劇上升后緩慢下降，到達(dá)70 min后趨于平穩(wěn)。這是由于超臨界二氧化碳的黏度低，可進(jìn)入微小孔隙，膨脹作用和溶蝕作用導(dǎo)致應(yīng)變增加。黏土的收縮作用促使橫向、縱向應(yīng)變緩慢下降。當(dāng)收縮作用和膨脹作用相平衡時，橫向、縱向應(yīng)變趨于平穩(wěn)。

(2)當(dāng)浸泡壓力升高時，受膨脹作用和收縮作用的影響，巖心縱向、橫向應(yīng)變先增大后略有下降，單軸抗壓強(qiáng)度先急劇下降，再緩慢下降后趨于平穩(wěn)，彈性模量和泊松比先急劇升高，再緩慢升高后趨于平穩(wěn)。

(3)當(dāng)浸泡溫度升高時，在收縮作用、膨脹作用和溶蝕作用共同影響下，巖心由膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s后再次膨脹，巖心單軸抗壓強(qiáng)度下降，彈性模量和泊松比先急劇升高，再緩慢升高后趨于平緩。