超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)

超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)張琳;胥豪;牛洪波;劉曉蘭【摘要】Whenthetemperatureandpressurearehigherthan31.10°Cand7.38MParespectively,CO2becomesintosu-percriticalstate,thedensityofsupercriticalCO2issimilartothatofliquid,buttheviscosityishigherthanthatofairandnitrogengas,soitcandrivethedown-holemotorworkingandcarrythecuttingsoutofthewellbore,whichcomesintobeingsupercriticalCO2drillingtechnology.SupercriticalCO2drillingtechnologyhastheadvantagesoffastrockbreakingspeed,goodgasandoilprotectionandhighdisplacementefficiency,especiallyhastheobviousadvantagesintheunconventionaloilandgasreservoirsdevelopment.TherearebroadprospectsfortheapplicationofcombinationofsupercriticalCO2drillingandcoiledtubingdrillingtechnologyinthepressureunderbalancedrillingandpressuredepletionformation.Thepaperin-troducesthesupercriticalCO2technologyaboutitsphysicalcharacteristics,drillingprocessandthetechnicaladvantagesaswellastherelatedresearchprogressanddevelopmenttrend.%當(dāng)溫度和壓力分別達(dá)至U31.10C、7.38MPa及以上時(shí)，CO2成為超臨界狀態(tài)，超臨界CO2具有類似于液體的密度，而其粘度又比空氣和氮?dú)獯螅梢则?qū)動(dòng)井下動(dòng)力鉆具旋轉(zhuǎn)破巖，并攜帶巖屑，形成超臨界CO2鉆井技術(shù)。超臨界CO2鉆井具備破巖速度快、油氣層保護(hù)好、驅(qū)替效率高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于非常規(guī)油氣藏開發(fā)具有明顯優(yōu)勢(shì)。超臨界CO2鉆井與連續(xù)管鉆井技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于壓力欠平衡鉆井和壓力衰竭地層前景廣闊。介紹了超臨界CO2物理特征、超臨界CO2鉆井技術(shù)流程及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最后闡述了超臨界CO2鉆井技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)?！酒诳Q】《探礦工程-巖土鉆掘工程》【年(卷)，期】2014(000)004【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P10-13)【關(guān)鍵詞】超臨界二氧化碳;鉆井;密度;粘度;連續(xù)管;溫度;壓力;攜巖【作者】張琳;胥豪;牛洪波劉曉蘭【作者單位】中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017;中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017;中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017;中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TE242;P634氣體鉆井有別于常規(guī)鉆井技術(shù)，其采用空氣、天然氣或者氮?dú)獾茸鳛檠h(huán)介質(zhì)，攜帶巖屑并冷卻鉆頭，但由于其循環(huán)介質(zhì)密度太低，難以產(chǎn)生足夠的扭矩來(lái)驅(qū)動(dòng)井下馬達(dá)，因此氣體鉆井通常只應(yīng)用于直井段鉆進(jìn)。為了克服這個(gè)難題，美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)在20世紀(jì)90年代對(duì)超臨界CO2鉆井可行性進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。CO2在溫度高于31.UC和壓力高于7.38MPa的情況下為超臨界流體［1~6］。利用超臨界CO2進(jìn)行鉆井時(shí)，超臨界狀態(tài)的CO2具有接近于液體的密度，同時(shí)其粘度也比較大，因此可以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并攜帶巖屑，可以應(yīng)用于定向井和水平井。1超臨界CO2物理特性CO2氣體無(wú)色無(wú)味，分布廣泛，獲取簡(jiǎn)單，三相點(diǎn)為-56.56°C、0.52MPa，臨界點(diǎn)為31.10C、7.38MPa[5~14],當(dāng)溫度和壓力大于臨界點(diǎn)時(shí)，其達(dá)到超臨界狀態(tài)（見圖1）。圖1CO2相態(tài)圖當(dāng)CO2氣體溫度和壓力逐漸升高時(shí)，CO2從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，同時(shí)密度也逐漸增加;當(dāng)溫度和壓力高于臨界點(diǎn)后，呈現(xiàn)為超臨界狀態(tài)。在從氣態(tài)變?yōu)槌R界狀態(tài)時(shí)，其密度變化是連續(xù)的。CO2氣體的密度可調(diào)范圍非常大[11],最大密度可達(dá)1200kg/m3，與常規(guī)鉆井液和欠平衡鉆井時(shí)的鉆井液密度比較接近（見圖2）,顯示出超臨界CO2鉆井技術(shù)寬廣的應(yīng)用前景。另一方面，隨著相態(tài)的變化，CO2氣體的粘度變化范圍也較大，特別是從氣態(tài)變化為液態(tài)時(shí)出現(xiàn)粘度突變[11]。當(dāng)CO2呈超臨界狀態(tài)后，其粘度還將進(jìn)一步增加，但總體介于液態(tài)和氣態(tài)之間。因此可知，超臨界CO2具有常規(guī)鉆井液的密度范圍，其粘度又介于氣體和液體之間，可以驅(qū)動(dòng)井下馬達(dá)工作，并攜帶井筒巖屑，同時(shí)低粘度還有利于降低循環(huán)壓耗，在深井和超深井鉆井時(shí)具有極大的優(yōu)勢(shì)。圖2超臨界CO2與常規(guī)欠平衡鉆井流體密度對(duì)比2超臨界CO2鉆井技術(shù)流程超臨界CO2鉆井技術(shù)主要應(yīng)用于一些特殊的油氣藏，如非常規(guī)油氣藏、壓力衰竭型油氣藏等，并且多配合連續(xù)管技術(shù)使用。圖3為超臨界CO2連續(xù)管鉆井示意圖，CO2存儲(chǔ)于儲(chǔ)罐內(nèi)，并通過制冷機(jī)確保低溫狀態(tài)，確保其處于液態(tài)，便于通過高壓泵注入連續(xù)管內(nèi);進(jìn)入連續(xù)管的CO2隨著壓力的升高進(jìn)入到超臨界狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)井下馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)破巖并攜帶巖屑返出井筒，最后經(jīng)氣體凈化器分離，分離后的CO2再次進(jìn)入儲(chǔ)罐從而循環(huán)利用。圖3超臨界CO2連續(xù)油管鉆井3超臨界CO2鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)超臨界CO2鉆井屬于一種新的鉆井技術(shù)，由于流體的密度、粘度比較特殊，因此體現(xiàn)出諸多的鉆井優(yōu)勢(shì)。3.1有利于提高鉆井速度，縮短建井周期超臨界CO2鉆井提高鉆井速度，縮短鉆井周期主要來(lái)源于以下3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。3.1.1水楔作用更強(qiáng)超臨界CO2鉆井破巖機(jī)理與常規(guī)水射流破巖機(jī)理相類似，主要體現(xiàn)為空化破壞作用、水射流沖擊作用、水楔作用等，但由于其密度、粘度、擴(kuò)散性等方面與常規(guī)鉆井液有很大的區(qū)別，因此其水楔作用更加突出［11］。圖4為常規(guī)水射流與超臨界CO2射流破巖的一個(gè)對(duì)比示意圖。當(dāng)采用水射流破巖時(shí)，水流在壓差作用下進(jìn)入地層裂縫，并向深部流動(dòng)，但受制于毛管力的作用，其進(jìn)入深度有限;而采用超臨界CO2鉆井時(shí)，由于超臨界狀態(tài)下的CO2粘度小、擴(kuò)散性好，并且不存在表面張力，因此不會(huì)受制于毛管力的作用，可以進(jìn)入到更深的裂縫，從而提高射流能量的傳遞，提高破巖速度。圖4常規(guī)水射流與超臨界CO2射流破巖對(duì)比3.1.2門限壓力更低Kolle和Marvin的研究成果充分證明采用超臨界CO2鉆井時(shí)，破巖門限壓力比常規(guī)鉆井液鉆井要低，其中大理石巖樣的破巖門限壓力比常規(guī)鉆井時(shí)低約2/3，頁(yè)巖巖樣的破巖門限壓力比常規(guī)鉆井液時(shí)要低1/2甚至更多;同時(shí)室內(nèi)試驗(yàn)證明，在曼柯斯頁(yè)巖中利用超臨界CO2作為鉆井液的鉆進(jìn)速度是用水時(shí)的3~4倍，破巖所需比能僅為用水力鉆井時(shí)的1/5［11］。3.1.3鉆井復(fù)雜情況少由于超臨界CO2鉆井時(shí)井筒流體不含水分，因此可以避免上部泥頁(yè)巖地層遇水膨脹、垮塌、縮徑等復(fù)雜情況，從而減少?gòu)?fù)雜情況發(fā)生的機(jī)率，減少鉆井周期。3.2有效保護(hù)儲(chǔ)集層，提高原油采收率常規(guī)水基鉆井液含有大量的固相顆粒，這些固相顆粒在鉆進(jìn)過程中會(huì)逐漸進(jìn)入地層，堵塞油氣流通通道;另一方面鉆井液濾液滲入地層并與地層內(nèi)的粘土礦物發(fā)生反應(yīng)，也會(huì)堵塞孔喉，導(dǎo)致儲(chǔ)層傷害、產(chǎn)量降低。而超臨界CO2鉆井時(shí)，流體里不含水分和固相，因此不會(huì)造成儲(chǔ)層傷害;同時(shí)還能改善近井地帶的油氣滲流通道［2］，從而提高原油采收率。3.3對(duì)于低滲透油氣藏、非常規(guī)油氣資源意義重大低滲透油氣藏和非常規(guī)油氣藏開發(fā)難度大，常規(guī)開發(fā)方式經(jīng)濟(jì)效益較低，而采用超臨界CO2鉆井技術(shù)卻可以大大提高開發(fā)效率。其原因主要在于超臨界CO2鉆井可大大提高機(jī)械鉆速、降低復(fù)雜情況發(fā)生機(jī)率、減少儲(chǔ)層傷害、改善油氣流通通道，另外由于超臨界CO2表面張力為零，有利于油氣資源的置換和驅(qū)替。3.4充分發(fā)揮連續(xù)管鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)連續(xù)管技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間，近年來(lái)發(fā)展比較迅速，但受制于連續(xù)管不能旋轉(zhuǎn)、循環(huán)壓耗大、攜巖能力弱等問題，其應(yīng)用范圍受到了極大的限制，而超臨界CO2鉆井有望極大地發(fā)揮連續(xù)管鉆井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先超臨界CO2鉆井破巖門限壓力低，降低了泵壓要求淇次可以利用馬達(dá)進(jìn)行定向井、水平井鉆井;再者超臨界CO2流體粘度遠(yuǎn)低于常規(guī)鉆井液粘度，循環(huán)壓耗小;最后低粘的超臨界CO2流體易形成紊流，提高攜巖效果。3.5經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)由于超臨界CO2鉆井鉆速快，大大縮短了鉆井周期，并且降低了鉆井設(shè)備功率，減少了能源耗費(fèi)，因此可以大大降低開發(fā)初期的鉆井成本;同時(shí)超臨界CO2鉆井避免了儲(chǔ)層傷害，可以節(jié)約相應(yīng)的投產(chǎn)前期近井帶儲(chǔ)層改造費(fèi)用，節(jié)約開發(fā)成本。3.6環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢(shì)超臨界CO2不僅可以利用CO2進(jìn)行強(qiáng)化采氣，換得清潔能源，而且還可以將大量CO2注入儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)永久封存，并從碳排放較多的企業(yè)或國(guó)家獲取碳交易方面的收益，從而進(jìn)一步降低頁(yè)巖氣開發(fā)成本。此外，超臨界CO2鉆井液適應(yīng)性廣，與常規(guī)水基或油基鉆井液相比，它容易回收利用，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，節(jié)約了鉆井液和環(huán)境治理費(fèi)用。4超臨界CO2鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)4.1流體物性研究早在19世紀(jì)50年代，RobbWL等人就對(duì)超臨界CO2流體的粘度和擴(kuò)散性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2流體的粘度比常壓氣體的粘度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，其擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體的擴(kuò)散系數(shù)，具有良好的傳質(zhì)性能。1972年，JasperJJ等人對(duì)CO2的表面張力規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO2變?yōu)槌R界狀態(tài)時(shí)，表面張力降至零。2000年左右，MarrR等人研究了超臨界CO2的密度隨溫度、壓力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其密度對(duì)溫度和壓力的變化十分敏感，微小的波動(dòng)即可導(dǎo)致其密度的急劇變化。2005年，西南石油學(xué)院袁平等人分析國(guó)外相關(guān)的狀態(tài)方程模型，優(yōu)選出適合于超臨界CO2相態(tài)計(jì)算的PR-EOS模型，并從相態(tài)理論和狀態(tài)方程出發(fā)，研究超臨界CO2相變行為，并對(duì)超臨界CO2可能導(dǎo)致井噴的原因進(jìn)行了分析［7］。2007年，美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)Aladwani等人進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，提出了鉆井液PVT模型，模擬了鉆井液物性參數(shù)粘度、密度、壓縮因子隨深度變化的規(guī)律。沈忠厚、王海柱等人通過理論分析，對(duì)比研究了超臨界CO2鉆井液與氮?dú)狻⒖諝獾茹@井流體的密度、粘度等物性，研究結(jié)論證明超臨界CO2密度變化范圍較大，幾乎涵蓋了所有鉆井液密度調(diào)控范圍［9］。4.2井筒溫度壓力規(guī)律研究1996年，Kabir提出了鉆井過程中超臨界CO2單相流動(dòng)和地層出水以后兩相流的循環(huán)流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模型，計(jì)算分析了超臨界CO2溫度隨深度的變化規(guī)律，及其在井內(nèi)流動(dòng)時(shí)的靜液柱壓力、鉆柱中不同高度處的壓力損耗、巖屑輸送比和噴射沖擊力等。2000年，陳聽寬等人對(duì)超臨界壓力下內(nèi)螺紋管摩擦阻力特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2在相變點(diǎn)處摩擦阻力系數(shù)存在突變。2003年，TohruYamashitah等人在超臨界壓力條件下，對(duì)小直徑管的流體的熱傳導(dǎo)和流動(dòng)壓降進(jìn)行了研究。研究表明在近臨界區(qū)域管中流體的流動(dòng)壓降隨著熱通量的增加而降低，并指出在傳熱惡化區(qū)域流動(dòng)的壓降降低幅度尤為明顯。2003年，KojiOkamoto等人對(duì)強(qiáng)制對(duì)流換熱條件下，超臨界CO2流動(dòng)的瞬時(shí)速度分布進(jìn)行了研究。2010年，邱正松、王在明等人對(duì)超臨界CO2鉆井流體井筒溫度傳遞特性進(jìn)行了研究，建立了井眼溫度傳遞數(shù)學(xué)模型［6］，給出了鉆具內(nèi)和環(huán)空流體溫度計(jì)算解析式，結(jié)合具體鉆具尺寸，繪制了鉆具和環(huán)空中流體溫度分布剖面，得到了超臨界CO2鉆井液溫度隨井深的變化規(guī)律。2010年，沈忠厚等人以超臨界CO2流體鉆井為例研究了鉆頭漸縮噴嘴壓力、溫度、流速變化對(duì)聲速流的影響，表明在氣體鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是高壓力、大排量噴射鉆井時(shí)，應(yīng)制好井底與鉆頭上游之間的壓力關(guān)系，避免聲速流的發(fā)生。2011年，王海柱、沈忠厚等人以Span-Wagner氣體狀態(tài)計(jì)算方法為基礎(chǔ)，建立了井筒流動(dòng)和傳熱數(shù)學(xué)模型［3］,從而對(duì)超臨界CO2鉆井井筒壓力溫度進(jìn)行耦合計(jì)算，并對(duì)超臨界CO2連續(xù)管鉆井進(jìn)行實(shí)例分析，同時(shí)還研究了超臨界CO2連續(xù)管鉆井過程中地層水侵入對(duì)井筒溫度和壓力的影響。2010年，王在明、邱正松等人建立了考慮井筒流體與地層換熱對(duì)井筒流體溫度影響的井筒傳熱模型，根據(jù)能量守恒推導(dǎo)出了井筒流體溫度計(jì)算模型［8］,利用有限元推導(dǎo)出了井筒內(nèi)CO2鉆井流體的壓力計(jì)算公式。4.3射流及破巖規(guī)律研究美國(guó)Tempress公司的J.J.koue等人在2000年時(shí)，利用55~193MPa的不同射流壓力對(duì)泥巖、大理巖、花崗巖等堅(jiān)硬巖石進(jìn)行超臨界CO2射流破巖室內(nèi)研究，證實(shí)超臨界CO2射流破巖的門限壓力比水射流要低很多，能夠顯著提高機(jī)械鉆速［12］。2009年，王瑞和、倪紅堅(jiān)等人建立了國(guó)內(nèi)首套超臨界CO2射流高效破巖試驗(yàn)裝置，有效模擬了井下實(shí)際工況，已獲得超臨界CO2直射流、旋轉(zhuǎn)射流、脈沖射流的破巖規(guī)律。4.4攜巖規(guī)律研究沈忠厚等人建立了臨界CO2流體攜巖的數(shù)學(xué)模型和物理模型［4］，研究了超臨界CO2流體在水平井段的攜巖規(guī)律，研究表明超臨界CO2流體的攜巖能力隨著其密度和粘度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)小于某一臨界密度時(shí)其攜巖能力明顯降低。2006年，中國(guó)石油大學(xué)(華東)的邱正松教授和王在明博士等人研制了超臨界CO2鉆井液循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)裝置［9］，在此基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)研究了溫度、壓力以及井斜角對(duì)超臨界CO2攜巖的影響，并對(duì)CO2水合物形成和溶解特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。5結(jié)語(yǔ)超臨界CO2鉆井作為一項(xiàng)新興的鉆井技術(shù)，具有諸多的優(yōu)勢(shì)，較大的應(yīng)用范圍，特別是對(duì)壓力枯竭型地層以及非常規(guī)油氣藏開發(fā)方面具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，顯示出良好的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于超臨界CO2鉆井技術(shù)的研究更多處于理論研究和室內(nèi)研究階段，真正的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用屈指可數(shù)，超臨界CO2鉆井也還存在著一些亟待解決的問題，如出水地層CO2腐蝕問題、井口高精度壓力控制問題、CO2增加粘度技術(shù)的問題、鉆頭壓降和溫度控制問題以及連續(xù)管配套設(shè)備的問題。參考文獻(xiàn)：［1］ 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