超临界二氧化碳论文.pdf

超临界二氧化碳旋转射流目前，我国常规油气资源探明和开发程度已经相当高，对低渗透油藏、致密砂岩气、页岩气、煤层气、重油以及天然气水合物等非常规油气资源的勘探、开发已成为我国能源发展战略的重要方向之一。非常规油气成藏条件复杂，开发过程中储层保护困难，勘探开发难度大，因此，迫切需要形成新的工程技术，有效提高机械钻速、最大限度保护储层，最终提高油气的采收率。研究表明，超临界二氧化碳流体具有接近于液体的高密度和强溶解性，以及接近于气体的低粘度和强扩散性等独特性质，是一种非常有应用前景的非常规油气藏开发流体介质。采用超临界二氧化碳高压射流喷射破岩钻井，不仅对非常规油气储层没有伤害，而且能够获得较高的机械钻速，并实现温室气体的减排利用，技术应用前景广阔。1 超临界二氧化碳的性质在标准状况下，二氧化碳为无色无味的气体，其水溶性呈弱酸性。二氧化碳气体不能燃烧但易被液化。二氧化碳的临界点31.1、7.38 MPa。当温度和压力大于临界点温度和压力时，二氧化碳达到超临界状态。超临界二氧化碳具有许多不同于气体也不同于液体的独特性质：随着温度和压力逐渐升高，二氧化碳从气态变为液态，同时密度也逐渐增加；当温度和压力高于临界点后，呈现为超临界状态（见图1）。其最大密度可达1 200 kg/m3。随着相态的变化，二氧化碳气体的粘度变化范围也较大，总体介于液态和气态之间。在超临界条件下，其扩散系数为液体的 100 倍，因而具有很强的溶解能力。除此之外，超临界二氧化碳还具有良好的传热性能，表面张力为0，可以进入到任何大于超临界二氧化碳分子的空间。超临界流体既不同于气体，也不同于液体，具有许多独特的物理化学性质。超临界流体的密度接近于液体，它与温度和压力呈非线性关系，随压力升高而增大，随温度升高而减小，同时其黏度与气体接近，扩散系数也比液体大，因此它的传热和传质能力较强。表1 为超临界流体、气体及液体不同性质对比。2 超临界二氧化碳在石油工程的应用2.1 超临界二氧化碳喷射压裂增产超临界 CO2喷射压裂方法具有独特的优势和广阔的发展前景。首先，超临界 CO2喷射破岩效率高，破岩门限压力低，因此可以在超临界CO2流体中添加磨料，进行套管开窗喷射压裂，这样不仅降低了系统注入压力要求，而且提高了压裂施工的安全性;其次，超临界CO2 流体黏度较低，在储层原有的微裂缝中，高黏压裂液无法进入，而超临界CO2 流体却可以随意流动，有助于井筒中压力的传递，降低压裂系统压力，且能使储层产生多而复杂的微裂缝，在储 层 内 形成 裂 缝 网 络，提 高 单 井 产 量 和 采 收率。2.2 超临界二氧化碳驱替提高采收率超临界 CO2流体在油气驱采时能够取得较好的效果。CO2溶于原油后能够降低原油黏度，改善油、水流度比，同时超临界CO2 流体在油气藏中容易流动扩散，能够扩大油藏波及面积。CO2溶于原油后能够使原油体积膨胀，增加原油流动能量，大幅降低油水界面张力，减小残余油饱和度，从而提高原油采收率。2.3 超临界二氧化碳射流冲砂洗井和油套管除垢2.3.1 超临界CO2射流冲砂洗井超临界 CO2射流破岩门限压力较低，同时它又具有较强的溶剂化能力，能以较低的喷射压力破碎并溶解高分子有机物，并轻易地携带出井筒。超临界 CO2流体黏度低、表面张力接近于零、扩散系数大，这些特点使得它在洗井过程中很容易进入到微小孔隙及裂缝中，溶解高分子有机物及其他杂质，清洗更彻底。超临界 CO2流体密度可调范围较宽，在井筒温度和压力条件下，调节井口回压便可控制井底压力，实现欠平衡、平衡或者过平衡洗井作业。2.3.2 超临界CO2射流油套管除垢由于超临界CO2 射流破岩门限压力低，破岩速度快，因此它不仅降低了除垢所需泵压，而且除垢速度快、效率高，对油套管本身却不会造成任何伤害。因此用超临界CO2射流进行油套管除垢会取得满意的效果。2.4 超临界CO2射流破岩钻井超临界 CO2钻井是利用超临界CO2流体作为钻井液的一种新型钻井方式，它利用高压泵将低温液态CO2泵送到钻杆中，液态 CO2下行到一定深度后达到超临界态，利用超临界CO2射流辅助破岩达到快速钻井的目的。超临界CO2钻井较常规钻井优势主要有两点:一是喷射破岩门限压力低，破岩速度快;二是对储层无污染。3 超临界二氧化碳旋转射流破岩机理3.1 试验装置现有 SC-CO2 钻井技术研究大都停留在可行性研究阶段，基础试验研究不足，因此结合实际钻井流程和SC-CO2 流体特点，研制了SC-CO2 射流破岩实验系统，如图 1 所示依次由液态CO2储罐、增压泵组、加热装置、破岩井筒、固相分离器、液相分离器和制冷装置组成整个试验是在密闭管路中循环进行，属于淹没射流，环境压力由井筒出口处的背压阀控制，本装置中井筒出口处压力始终设置为 6 5MPa，由于在喷嘴处的射流压力无法直接测得，本装置通过控制破岩井筒入口处的流体压力来保证射流压力的恒定，最高可达100MPa研发的数据采集控制软件设置有96 组通道，可以实时采集系统流程数据，分析SC-CO2在喷射以及井筒流动过程中的流体特性变化，并能对整个试验进行远程控制SC-CO2 射流破岩井筒如图2 所示，由井下环境模拟单元、射流结构调节单元以及射流破岩时间控制单元组成其中，井下环境模拟单元可以有效模拟地层压力和温度等参数，射流结构调节单元可以更换不同结构喷嘴，射流破岩时间控制单元可以准确控制破岩时间由于本实验系统涉及到高压气体密封，从试验安全和易于实现的角度出发，优选切向注入法形成旋转射流如图3 所示，喷嘴入口位于喷嘴上部侧面，沿轴线均匀分布，喷嘴入口轴线与喷嘴内腔壁面相切，与喷嘴内腔轴线相垂直，保证流体进入内腔后沿侧壁旋转，经喷嘴出口后形成旋转射流破碎岩石。依据入流面积相同的原则，设计注入孔为14 个试验选用 25 4、38 1 和 100mm 3 个系列岩心，在进行探索性试验时，首先使用人工模拟岩心，其抗压强度分别为14 和 25MPa，由水泥，石英砂混合制成，在获得基本规律后再进行天然岩心破岩试验，选取抗压强度为65MPa的致密砂岩和 95MPa 的大理岩等天然岩心进行验证性试验3.2 试验方法(1)首先，在 CO2存储单元(储罐)中存储足量的液态CO2，打开存储单元、增压单元(增压泵)、加热单元(加热器)、试验井筒单元、分离单元(固相、液相分离器)和制冷单元(冷却器)间的阀门，启动加热器和冷却器，通过数据采集控制系统将系统内流体调制为试验所需温度;(2)启动增压泵组，将试验井筒入口处流体调制为试验所需压力;(3)在试验井筒入口处流体达到所需的超临界态后，通过远程控制挡板控制器抽出射流挡板，射流喷射到模拟岩心，并开始计时;(4)试验井筒出口流出的流体经过固相分离器分离岩屑等固体杂质，再经过液相分离器分离水蒸气等液体杂质，最后纯净的CO2 流体经过冷却器降温，达到液态后回到 CO2储罐;(5)达到预定射流喷射时间120s后，控制射流挡板归位，停泵并关闭循环管路阀门，放空试验井筒内流体，取出岩心并开始分析，破岩深度由高精度深度尺测得，破岩体积由小粒径石英砂颗粒填充测量法测得3.3 试验结果3.3.1 与水射流破岩性能对比高压水射流辅助机械破岩目前已成为钻井提速的重要手段，为了进一步检验旋转 SC-CO2射流这种新型射流的破岩性能，开展了旋转SC-CO2射流与旋转水射流的破岩对比试验，试验结果见图4 试验条件为井筒入口处压力2545MPa，温度 70，喷嘴直径 3mm，喷射距离 6mm，切向注入孔 3 个，试验岩心抗压强度 25MPa，其中井筒入口处压力和温度由井筒入口处布置的传感器测得，通过数据采集系统远程控制高压泵变频器改变泵排量进行准确调节压力，通过加热装置调节流体温度 研究发现，相比于高压水射流，SC-CO2 射流的破岩优势显著，在 35MPa以下 SC-CO2 射流提高破岩能力的幅度较大，在高压下提高的幅度减缓，从 35MPa时的 76 9%降到 45MPa 时的 32 8%原因是在较低压力下，由于 SC-CO2 流体粘度低、扩散系数大，与水射流相比更易向微孔隙、微裂纹等损伤继续扩展，射流作用范围增大，体积膨胀后泄压并在岩石孔眼周围形成较大拉应力，汇聚形成宏观破坏，使岩石孔眼的直径扩大，从而降低了破岩门限压力，提高了破岩钻井速度在高压下SC-CO2 流体性质逐渐趋近于液态，此时破岩主要依靠射流的冲击应力，故SC-CO2射流提高破岩能力的趋势减缓可见，旋转SC-CO2射流可以降低破岩的门限压力，破岩性能超过了高压水射流，具有巨大的破岩钻井潜能3.3.2 切向注入孔个数对旋转射流破岩效果的影响不同切向注入方案对旋转射流破岩效果的影响如图5 所示试验条件为井筒入口处压力45MPa，温度 70，喷嘴直径3mm，喷射距离 6mm，试验岩心抗压强度为 25MPa可以看出，切向注入孔沿喷嘴内腔轴线非对称排列时射流的破岩效果较好这是因为如果注入孔沿喷嘴圆周呈对称分布，注入孔位置相对，注入喷嘴内腔的流体彼此直接干扰、掺混，耗散了注入流体的能量，形成的旋转射流强度下降，因此切向注入孔沿喷嘴内腔轴线非对称的排列方式要优于对称排列本试验条件下，三切向注入式旋转射流的破岩效果较强，故后续试验优选三切向注入孔旋转射流喷嘴结构3.3.2 喷嘴直径对旋转射流破岩效果的影响喷嘴直径对旋转射流破岩效果的影响如图6 所示试验条件为井筒入口处压力 45MPa，温度 70，喷嘴直径 34mm，喷射距离为 2 倍喷嘴直径，试验岩心抗压强度为 25MPa 可以看出，随着喷嘴直径的增大，射流冲击压力逐渐减小，破岩深度和破岩体积逐渐下降，故在本试验条件下，切向注入式旋转射流喷嘴直径最优为3mm研究发现，在井筒入口处压力保持恒定时，虽然喷嘴直径越大，需要的泵排量越大，但与水射流不同，SC-CO2 形成射流喷射的过程中，压力迅速释放，且喷嘴直径越小，喷嘴压降越大，因此随着喷嘴直径的增大，虽然随之泵排量增大，但由于喷嘴压降减小幅度更大，导致喷嘴水功率变小，破岩体积随之减小3.3.3 喷射距离对旋转射流破岩效果的影响喷射距离对旋转射流破岩效果的影响如图7 所示 试验条件为井筒入口处压力 45MPa，温度 70，喷嘴直径3mm，喷射距离13 倍喷嘴直径，试验岩心抗压强度25MPa可以看出，随着无因次喷距的增加，破岩深度和破岩体积都呈现先增大后减小的趋势当喷距较小时，旋转射流未能充分扩散，其冲击面积小，返回流阻碍后续喷射流体，使得破碎体积较小;随着喷距的增大，旋转射流得到充分的扩散，冲击面增大，返回流与喷射来流有一定的夹角，相互干扰作用减弱，破岩效果逐渐增强;当超过一定喷距后，流体冲击速度和压力也降低，旋转射流边界上已达不到破岩的门限压力，破碎效果减弱因此，旋转射流存一个最优喷距，本试验条件下最佳喷距为2 倍喷嘴直径3.3.4 岩石强度对旋转射流破岩效果的影响岩石强度对旋转射流破岩效果的影响如图9 所示试验条件为射流压力45MPa，温度 70，喷嘴直径3mm，喷射距离 6mm，破碎岩心按强度排序依次为 14MPa/25MPa 人工岩石、65MPa 硬质砂岩和 95MPa 大理石 可以看出，随着岩石强度的增强，破岩效果逐渐下降分析可知，高强度的岩石孔隙度小，颗粒间的紧密结合使破碎需要的门限压力升高，破岩难度提高，相同条件下射流的破碎效果下降3.3.5 井底环境温度对旋转射流破岩效果的影响SC-CO2钻井过程中随着井深的增加，地层温度升高，钻柱内流体与井筒环境(即环空和地层)间不断发生热量传递，钻井液温度不断升高，并逐渐达到临界值，因此井底处环境温度的高低直接决定钻头射流的流体状态和破岩性能井底环境温度对 SC-CO2 旋转射流破岩效果的影响如图10 所示 试验条件为井筒入口处压力45MPa，喷嘴直径3mm，喷射距离6mm，试验岩心抗压强度25MPa可以看出，SC-CO2 射流破岩效果随着井底环境温度的升高而增强当温度超过临界值后，SC-CO2流体的黏度和扩散系数逐渐接近于气体，极易渗透到岩心深处的孔隙和裂纹中，并使射流冲击造成的损伤继续扩展，从而降低了破岩门限压力，增强了射流的破岩效果在实际钻井过程中，随着地层温度的升高和井筒换热过程的进行，钻杆内的CO2 流体在不到1000m 井深处即可以超过临界值，极易实现井底的超临界状态喷射钻井4.结论(1)相对于旋转水射流，SC-CO2射流的破岩优势显著，在较低射流压力下SC-CO2比水射流破岩能力提高的幅度大，在高压下提高的幅度减缓，35MPa 射流压力下破岩体积提高76 9%;(2)SC-CO2 切向注入式旋转射流最佳结构为三切向注入孔沿喷嘴内腔轴线均匀分布，喷嘴直径3mm，喷距为 2 倍喷嘴直径;(3)井筒入口处压力和井底环境温度越高，岩石强度越低，SC-CO2 旋转射流的破岩效果越好，因此需要优选适当的钻井工艺，推动SC-CO2旋转射流破岩钻井技术的发展。参考文献超临界二氧化碳旋转射流破岩试验研究杜玉昆，王瑞和，倪红坚。超临界二氧化碳射流破岩试验杜玉昆，王瑞和，倪红坚。超临界 CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望李根生，王海柱，沈忠厚