超临界二氧化碳钻井基础研究进展
王瑞和, 倪红坚, 宋维强, 肖彩云     
中国石油大学(华东)石油工程学院, 山东青岛 266580
摘要: 超临界CO2钻井技术是以CO2为钻井介质的新型钻井技术,在实现CO2资源化利用和提高非常规油气钻探效益等方面潜力巨大,其关键理论和技术问题主要体现在超临界CO2在井筒中的流动规律、携岩能力、射流破岩及井壁稳定性等井筒多相流和流体与岩石相互作用方面。为此,利用超临界CO2在井筒中的流动模型分析了影响超临界CO2钻井环空压力分布的因素;通过理论计算和室内携岩试验分析了超临界CO2的携岩能力;根据理论分析和室内射流破岩试验分析了超临界CO2射流破岩机理;利用临界CO2与井壁围岩的力-热耦合模型并结合超临界CO2对岩石力学性质的影响,分析了超临界CO2钻井的井壁稳定性。结果表明:循环流量和井口回压是影响超临界CO2钻井环空压力分布的主要因素;井斜角为48°~72°时超临界CO2携岩最小返速比较高,超临界CO2的携岩效果与清水接近,但远优于空气;超临界CO2射流破岩产生的温度应力可有效降低破岩门限压力,提高破岩效率;采用超临界CO2钻进水平层理硬质页岩地层时井壁稳定性好。研究结果为完善超临界CO2钻井理论和尽快形成超临界CO2钻井技术奠定了理论基础。
关键词: 超临界二氧化碳     流动规律     携岩能力     射流     破岩机理     井眼稳定     数学模型    
The Development of Fundamental Research on Supercritical Carbon Dioxide Drilling
WANG Ruihe, NI Hongjian, SONG Weiqiang, XIAO Caiyun     
College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Huadong), Qingdao, Shandong, 266580, China
Abstract: Supercritical CO2 drilling, a new type of drilling technique uses CO2 as its sole drilling fluid and has great potential in accomplishing the resource utilization of CO2 and improving the efficiency of drilling unconventional oil/gas wells.The key theoretical and technical challenges in supercritical CO2 drilling mainly involve supercritical CO2 flow law in the borehole, the cuttings carrying capacity, rock jet-breaking and wellbore stability in multiphase flow and fluid-rock interactions.In this paper, the supercritical CO2 wellbore flow model was used to analyze the factors affecting the distribution of supercritical CO2 drilling annulus pressure; theoretical calculation and cuttings carrying experiments were conducted to analyze the cuttings carrying ability of supercritical CO2. According to theoretical analysis and rock jet breaking tests, the mechanism of supercritical CO2 jet breaking was analyzed.Wellbore stability in critical CO2 drilling was analyzed through mechanical and thermal coupling model of critical CO2 and surrounding rock in combination with the effect of supercritical CO2 on rock mechanical properties.The results show that circulation flow rate and wellhead back pressure were the main factors in the distribution of supercritical CO2 drilling annulus pressure.When the well inclination was 48°-72°, the minimum return velocity of supercritical CO2 cuttings carrying was relatively high and the cuttings carrying efficiency was closed to that of fresh water which was remarkably higher than that of air; the reduced stress from temperature change when rock broke down from supercritical CO2 jetting could effectively reduce the threshold pressure of the rock breaking down and improve the efficiency of rock breaking.When drilling through horizontal beddings of hard shale strata with supercritical CO2, a perfect wellbore stability was observed.The research established a foundation for the perfection of supercritical CO2 drilling theory and the establishment of supercritical CO2 drilling techniques.
Key words: supercritical CO2     flow law     cuttings carrying capacity     fluidics     rock breaking machanism     hole stability     mathematical model    

近年来国内外的研究表明, 超临界二氧化碳钻井技术将展示出其巨大的发展潜力[1]。超临界CO2具有接近液体的密度、接近气体的黏度以及良好的溶解和扩散能力, 与常规气体钻井流体相比, 超临界CO2能够有效驱动螺杆钻具[2], 同时其环空压力调控范围较大, 展现了更大的灵活性和更高的效率[3]; 与常规水基钻井液相比, 超临界CO2不会伤害储层, 且CO2吸附岩石的效率数倍于甲烷气, 有利于保护油气层和提高采收率[4]; 超临界CO2射流破岩门限压力远低于水射流, 可有效辅助破岩, 获得更高的钻井速度[5]。另外, 为适应保护环境的迫切需要, 充分利用CO2, 减少排放更具重要的现实意义。因此超临界CO2钻井技术, 在实现CO2资源化利用、提高非常规油气钻探效益等方面具有巨大的发展潜力。

美国是最早进行超临界CO2钻井技术研究的国家, 1998年, J.J.Kollé等人[6-7]首先研究了超临界CO2连续管钻井的可行性, 发现了其在射流破岩方面的巨大优势, 并引起了学者们的广泛关注; 2005年, A.P.Gupta等人[8]建立了超临界CO2循环流动的PVT模型, 从理论上分析了超临界CO2作为钻井流体进行欠平衡钻井的可行性; 2008年, F.Al-Adwani等人[9]在常规钻井液能量方程的基础上建立了超临界CO2传热模型, 并考虑了地层水侵入对超临界CO2传热的影响。中国石油大学(华东)于2006年开始涉足超临界CO2钻井理论与技术研究领域, 经过10余年的探索, 提出了超临界CO2钻井区别于常规钻井的2个基本问题, 即超临界CO2在井筒中的多相流动和超临界CO2与岩石的相互作用, 并在超临界CO2井筒流动规律与相态变化、携岩规律、射流破岩及井壁稳定性等方面进行了较为系统的研究, 为超临界CO2钻井技术发展提供了理论和技术支撑。

1 超临界CO2在井筒中的流动及控制

超临界CO2作为一种新型钻井流体, 其在钻井过程中的循环流动规律及携岩性能是影响钻井安全的关键问题[10-11], 而研究CO2井筒流动规律的难点主要在于CO2的可压缩性及其对流场压力和井筒传热的耦合影响。

1.1 超临界CO2在井筒中的流动规律

CO2在井筒中的循环流动规律是超临界CO2钻井技术的基础理论问题之一。与常规钻井液不同, 由于CO2具有可压缩性, 在井筒中流动时, CO2物性参数与井筒中的温度和压力相互耦合[12-14], 因而建立超临界CO2在钻井中的流动模型, 分析井筒中超临界CO2温度和压力的分布, 是实现井下压力控制的依据。同时, 井筒温度场和压力场也是研究井壁稳定性和超临界CO2携岩性能等的基础。

1.1.1 流动模型

当井筒中超临界CO2的流动达到稳态时, 综合考虑井壁围岩的温度变化、湍流耗散以及摩擦生热的影响, 对井筒微元列出可压缩流体流动基本方程组, 即超临界CO2在井筒中的流动模型:

(1)

式中:v为流体流速, m/s; ρ为流体密度, kg/m3; vi为流体流速vxi轴的分量, m/s; h为流体比焓, h=cpT, J/kg; cp为定压热容, J/(kg·K); T为温度, K; k为传热系数, W/(m2·K)。

由式(1)可知, 准确计算CO2的物性参数是求解超临界CO2流动模型的基础, 而CO2的物性参数可以通过状态方程来计算。根据CO2的特性, 选用精度较高的Span-Wagner方程[15]计算CO2的热力学参数(密度、比热容等), 选用Vesovic方程[16]及该方程的改进形式——Fenghour方程[17]计算CO2的迁移参数(热导率、黏度), 以提高井筒流场的计算精度[17-19]

1.1.2 流动规律

通过求解井筒中流体流动与传热的控制方程组(详见文献[17]), 得到流量为25 kg/s、环空回压为9 MPa时的井筒压力剖面(见图 1)和温度剖面(见图 2)。由图 1图 2可知:井筒中CO2的压力与井深近似呈线性关系, 这与之前的研究结果相符; 与以清水为循环介质时井筒内压力剖面对比发现, 当环空排量和回压相同时, 以CO2为循环介质时的循环压秏比清水低36.7%, 证实了采用超临界CO2钻井技术钻进窄密度窗口地层的优势; 钻杆内液态CO2在井深780.00 m左右转变为超临界状态; 钻头喷嘴处有较大的压降和温降, 但CO2仍处于超临界状态; CO2在环空中上返时可由超临界态转变为气液两相状态, 但可提高井口回压, 使环空中的CO2始终处于超临界状态。

图 1 井筒内不同钻井流体的流动压力剖面 Fig.1 Wellbore flow pressure profile with different drilling fluids
图 2 井筒温度剖面 Fig.2 Temperature profile in wellbore

此外, 考察井筒内CO2物性参数剖面发现, 主导钻杆内CO2物性参数变化的是温度, 而主导环空中CO2物性参数变化的是压力。同时, 环空中的压力与CO2密度及流动压秏直接相关, 这也是调控环空压力的依据。

1.2 超临界CO2钻井环空压力控制

非常规油气储层(如页岩气储层)对环空压力较为敏感, 容易发生坍塌、漏失等井下故障, 因此, 环空压力的控制是安全高效钻井的重要保障。实际钻井过程中, 环空压力分布受循环流量、注入温度和环空回压等因素影响。

在前期研究的基础上, 进一步分析了超临界CO2钻井过程中影响环空压力分布的主要因素。为实现井底目标压力, 计算了不同参数时所需补偿的井口回压(详见文献[20]), 结果见图 3图 4。由图 3图 4可知:井深不变时, 为实现井底恒压的控压目标, 井口回压随流量增大而减小; 流量不变时, 随着井深增大, 井底目标压力增大, 井口回压也随之增大。此外, 计算表明, 入口温度对环空压力剖面影响较小。

图 3 流量对环空压力剖面的影响 Fig.3 Impavt of flow rate on annulus pressure profile
图 4 井深对环空压力泡面的影响 Fig.4 Impact of well depth on annulus pressure profile 注:井底控压目标pt与流体密度ρW、井深h的关系为pt=ρWgh

综合分析上述计算结果可知, 循环流量和环空井口回压是影响环空压力分布的主要因素。在超临界CO2钻井过程中, 循环流量需满足携岩的要求[21]。在满足携岩要求的前提下, 综合调整循环流量和井口回压是控制环空压力最有效的手段。

2 超临界CO2的携岩特性

由于超临界CO2的密度低于水, 且黏度接近于气体, 故超临界CO2的携岩能力低于常规钻井液。因此对于超临界CO2钻井, 尤其是水平井段的井眼清洁问题倍受关注。为此研制了超临界CO2携岩试验装置, 结合理论模型, 以临界返速为研究对象, 分析了超临界CO2环空携岩的基本规律[20-25]

2.1 岩屑起动模型

钻进斜井段和水平段过程中, 钻井流体携带的岩屑颗粒由于受自身重力的影响极易沉降到井眼低边形成岩屑床[12], 当环空钻井流体返速大于临界返速时, 沉降的岩屑颗粒就会脱离岩屑床向前运移, 进而被钻井流体携带至地面。

对岩屑进行受力分析可知, 井斜角不同时, 影响岩屑颗粒所受合力的主要因素也不同, 岩屑颗粒的起动模式也不同。研究表明, 岩屑颗粒的起动根据井斜角不同主要有滚动起动和上升起动2种。岩屑起动时的临界环空流速可通过岩屑受力分析进行推导(详见文献[21]), 滚动起动和上升起动的环空临界返速分别为:

(2)
(3)

式中:vcg*为岩屑颗粒以滚动方式运移时的临界环空返速, m/s; vcs*为岩屑颗粒以上升方式运移时的临界环空返速, m/s; K为经验系数; CL为颗粒升力系数; CD为流体的曳力系数; ds为颗粒直径, m; ρs为颗粒密度, kg/m3; ρf为流体的密度, kg/m3; AH=4.14×10-20N·m; s为颗粒间距离, s=1.78×10-5ds0.77, m; α为井斜角, (°); φ为两球形颗粒球心连线与岩屑床面的夹角, (°); E'为颗粒沉没度。

式(2)和式(3)可用于计算不同流体的携岩临界返速。

2.2 超临界CO2携岩规律

在温度为40 ℃、压力为8.5 MPa的条件下, 分析超临界CO2携岩的临界返速随井斜角的变化情况。

岩屑颗粒以不同起动模式起动时的环空流体临界返速如图 5所示。

图 5 不同井斜角下岩屑滚动及上升起动的临街反速 Fig.5 Critical returning velocity of cutting rolling and rising with deviation angle

图 5可以看出, 岩屑颗粒起动方式存在临界井斜角。井斜角较小时, 岩屑颗粒以上升方式起动所需的环空流体临界返速(vcs*)小于岩屑颗粒以滚动方式起动所需的环空流体临界返速(vcg*), 此时岩屑颗粒以上升方式起动; 随着井斜角增大, vcs*迅速增大并超过vcg*, 岩屑颗粒以滚动方式起动。这是由于岩屑颗粒以上升方式运移时, 升力起主要作用, 这就需要很高的流速, 而当井斜角超过临界值时, 颗粒所受升力和拖曳力产生的合力矩更容易使颗粒滚动。

不同井斜角下超临界CO2携岩的临界环空速度如图 6所示。

图 6 不同井斜角下携岩临界环空返速 Fig.6 Critical annulus return velocity changing with deviation angle

图 6可以看出, 随着井斜角增大, 超临界CO2携岩的临界环空速度呈先增大后减小的趋势, 且理论计算结果与试验结果的变化趋势一致, 但试验结果小于理论计算结果。对比不同流体携岩最小环空返速发现, 超临界CO2携岩最小环空返速远小于空气携岩最小环空返速, 与清水携岩最小环空返速较为接近(见图 7), 表明超临界CO2携岩效果比清水稍差, 但远好于空气。

图 7 不同流体携岩最小环空返速 Fig.7 Minimum annular return velocity with different fluids

由于CO2具有可压缩性, 超临界CO2的携岩性能受环空中温度、压力、相态及流速等多种因素的影响。而超临界CO2的物性参数对温度和压力的变化极为敏感, 因此在超临界CO2钻井过程中, 需要结合其流动模型分析超临界CO2的携岩能力。

3 超临界CO2射流破岩

高压射流破岩或辅助破岩是提高钻速的重要方式, 国内外的研究证实超临界CO2射流能有效降低破岩门限压力和增加破岩体积[26]。因此, 研究超临界CO2射流破岩或射流辅助破岩机理, 是发展高效破岩钻井方法与技术的基础。

3.1 超临界CO2射流破岩试验

为了进一步阐释超临界CO2射流破岩的机理, 研制了国内首套超临界CO2钻完井模拟试验系统, 并开展了超临界CO2射流破岩试验[26-28], 分析了射流压力、井底环境温度、井底围压、岩石强度、喷嘴直径、喷射距离等因素对超临界CO2射流破岩效果的影响规律, 证明了超临界CO2射流破岩的效果优于水射流。在不同射流压力下, 超临界CO2射流破岩深度是水射流的1.65~7.85倍(见图 8)。通过射流破岩试验还发现, 页岩经超临界CO2射流冲蚀后的端面呈网格化破碎, 整体呈大体积层状破碎。

图 8 增压条件下超临界CO2和水射流破岩深度与射流压力的关系 Fig.8 Rock-breaking depth of supererition CO2 and water jet versus jet pressure
3.2 射流破岩机理

研究表明[29-30], 与水射流和N2射流相比, 温度应力是超临界CO2射流破岩的独特机理, 且与水射流相比, 超临界CO2射流温度场引起射流中心最大应力及中心附近高应力区域增大, 有利于降低射流破岩的门限压力、增大破岩体积。

为了量化分析射流场和破岩应力, 建立了包含流体控制方程、岩石本构方程和热传导方程的流-固耦合模型, 分析不同射流温度和弹性模量下岩石的破坏规律, 结果见图 9

图 9 弹性模量和温度对超临界CO2射流破岩应力的影响 Fig.9 Impact of elastic modulus and temperature on breaking stresses of supercritical CO2 jet

图 9可以看出:随着射流温度升高, 岩石的最大拉应力和破坏半径增大, 当射流温度超过70 ℃时, 射流破坏范围是室温下的5倍, 但破岩深度减小, 这是由于射流温度场使破岩应力和破坏面积增大, 因而超临界CO2射流能降低破岩门限压力、增大破岩面积; 随着岩石弹性模量增大, 破岩径深比(破岩半径与破岩深度的比)增大, 岩石破坏形状从碗状破碎坑向表面线状转变, 表明超临界CO2射流具有高效破坏地层深部硬岩的潜力。此外, 研究发现, 在地层温度条件下, 超临界CO2射流的温降和破岩应力比水射流和N2射流大(见图 10)。

图 10 地层温度条件下不同流体射流破岩时的应力 Fig.10 Stresses of rock-breaking under different fluids at formation temperature 注:岩石弹性模量70GPa,射流压差10MPa、射流和井底温度70℃。

研究已证明, 超临界CO2射流具有破岩门限压力低、破岩面积大的优势, 而射流辅助破岩是油气钻井中主要的钻进方式。通过研究超临界CO2射流与钻头的复合破岩机制, 发现其与水射流辅助破岩相比具有独特的优势:1)超临界CO2在钻柱、钻头内的循环压耗小, 射流冲击压力高; 2)在地层温度条件下超临界CO2射流的制冷作用可保护钻头, 避免井底高温对牙轮钻头密封和轴承的损坏, 降低PDC钻头切削齿的温度; 3)射流温度场能使岩石表面和内部的应力增大, 降低钻头旋转破岩时的切削力, 增大钻齿压入深度和破岩体积。

4 超临界CO2钻井井壁稳定性

井壁稳定是安全高效钻井的重要保证[31], 超临界CO2在井筒中的流动状态和其与井壁的相互作用直接影响井壁稳定性。在超临界CO2对岩石力学性质影响试验的基础上, 考虑超临界CO2与储层之间的传热传质作用, 建立了力-热耦合模型, 通过求解力-热耦合模型获得井壁围岩的坍塌压力, 分析超临界CO2钻井的井壁稳定性。

4.1 超临界CO2钻井井壁稳定性模型

与常规钻井相比, 在超临界CO2钻井过程中, 超临界CO2与钻开地层发生的传热传质作用是不可忽略的。前期研究表明, 超临界CO2在地层中的渗透性强, 在钻井过程中, 经钻头喷射后, 超临界CO2会产生较大的温降[10], 因而井底附近环空中的超临界CO2与地层存在温差, 在超临界CO2渗入地层时, 该温差会使井壁围岩的应力发生变化, 并引起地层孔隙压力发生变化。因此, 在超临界CO2与地层传质传热作用的基础上, 通过力-热耦合分析超临界CO2钻井的井壁稳定性就显得尤为重要。

基于上述认识和研究, 忽略地层水和纵向传热的影响, 假设地层孔隙度为常数, 考虑温度对井周应力、孔隙压力的影响, 建立了超临界CO2与井壁围岩的力-热耦合模型[32]:

(4)
(5)

式中:pc为地层坍塌压力, MPa; pp为地层孔隙压力, MPa; ϕ为孔隙度; σHσh为最大、最小水平地应力, MPa; θ为井周角, (°); F为坍塌指数, MPa; φ为内摩擦角, (°); C为内聚力, MPa; σ1σ3为最大、最小地应力, MPa; α为有效应力系数; ξ= ; TwT0分别为井底温度和地层原始温度, K; E为地层弹性模量, MPa; μ为泊松比; αm为体积热膨胀系数, K-1

当岩石发生坍塌破坏时, 坍塌指数F为负值, 井壁失稳。

该模型考虑了超临界CO2对井周应力的影响及近井地层温度、地层孔隙压力的变化, 并结合超临界CO2作用下页岩力学试验结果和超临界CO2井筒流动规律, 可对超临界CO2钻井井壁稳定性进行计算分析。

4.2 超临界CO2对岩石力学性质的影响

超临界CO2作为一种外来流体介质, 侵入地层后会影响岩石的力学性能, 为研究超临界CO2浸泡时间对岩石力学参数的影响规律, 研制了超临界CO2浸泡岩石的测试井筒。以取自四川宜宾长宁裸露地层的岩心为研究对象, 岩样为水平层理岩样, 测试岩样经超临界CO2浸泡后的力学性能, 结果见图 11图 13。从图 11图 13可以看出, 随浸泡时间增长, 岩心的抗压强度逐渐降低至稳定值, 弹性模量逐渐升高至稳定值, 泊松比逐渐降低至稳定值, 说明岩样经超临界CO2浸泡后脆性增加, 更容易被破坏。

图 11 岩石抗压强度与超临界CO2浸泡时间的关系 Fig.11 Comperssive strength versus supercritieal CO2 soaking time
图 12 岩石弹性模量与超临界CO2浸泡时间的关系 Fig.12 Elasticity modulus versus supercritical CO2 soaking time
图 13 岩石泊松比超临界CO2浸泡时间的关系 Fig.13 Poisson's ratio versus supercritical CO2 soaking time
4.3 井壁稳定性计算实例

以上文1.1.2中的直井(井眼直径108.6 mm, 井深1500.00 m)为例, 结合4.2中超临界CO2对页岩力学性能影响的试验结果, 假设钻遇地层为水平层理硬质页岩地层, 模型中所用平均孔隙压力梯度、最大水平地应力梯度、最小水平地应力梯度及垂直应力梯度的当量密度分别为1.0, 1.9, 1.5和2.3 kg/L。利用上文建立的超临界CO2钻井井壁稳定力-热耦合模型对相应的井壁进行了稳定性分析, 结果见图 14

图 14 井周坍塌破坏指数 Fig.14 Collapse damage index around a wellbore

图 14可以看出, 采用超临界CO2钻进水平层理的硬质页岩地层时, 随着作业时间增长, 坍塌破坏指数呈上升趋势, 且坍塌破坏指数始终为正值, 即井径不会扩大, 因而无井壁坍塌风险。分析井壁坍塌压力发现, 超临界CO2钻开储层的瞬间井底坍塌压力降低, 这是由于超临界CO2经钻头喷射后产生了温降(见图 2), 低温使坍塌压力降低, 这对保护井壁稳定有利; 但随着钻井时间增长, 全井段坍塌压力高于常规钻井坍塌压力但低于井筒压力, 因而井壁保持稳定。

5 结束语

针对超临界CO2钻井过程中井筒多相流和流体与岩石相互作用的问题, 阐述了超临界CO2在井筒中的流动规律、携岩规律、射流破岩及井壁稳定性等方面的相关理论及研究进展:1)流动规律方面, 在相同排量条件下以超临界CO2为循环介质时的循环压秏比清水低, 循环流量和井口回压是影响超临界CO2钻井环空压力分布的主要因素, 通过调整排量和井口回压可以有效控制井底压力; 2)携岩方面, 超临界CO2的携岩效果与清水接近, 优于空气, 在井斜角为48°~72°时携岩最困难; 3)射流破岩方面, 揭示了温度应力是超临界CO2射流破岩的独特机理和优势, 可有效降低破岩门限压力, 提高破岩效率; 4)井壁稳定性方面, 钻进水平层理硬质页岩地层时, 坍塌破坏指数随作业时间增长而增大且始终为正值, 表明采用超临界CO2钻井技术钻进该类地层可降低井壁坍塌风险。

综上所述, 利用超临界CO2钻井技术开发非常规油气资源极具发展潜力, 但也颇具挑战性。超临界CO2钻井技术是一项复杂的系统工程, 既需要基础理论研究, 更需要诸多技术和设备工具的研发, 必须进行系统设计, 整合优势资源, 各学科协同攻关。建议在进行基础理论研究的基础上, 进一步加强理论成果与工程技术的结合, 完善井筒流动模型、建立判定井眼清洁和井壁稳定的依据, 进一步将研究成果与具体油藏特性联系起来, 同时加快超临界CO2钻井相关设备的研发, 尽快形成满足非常规油气资源勘探开发需求的超临界CO2钻井技术。

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文章信息

王瑞和, 倪红坚, 宋维强, 肖彩云
WANG Ruihe, NI Hongjian, SONG Weiqiang, XIAO Caiyun
超临界二氧化碳钻井基础研究进展
The Development of Fundamental Research on Supercritical Carbon Dioxide Drilling
石油钻探技术, 2018, 46(2): 1-9.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(2): 1-9.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018040

文章历史

收稿日期: 2017-12-15
改回日期: 2018-03-23

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