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1、超临界二氧化碳钻井技术调研,二一二年十二月,胥豪 张晓明,钻井工艺研究院,内容提纲,1、发展历程2、超临界二氧化碳钻井技术原理3、超临界二氧化碳钻井技术优势4、超临界二氧化碳钻井关键技术5、超临界二氧化碳钻井存在的问题,钻井工艺研究院,一、发展历程,过去欠平衡钻井是使用氮作为钻井液，但是纯氮的密度低，不能产生足够的扭矩驱动井下马达和钻头，氮与水的混合物（稳定泡沫）能使马达产生足够的扭矩，但是难以维持欠平衡条件。为了克服这一问题，20世纪末国外对深井欠平衡钻井作业中使用超临界二氧化碳的可行性进行了研究。,路易斯安娜州立大学对深井欠平衡钻井作业中使用超临界二氧化碳的可行性进行了分析，开发了一种计算
2、CO2在一定压力、温度和深度下以及在油田管材和环空中密度和粘度的变化软件，还开发了一种计算CO2在环空中摩擦压力降、喷射冲击力和携屑比等参数的软件。,钻井工艺研究院,内容提纲,1、发展历程2、超临界二氧化碳钻井技术原理3、超临界二氧化碳钻井技术优势4、超临界二氧化碳钻井关键技术5、超临界二氧化碳钻井存在的问题,CO2在温度高于31.1和压力高于7.38MPa的情况下为超临界流体（当一种物质超过其本身的临界温度和临界压力时，就认为这种物资就是超临界流体）。钻井使用了连续管和CO2。通过连续管以高压方式注CO2，注入压力达7.40MPa，高于CO2的临界压力。当CO2进入连续管后温度和压力继续上升
3、达到了超临界压力，CO2则可以驱动马达和钻头。从而进行侧钻和定向作业。,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,基本原理,独特物理特性临界点：温度31.1，压力7.38MPa表面张力为零黏度接近于气体、扩散系数大于液体密度接近于液体。CO2在临界状态下压缩，不会出现液相，仅导致密度的增加,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,钻井工艺研究院,SC,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,欠平衡钻井流体密度范围,CO2气体的密度可调范围最大，几乎涵盖了所有钻井液密度调控范围，这也说明CO2气体对井底的压力调控能力较大，适应性更为广泛。,从超临界CO2与空气、N2密度等温曲线对比可知：在临界温度以下，CO2密度突然增大
4、，是不连续的变化；而在临界温度以上（320K-400K）密度曲线没有出现跳跃点，是连续变化并且变化范围较大。空气和N2密度变化均不大。,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,钻井工艺研究院,CO2、空气、N2（密度-压力）等温图,从超临界CO2与N2、空气黏度等温曲线看出：N2、空气的黏度曲线走势基本一样，对温度和压力的变化也不敏感。而CO2气体，随着压力的升高，无论是液态还是超临界态，其黏度变化均非常明显。,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,钻井工艺研究院,CO2、空气、N2（粘度-压力）等温图,欠平衡钻井连续油管侧钻及超短半径水平井钻井连续油管钻超短半径辐射水平井,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,
5、钻井工艺研究院,超临界二氧化碳钻井技术应用范围,1、冷却效应，可扩大抗温能力不强的钻头的应用范围；2、抑制粘土膨胀，有利于井壁稳定；3、密度可调范围大。,1、降低喷射压力，减小水力能量；2、选用小尺寸连续油管，3、扩大转向半径选择范围；4、因刚性连续油管取代高压软管，可以解决方向控制问题。,通过使用超临界CO2由主井筒向四面八方钻辅助井眼形成辐射井网作为排油通道，将主井眼之间的大片油层连通起来，达到增加油气通道、改善液流方向、提高油气藏动用程度的目的，从而大大提高原油采收率。适合于开发低渗透油层、薄油层、裂缝性油层、注水后的死油区以及岩性圈闭油藏。,二、超临界二氧化碳钻井技术原理,超临界CO2
6、 连续油管钻井示意图,CO2存储在高压储罐中，为了保证进入高压泵中的CO2为液态，高压储罐内温度一般控制在-15-10，压力控制在4-8MPa，这样既保证了作业安全，又不需要极低的温度。同时储罐外壁也应加保温层。,钻井工艺研究院,内容提纲,1、发展历程2、超临界二氧化碳钻井技术原理3、超临界二氧化碳钻井技术优势4、超临界二氧化碳钻井关键技术5、超临界二氧化碳钻井存在的问题,钻井工艺研究院,三、超临界二氧化碳钻井技术优势,（一）有利于提高钻井速度、缩短钻井周期,破岩速度快门限压力低,水射流与超临界CO2 射流破岩对比,在压力低于124MPa时，水力射流不能破岩，而超临界CO2喷射破岩的有效压力却
7、可低至55MPa。,不同介质喷射钻井对比实验结果图,三、超临界二氧化碳钻井技术优势,沟槽小轮廓较清晰破碎体积较小,大面积坑道轮廓不清晰破碎体积较大大面积崩落,（二）有效保护储集层，提高原油采收率,三、超临界二氧化碳钻井技术优势,普通水基钻井液中含有大量的固相颗粒，打开储集层时，往往会堵塞储集层孔隙喉道，同时钻井液滤液也会侵入到油气层中，与油气层中的黏土矿物结合，导致黏土膨胀，进一步堵塞地层孔隙喉道，降低储集层渗透率。超临界CO2流体既无固相也不含液相，从根本上避免了上述危害的发生。相反CO2渗透到储集层后，还能进一步增大储集层孔隙度和渗透率，降低流动阻力，提高采收率。,（三）能够满足泥岩和页岩
8、地层钻井需要,三、超临界二氧化碳钻井技术优势,对于泥岩地层，采用常规水基钻井液钻进容易出现缩径、垮塌、井壁崩落等情况，有事甚至会导致起下钻遇阻、卡钻等复杂情况。超临界CO2流体不含固相颗粒，也不含水，钻井过程中不会对储层造成任何污染，还能改善近井地带的油气渗流通道，同时，利用超临界CO2流体进行储层喷射压裂改造时，其低黏特性能够使储层产生诸多微裂缝，从而最大限度地沟通天然裂缝，进一步提高裂缝的导流能力，达到增产和提高采收率的目的。,钻井工艺研究院,三、超临界二氧化碳钻井技术优势,（四）对于低渗透油气藏、非常规油气藏资源意义重大,2012年3月19日沈忠厚院士做的“超临界二氧化碳钻井技术研究”报
9、告中提到四点优势：,钻速高，成本低不污染损害油气藏有效提高采收率提高单井产量,钻井工艺研究院,三、超临界二氧化碳钻井技术优势,（五）经济优势,超临界CO2对储层无污染，投产前无需对近井地带进行改造，节约费用；能进入任何大于其分子的空间，有助于油气的置换，从而提高单井产量和采收率，降低单位成本，缩短投资回收期，降低投资风险。,可以利用CO2进行强化采气，换得清洁能源，而且还可以将大量CO2注入储层，实现永久封存；可回收利用、无污染,（六）环境保护优势,钻井工艺研究院,内容提纲,1、发展历程2、超临界二氧化碳钻井技术原理3、超临界二氧化碳钻井技术优势4、超临界二氧化碳钻井关键技术5、超临界二氧化碳
10、钻井存在的问题,钻井工艺研究院,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,（一）携岩特性,李良川、王在明、邱正松、杨胜来等人采用最小动能准则，研究分析了超临界CO2携岩特性。,随着井斜角的增加，携岩所需的最低返速增加。水平井携岩速度应在1m.s-1。,钻井工艺研究院,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,当温度和井斜不变时，随着压力增加，有效最低携岩返速降低，即CO2携岩能力增加。,当压力和井斜不变时，随着温度增加，有效最低携岩返速增加，即二氧化碳携岩能力降低。,钻井工艺研究院,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,（二）井筒温度传递特性,建立井筒传热数学模型,实例计算,计算结果分析,王在明、邱正松、朱宽亮等人对超
11、临界CO2井筒温度传递特性进行了研究，建立了井筒温度的数学模型。并进行了部分实例计算。,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,不同井径钻具内和环空的温度剖面图,不同井深下循环钻具内和环空的温度剖面图,超临界CO2钻井液在钻具内的温度随井深增加而升高，但不是线性增加；在环空内得温度先增加，达到一个最大值后再下降。随着井深的增加，钻具内CO2临界温度出现的井深上移，环空内最大温度值增加，出现最大温度的井深会下移，与地层温度的重合点会下移。小井眼所需的CO2流量小且CO2与地层和钻具的对流换热系数均较高，因此超临界CO2钻井液适合微小井眼钻井。,钻井工艺研究院,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,（三）地层水
12、侵入对井筒温度和压力的影响,地层水侵入现状,欠平衡钻井过程中会遇到地层水侵入，地层水侵入后与超临界CO2混合，钻井液的黏度、密度、导热系数、热容等参数都会发生变化，而这些参数的变化直接影响井筒内流体的压力和温度变化，关系到欠平衡钻井的成功与否。,建立计算模型,中国石油大学（北京）王海柱博士和沈忠厚、李根生教授在综合考虑SC-CO2 流体黏度、密度、导热系数、热容等参数对井筒温度压力影响的同时，采用温度和压力相互耦合的计算方法预测井筒温度和压力，进一步提高计算精度，为SC-CO2钻井水力参数设计提供参考。,钻井工艺研究院,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,（三）地层水侵入对井筒温度和压力的影响,从
13、井底混合流体密度随CO2排量和地层水侵入速度变化曲线图可见：随着地层水侵入速度的增大，井底混合流体密度逐渐降低，其降低幅度随CO2排量（CO2注入速度）的增大而减小。,计算模型分析,从井底混合流体温度随CO2排量和地层水侵入速度变化曲线图可见：随着地层水侵入速度的增加，井底混合流体温度也随之增大，地层水侵入速度对井底混合流体温度影响较大。,钻井工艺研究院,四、超临界二氧化碳钻井关键技术,（三）地层水侵入对井筒温度和压力的影响,计算模型分析,不同地层水侵入速度下的环空压力剖面,不同地层水侵入速度下环空温度剖面,钻井工艺研究院,内容提纲,1、发展历程2、超临界二氧化碳钻井技术原理3、超临界二氧化碳
14、钻井技术优势4、超临界二氧化碳钻井关键技术5、超临界二氧化碳钻井存在的问题,钻井工艺研究院,五、超临界二氧化碳钻井存在的问题,超临界CO2作为一项新兴的钻井技术，具有诸多的优势，较大的应用范围，但是也还存在着一些亟待解决的问题：,（1）CO2溶解在水中具有严重的腐蚀性，如果地层水与CO2在环空中混合，可以导致腐蚀速率大幅度上升。（2）由于CO2的粘度低，携岩能力可能成为问题，需要使用CO2增粘剂和增稠剂来增加CO2的粘度。（3）需要考虑CO2穿过喷嘴和节流阀时产生的巨大温度降；（4）需要特制的泥浆马达和密封件。（5）连续管钻井设备问题。（6）井口高精度控压的问题。（7）理论计算较多，计算结果各有差异，现场实际操作较少，缺乏参考。,敬请领导批评指正！谢谢！,
