超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)調(diào)研

超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)調(diào)研第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院內(nèi)容提綱

1、發(fā)展歷程2、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理3、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)4、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)5、超臨界二氧化碳鉆井存在的問(wèn)題第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院一、發(fā)展歷程

過(guò)去欠平衡鉆井是使用氮作為鉆井液，但是純氮的密度低，不能產(chǎn)生足夠的扭矩驅(qū)動(dòng)井下馬達(dá)和鉆頭，氮與水的混合物（穩(wěn)定泡沫）能使馬達(dá)產(chǎn)生足夠的扭矩，但是難以維持欠平衡條件。為了克服這一問(wèn)題，20世紀(jì)末國(guó)外對(duì)深井欠平衡鉆井作業(yè)中使用超臨界二氧化碳的可行性進(jìn)行了研究。

路易斯安娜州立大學(xué)對(duì)深井欠平衡鉆井作業(yè)中使用超臨界二氧化碳的可行性進(jìn)行了分析，開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算CO2在一定壓力、溫度和深度下以及在油田管材和環(huán)空中密度和粘度的變化軟件，還開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算CO2在環(huán)空中摩擦壓力降、噴射沖擊力和攜屑比等參數(shù)的軟件。第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院內(nèi)容提綱

1、發(fā)展歷程2、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理3、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)4、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)5、超臨界二氧化碳鉆井存在的問(wèn)題第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二CO2在溫度高于31.1℃和壓力高于7.38MPa的情況下為超臨界流體（當(dāng)一種物質(zhì)超過(guò)其本身的臨界溫度和臨界壓力時(shí)，就認(rèn)為這種物資就是超臨界流體）。鉆井使用了連續(xù)管和CO2。通過(guò)連續(xù)管以高壓方式注CO2，注入壓力達(dá)7.40MPa，高于CO2的臨界壓力。當(dāng)CO2進(jìn)入連續(xù)管后溫度和壓力繼續(xù)上升達(dá)到了超臨界壓力，CO2則可以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和鉆頭。從而進(jìn)行側(cè)鉆和定向作業(yè)。二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理基本原理第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二獨(dú)特物理特性臨界點(diǎn)：溫度31.1℃，壓力7.38MPa表面張力為零黏度接近于氣體、擴(kuò)散系數(shù)大于液體密度接近于液體。CO2在臨界狀態(tài)下壓縮，不會(huì)出現(xiàn)液相，僅導(dǎo)致密度的增加二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理鉆井工藝研究院SC第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理欠平衡鉆井流體密度范圍CO2氣體的密度可調(diào)范圍最大，幾乎涵蓋了所有鉆井液密度調(diào)控范圍，這也說(shuō)明CO2氣體對(duì)井底的壓力調(diào)控能力較大，適應(yīng)性更為廣泛。第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二從超臨界CO2與空氣、N2密度等溫曲線對(duì)比可知：在臨界溫度以下，CO2密度突然增大，是不連續(xù)的變化；而在臨界溫度以上（320K-400K）密度曲線沒(méi)有出現(xiàn)跳躍點(diǎn)，是連續(xù)變化并且變化范圍較大?？諝夂蚇2密度變化均不大。二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理鉆井工藝研究院CO2、空氣、N2（密度-壓力）等溫圖第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二從超臨界CO2與N2、空氣黏度等溫曲線看出：N2、空氣的黏度曲線走勢(shì)基本一樣，對(duì)溫度和壓力的變化也不敏感。而CO2氣體，隨著壓力的升高，無(wú)論是液態(tài)還是超臨界態(tài)，其黏度變化均非常明顯。二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理鉆井工藝研究院CO2、空氣、N2（粘度-壓力）等溫圖第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二欠平衡鉆井連續(xù)油管側(cè)鉆及超短半徑水平井鉆井連續(xù)油管鉆超短半徑輻射水平井二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理鉆井工藝研究院超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)應(yīng)用范圍1、冷卻效應(yīng)，可擴(kuò)大抗溫能力不強(qiáng)的鉆頭的應(yīng)用范圍；2、抑制粘土膨脹，有利于井壁穩(wěn)定；3、密度可調(diào)范圍大。1、降低噴射壓力，減小水力能量；2、選用小尺寸連續(xù)油管，3、擴(kuò)大轉(zhuǎn)向半徑選擇范圍；4、因剛性連續(xù)油管取代高壓軟管，可以解決方向控制問(wèn)題。通過(guò)使用超臨界CO2由主井筒向四面八方鉆輔助井眼形成輻射井網(wǎng)作為排油通道，將主井眼之間的大片油層連通起來(lái)，達(dá)到增加油氣通道、改善液流方向、提高油氣藏動(dòng)用程度的目的，從而大大提高原油采收率。適合于開(kāi)發(fā)低滲透油層、薄油層、裂縫性油層、注水后的死油區(qū)以及巖性圈閉油藏。第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理超臨界CO2連續(xù)油管鉆井示意圖CO2存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)罐中，為了保證進(jìn)入高壓泵中的CO2為液態(tài)，高壓儲(chǔ)罐內(nèi)溫度一般控制在-15-10℃，壓力控制在4-8MPa，這樣既保證了作業(yè)安全，又不需要極低的溫度。同時(shí)儲(chǔ)罐外壁也應(yīng)加保溫層。第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院內(nèi)容提綱

1、發(fā)展歷程2、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理3、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)4、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)5、超臨界二氧化碳鉆井存在的問(wèn)題第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院三、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)（一）有利于提高鉆井速度、縮短鉆井周期破巖速度快門限壓力低水射流與超臨界CO2射流破巖對(duì)比在壓力低于124MPa時(shí)，水力射流不能破巖，而超臨界CO2噴射破巖的有效壓力卻可低至55MPa。不同介質(zhì)噴射鉆井對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)溝槽小輪廓較清晰破碎體積較小

大面積坑道輪廓不清晰破碎體積較大大面積崩落

第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）有效保護(hù)儲(chǔ)集層，提高原油采收率三、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)普通水基鉆井液中含有大量的固相顆粒，打開(kāi)儲(chǔ)集層時(shí)，往往會(huì)堵塞儲(chǔ)集層孔隙喉道，同時(shí)鉆井液濾液也會(huì)侵入到油氣層中，與油氣層中的黏土礦物結(jié)合，導(dǎo)致黏土膨脹，進(jìn)一步堵塞地層孔隙喉道，降低儲(chǔ)集層滲透率。超臨界CO2流體既無(wú)固相也不含液相，從根本上避免了上述危害的發(fā)生。相反CO2滲透到儲(chǔ)集層后，還能進(jìn)一步增大儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率，降低流動(dòng)阻力，提高采收率。第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（三）能夠滿足泥巖和頁(yè)巖地層鉆井需要三、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)于泥巖地層，采用常規(guī)水基鉆井液鉆進(jìn)容易出現(xiàn)縮徑、垮塌、井壁崩落等情況，有事甚至?xí)?dǎo)致起下鉆遇阻、卡鉆等復(fù)雜情況。超臨界CO2流體不含固相顆粒，也不含水，鉆井過(guò)程中不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成任何污染，還能改善近井地帶的油氣滲流通道，同時(shí)，利用超臨界CO2流體進(jìn)行儲(chǔ)層噴射壓裂改造時(shí)，其低黏特性能夠使儲(chǔ)層產(chǎn)生諸多微裂縫，從而最大限度地溝通天然裂縫，進(jìn)一步提高裂縫的導(dǎo)流能力，達(dá)到增產(chǎn)和提高采收率的目的。第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院三、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)（四）對(duì)于低滲透油氣藏、非常規(guī)油氣藏資源意義重大2012年3月19日沈忠厚院士做的“超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)研究”報(bào)告中提到四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：鉆速高，成本低不污染損害油氣藏有效提高采收率提高單井產(chǎn)量第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院三、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)（五）經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)超臨界CO2對(duì)儲(chǔ)層無(wú)污染，投產(chǎn)前無(wú)需對(duì)近井地帶進(jìn)行改造，節(jié)約費(fèi)用；能進(jìn)入任何大于其分子的空間，有助于油氣的置換，從而提高單井產(chǎn)量和采收率，降低單位成本，縮短投資回收期，降低投資風(fēng)險(xiǎn)?？梢岳肅O2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；可回收利用、無(wú)污染（六）環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢(shì)第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院內(nèi)容提綱

1、發(fā)展歷程2、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)原理3、超臨界二氧化碳鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)4、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)5、超臨界二氧化碳鉆井存在的問(wèn)題第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院四、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)（一）攜巖特性李良川、王在明、邱正松、楊勝來(lái)等人采用最小動(dòng)能準(zhǔn)則，研究分析了超臨界CO2攜巖特性。隨著井斜角的增加，攜巖所需的最低返速增加。水平井?dāng)y巖速度應(yīng)在1m.s-1。第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院四、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)溫度和井斜不變時(shí)，隨著壓力增加，有效最低攜巖返速降低，即CO2攜巖能力增加。當(dāng)壓力和井斜不變時(shí)，隨著溫度增加，有效最低攜巖返速增加，即二氧化碳攜巖能力降低。第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院四、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)（二）井筒溫度傳遞特性建立井筒傳熱數(shù)學(xué)模型實(shí)例計(jì)算計(jì)算結(jié)果分析王在明、邱正松、朱寬亮等人對(duì)超臨界CO2井筒溫度傳遞特性進(jìn)行了研究，建立了井筒溫度的數(shù)學(xué)模型。并進(jìn)行了部分實(shí)例計(jì)算。第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)不同井徑鉆具內(nèi)和環(huán)空的溫度剖面圖不同井深下循環(huán)鉆具內(nèi)和環(huán)空的溫度剖面圖超臨界CO2鉆井液在鉆具內(nèi)的溫度隨井深增加而升高，但不是線性增加；在環(huán)空內(nèi)得溫度先增加，達(dá)到一個(gè)最大值后再下降。隨著井深的增加，鉆具內(nèi)CO2臨界溫度出現(xiàn)的井深上移，環(huán)空內(nèi)最大溫度值增加，出現(xiàn)最大溫度的井深會(huì)下移，與地層溫度的重合點(diǎn)會(huì)下移。小井眼所需的CO2流量小且CO2與地層和鉆具的對(duì)流換熱系數(shù)均較高，因此超臨界CO2鉆井液適合微小井眼鉆井。第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院四、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)（三）地層水侵入對(duì)井筒溫度和壓力的影響地層水侵入現(xiàn)狀欠平衡鉆井過(guò)程中會(huì)遇到地層水侵入，地層水侵入后與超臨界CO2混合，鉆井液的黏度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容等參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，而這些參數(shù)的變化直接影響井筒內(nèi)流體的壓力和溫度變化，關(guān)系到欠平衡鉆井的成功與否。建立計(jì)算模型中國(guó)石油大學(xué)（北京）王海柱博士和沈忠厚、李根生教授在綜合考慮SC-CO2

流體黏度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容等參數(shù)對(duì)井筒溫度壓力影響的同時(shí)，采用溫度和壓力相互耦合的計(jì)算方法預(yù)測(cè)井筒溫度和壓力，進(jìn)一步提高計(jì)算精度，為SC-CO2鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期二鉆井工藝研究院四、超臨界二氧化碳鉆井關(guān)鍵技術(shù)（三）地層水侵入對(duì)井筒溫度和壓力的影響從井底混合流體密度隨CO2排量和地層水侵入速度變化曲線圖可見(jiàn)：隨著地層水侵入速度的增大，井底混合流體密度逐漸降低，其降低幅度隨CO2排量（CO2注入