超临界二氧化碳钻井技术

张 琳，胥 豪，牛洪波，刘晓兰

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017)

气体钻井有别于常规钻井技术，其采用空气、天然气或者氮气等作为循环介质，携带岩屑并冷却钻头，但由于其循环介质密度太低，难以产生足够的扭矩来驱动井下马达，因此气体钻井通常只应用于直井段钻进。为了克服这个难题，美国路易斯安那州立大学在20世纪90年代对超临界CO2钻井可行性进行了研究和现场试验。CO2在温度高于31.1℃和压力高于7.38 MPa的情况下为超临界流体[1～6]。利用超临界CO2进行钻井时，超临界状态的CO2具有接近于液体的密度，同时其粘度也比较大，因此可以驱动马达转动并携带岩屑，可以应用于定向井和水平井。

1 超临界CO2物理特性

CO2气体无色无味，分布广泛，获取简单，三相点为 －56.56℃、0.52 MPa，临界点为31.10℃、7.38 MPa[5～14]，当温度和压力大于临界点时，其达到超临界状态(见图1)。

图1 CO2相态图

当CO2气体温度和压力逐渐升高时，CO2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。在从气态变为超临界状态时，其密度变化是连续的。CO2气体的密度可调范围非常大[11]，最大密度可达1200 kg/m3，与常规钻井液和欠平衡钻井时的钻井液密度比较接近(见图2)，显示出超临界CO2钻井技术宽广的应用前景。另一方面，随着相态的变化，CO2气体的粘度变化范围也较大，特别是从气态变化为液态时出现粘度突变[11]。当CO2呈超临界状态后，其粘度还将进一步增加，但总体介于液态和气态之间。因此可知，超临界CO2具有常规钻井液的密度范围，其粘度又介于气体和液体之间，可以驱动井下马达工作，并携带井筒岩屑，同时低粘度还有利于降低循环压耗，在深井和超深井钻井时具有极大的优势。

图2 超临界CO2与常规欠平衡钻井流体密度对比

2 超临界CO2钻井技术流程

超临界CO2钻井技术主要应用于一些特殊的油气藏，如非常规油气藏、压力衰竭型油气藏等，并且多配合连续管技术使用。图3为超临界CO2连续管钻井示意图，CO2存储于储罐内，并通过制冷机确保低温状态，确保其处于液态，便于通过高压泵注入连续管内;进入连续管的CO2随着压力的升高进入到超临界状态，从而驱动井下马达转动破岩并携带岩屑返出井筒，最后经气体净化器分离，分离后的CO2再次进入储罐从而循环利用。

图3 超临界CO2连续油管钻井

3 超临界CO2钻井技术的优势

超临界CO2钻井属于一种新的钻井技术，由于流体的密度、粘度比较特殊，因此体现出诸多的钻井优势。

3.1 有利于提高钻井速度，缩短建井周期

超临界CO2钻井提高钻井速度，缩短钻井周期主要来源于以下3个方面的优势。

3.1.1 水楔作用更强

超临界CO2钻井破岩机理与常规水射流破岩机理相类似，主要体现为空化破坏作用、水射流冲击作用、水楔作用等，但由于其密度、粘度、扩散性等方面与常规钻井液有很大的区别，因此其水楔作用更加突出[11]。图4为常规水射流与超临界CO2射流破岩的一个对比示意图。当采用水射流破岩时，水流在压差作用下进入地层裂缝，并向深部流动，但受制于毛管力的作用，其进入深度有限;而采用超临界CO2钻井时，由于超临界状态下的CO2粘度小、扩散性好，并且不存在表面张力，因此不会受制于毛管力的作用，可以进入到更深的裂缝，从而提高射流能量的传递，提高破岩速度。

图4 常规水射流与超临界CO2射流破岩对比

3.1.2 门限压力更低

Kollé和Marvin的研究成果充分证明采用超临界CO2钻井时，破岩门限压力比常规钻井液钻井要低，其中大理石岩样的破岩门限压力比常规钻井时低约2/3，页岩岩样的破岩门限压力比常规钻井液时要低1/2甚至更多;同时室内试验证明，在曼柯斯页岩中利用超临界CO2作为钻井液的钻进速度是用水时的3～4倍，破岩所需比能仅为用水力钻井时的 1/5[11]。

3.1.3 钻井复杂情况少

由于超临界CO2钻井时井筒流体不含水分，因此可以避免上部泥页岩地层遇水膨胀、垮塌、缩径等复杂情况，从而减少复杂情况发生的机率，减少钻井周期。

3.2 有效保护储集层，提高原油采收率

常规水基钻井液含有大量的固相颗粒，这些固相颗粒在钻进过程中会逐渐进入地层，堵塞油气流通通道;另一方面钻井液滤液渗入地层并与地层内的粘土矿物发生反应，也会堵塞孔喉，导致储层伤害、产量降低。而超临界CO2钻井时，流体里不含水分和固相，因此不会造成储层伤害;同时还能改善近井地带的油气渗流通道[2]，从而提高原油采收率。

3.3 对于低渗透油气藏、非常规油气资源意义重大

低渗透油气藏和非常规油气藏开发难度大，常规开发方式经济效益较低，而采用超临界CO2钻井技术却可以大大提高开发效率。其原因主要在于超临界CO2钻井可大大提高机械钻速、降低复杂情况发生机率、减少储层伤害、改善油气流通通道，另外由于超临界CO2表面张力为零，有利于油气资源的置换和驱替。

3.4 充分发挥连续管钻井技术优势

连续管技术起源于第二次世界大战期间，近年来发展比较迅速，但受制于连续管不能旋转、循环压耗大、携岩能力弱等问题，其应用范围受到了极大的限制，而超临界CO2钻井有望极大地发挥连续管钻井的技术优势。首先超临界CO2钻井破岩门限压力低，降低了泵压要求;其次可以利用马达进行定向井、水平井钻井;再者超临界CO2流体粘度远低于常规钻井液粘度，循环压耗小;最后低粘的超临界CO2流体易形成紊流，提高携岩效果。

3.5 经济优势

由于超临界CO2钻井钻速快，大大缩短了钻井周期，并且降低了钻井设备功率，减少了能源耗费，因此可以大大降低开发初期的钻井成本;同时超临界CO2钻井避免了储层伤害，可以节约相应的投产前期近井带储层改造费用，节约开发成本。

3.6 环境保护优势

超临界CO2不仅可以利用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，并从碳排放较多的企业或国家获取碳交易方面的收益，从而进一步降低页岩气开发成本。此外，超临界CO2钻井液适应性广，与常规水基或油基钻井液相比，它容易回收利用，对环境无污染，节约了钻井液和环境治理费用。

4 超临界CO2钻井技术发展现状及趋势

4.1 流体物性研究

早在19世纪50年代，Robb W L等人就对超临界CO2流体的粘度和扩散性进行了研究，发现超临界CO2流体的粘度比常压气体的粘度高出一个数量级，其扩散系数远远高于液体的扩散系数，具有良好的传质性能。1972年，Jasper J J等人对CO2的表面张力规律进行了研究，发现当CO2变为超临界状态时，表面张力降至零。2000年左右，Marr R等人研究了超临界CO2的密度随温度、压力变化规律，发现其密度对温度和压力的变化十分敏感，微小的波动即可导致其密度的急剧变化。

2005年，西南石油学院袁平等人分析国外相关的状态方程模型，优选出适合于超临界CO2相态计算的PR－EOS模型，并从相态理论和状态方程出发，研究超临界CO2相变行为，并对超临界CO2可能导致井喷的原因进行了分析[7]。2007年，美国路易斯安那州立大学Aladwani等人进行了数值模拟研究，提出了钻井液PVT模型，模拟了钻井液物性参数粘度、密度、压缩因子随深度变化的规律。沈忠厚、王海柱等人通过理论分析，对比研究了超临界CO2钻井液与氮气、空气等钻井流体的密度、粘度等物性，研究结论证明超临界CO2密度变化范围较大，几乎涵盖了所有钻井液密度调控范围[9]。

4.2 井筒温度压力规律研究

1996年，Kabir提出了钻井过程中超临界CO2单相流动和地层出水以后两相流的循环流动和热传导模型，计算分析了超临界CO2温度随深度的变化规律，及其在井内流动时的静液柱压力、钻柱中不同高度处的压力损耗、岩屑输送比和喷射冲击力等。2000年，陈听宽等人对超临界压力下内螺纹管摩擦阻力特性进行研究，发现超临界CO2在相变点处摩擦阻力系数存在突变。2003年，Tohru Yamashitah等人在超临界压力条件下，对小直径管的流体的热传导和流动压降进行了研究。研究表明在近临界区域管中流体的流动压降随着热通量的增加而降低，并指出在传热恶化区域流动的压降降低幅度尤为明显。2003年，Koji Okamoto等人对强制对流换热条件下，超临界CO2流动的瞬时速度分布进行了研究。

2010年，邱正松、王在明等人对超临界CO2钻井流体井筒温度传递特性进行了研究，建立了井眼温度传递数学模型[6]，给出了钻具内和环空流体温度计算解析式，结合具体钻具尺寸，绘制了钻具和环空中流体温度分布剖面，得到了超临界CO2钻井液温度随井深的变化规律。2010年，沈忠厚等人以超临界CO2流体钻井为例研究了钻头渐缩喷嘴压力、温度、流速变化对声速流的影响，表明在气体钻井设计时，尤其是高压力、大排量喷射钻井时，应制好井底与钻头上游之间的压力关系，避免声速流的发生。2011年，王海柱、沈忠厚等人以Span－Wagner气体状态计算方法为基础，建立了井筒流动和传热数学模型[3]，从而对超临界CO2钻井井筒压力温度进行耦合计算，并对超临界CO2连续管钻井进行实例分析，同时还研究了超临界CO2连续管钻井过程中地层水侵入对井筒温度和压力的影响。2010年，王在明、邱正松等人建立了考虑井筒流体与地层换热对井筒流体温度影响的井筒传热模型，根据能量守恒推导出了井筒流体温度计算模型[8]，利用有限元推导出了井筒内CO2钻井流体的压力计算公式。

4.3 射流及破岩规律研究

美国Tempress公司的J.J.koue等人在2000年时，利用55～193 MPa的不同射流压力对泥岩、大理岩、花岗岩等坚硬岩石进行超临界CO2射流破岩室内研究，证实超临界CO2射流破岩的门限压力比水射流要低很多，能够显著提高机械钻速[12]。2009年，王瑞和、倪红坚等人建立了国内首套超临界CO2射流高效破岩试验装置，有效模拟了井下实际工况，已获得超临界CO2直射流、旋转射流、脉冲射流的破岩规律。

4.4 携岩规律研究

沈忠厚等人建立了临界CO2流体携岩的数学模型和物理模型[4]，研究了超临界CO2流体在水平井段的携岩规律，研究表明超临界CO2流体的携岩能力随着其密度和粘度的增加而增强，当小于某一临界密度时其携岩能力明显降低。2006年，中国石油大学(华东)的邱正松教授和王在明博士等人研制了超临界CO2钻井液循环模拟实验装置[9]，在此基础上实验研究了温度、压力以及井斜角对超临界CO2携岩的影响，并对CO2水合物形成和溶解特性进行了实验研究。

5 结语

(1)超临界CO2钻井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，特别是对压力枯竭型地层以及非常规油气藏开发方面具有非常独特的优势，显示出良好的应用前景。

(2)目前国内外对于超临界CO2钻井技术的研究更多处于理论研究和室内研究阶段，真正的现场应用屈指可数，超临界CO2钻井也还存在着一些亟待解决的问题，如出水地层CO2腐蚀问题、井口高精度压力控制问题、CO2增加粘度技术的问题、钻头压降和温度控制问题以及连续管配套设备的问题。

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