（油气井工程专业论文）超临界二氧化碳射流破岩试验装置的研制.pdf

h ， q 萨 d e v e l o p m e n t o fr o c k - b r e a k i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e n t u n d e rs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e t at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e 伊e eo fm a s t e r ca n d i d a t e ：y u ew e i m i n s u p e r v i s o r ：p r o f n ih o n g j i a n c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 25867 洲8iil咖y 妒 ” p q 盯l ， h k 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：乏焦日期：如，j 年j 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：毛焦也 指导教师签名：平翟j 逸上l 日期：加，1 年厂月) e 1 日期：矽1 年r 月2 ，严日 箩叩， q 啊渺 曲 捅要 目前国内能源形势日益严峻，各大油田相继进入开发中后期，油气勘探开发难度日 益增大，对勘探开发技术的要求越来越高，既要有效提高钻进速度，又要切实保护油气 藏，提高采收率，因此，迫切需要发展新型高效破岩钻井技术。近年来，随着对超临界 二氧化碳流体技术研究的逐步深入，其在钻井技术上的应用可行性研究也已经开展，研 究成果表明，其优异特性符合新型射流破岩钻井技术的需要，可以有效解决当前钻井破 岩过程中所面临的大量难题，因此，研制超临界二氧化碳射流破岩试验装置，研究超临 界二氧化碳射流破岩技术，对提高油气资源的勘探开发效率具有重要意义。 本文首先调研了超临界二氧化碳流体基本性质和超临界二氧化碳钻完井技术的研 究现状，研究发现，超临界二氧化碳射流破岩技术可以有效提高钻井速度、保护油气层。 其次，结合油气层保护钻完井技术中所存在的基本问题和超临界二氧化碳射流技术的特 点，优选了相似理论，并对试验装置做出了总体方案设计，确定了试验装置应满足的功 能和试验装置的系统框架。第三，依据相似理论，结合实际钻完井技术特点，对超临界 二氧化碳射流破岩试验装置进行了全面设计和校核，该破岩试验装置可以进行超临界流 体射流破岩试验以及相关钻完井拓展试验研究，并实现射流初始压力、初始温度、岩石 赋存压力和温度、井底压力和温度以及喷嘴工作参数可调。最后，对所建立的试验装置 进行了试验验证，结果表明所设计试验装置可以进行超临界二氧化碳射流破岩试验，研 究超临界二氧化碳射流及破岩规律。 本文结合超临界二氧化碳射流钻完井技术特点，采用相似理论，设计了超临界二氧 化碳射流破岩试验装置，并进行了试验验证，结果表明本论文所采用的理论方法正确可 行，试验装置的研制为超临界二氧化碳射流破岩试验研究奠定了设备基础，试验结果为 超临界二氧化碳射流破岩钻井工具的研制以及其相关工艺技术的开发提供了理论支撑。 关键词：超临界二氧化碳；射流；试验装置；相似理论；试验研究 妒 霉节 一 0 v q 帚一? 吐 d e v e l o p m e n t o fr o c k - b r e a k i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e n t u n d e rs u p e r c r i t i c a lca r b o nd i o x i d ej e t y u ew e i m i n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn ih o n g j i a n a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e n e r g ys i t u a t i o ni si n c r e a s i n g l yg e t t i n gs e r i o u s ，m a j o ro i lf i e l d si nc h i n ah a v e b e e ni nt l l e i rl a t ee x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tp e r i o d ，w h i c hr e s u l t si nt h ed i f f i c u l t yf o ro i l e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n ta n ds t r i n g e n tr e q u i r e m e n t so ne x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y , t h a ti st os a y , n o to n l yd o e st h er a t eo fp e n e t r a t i o nn e e dt ob ei m p r o v e d ，b u ta l s o t h er e s e r v o i rs h o u l db ep r o t e c t e de f f e c t i v e l y , a n dt h eo i lr e c o v e r ys h o u l db ee r d a a n c e d ， t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tf o ru 8t od e v e l o pan e we f f i c i e n tr o c kb r e a k i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，w i mt h er e s e a r c ho ns u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ef l u i dt e c h n o l o g y , t h e f e a s i b i l i t ys t u d yo f i t sa p p l i c a t i o ni nd r i l l i n gh a sb e e nc a r r i e do u t t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t i t se x c e l l e n tp r o p e r t i e sc a ns a t i s f yt h ed e m a n d so fn e wj e tr o c k - b r e a k i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y a n dc a l ls o l v em a n yp r o b l e m sf a c e dc u r r e n t l yi nd r i l l i n g , t h e r e f o r e , i ti ss i g n i f i c a n tt oc a r r y o u tf u r t h e rs t u d yo ns u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ef l u i dt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ee x p l o r a t i o n a n dd e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo fo i la n dg a sr e s o u r c e s f e a s i b i l i t ys t u d yo fs u p e r c r i t i c a lc a r b o n d i o x i d ef l u i dd r i l l i n gt e c h n o l o g yw a sc o n d u c t e do nc o m b i n i n gf e a t u r es t u d yo fs u p e r c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d ef l u i dt e c h n o l o g ya n di t sj e tr o c k - b r e a k i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g y t h er e s e a r c h s h o w st h a tu s i n gs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ea saj e to ff l u i dm e d i u mc a nc a u s ei m p r o v e m e n t o fp e n e t r a t er a t e ，a c h i e v e m e n to fu n d e r b a l a n c e dd r i l l i n ga n dr e s e r v o i rp r o t e c t i o n ， a n di ti s i m p o r t a n tt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fo i le x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d er o c k - b r e a k i n gw a sd e s i g n e d b a s e do nt h et h e o r ya n dk n o w l e d g eo fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ed r i l l i n g t h i ss y s t e mc a n m o d u l a t es u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e ta n ds i m u l a t et h ep r o c e s so f j e tr o c k - b r e a k i n ga tw e l l b o t t o ms oa st of a r t h e rs t u d ys u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e t t h i ss y s t e ma l s ot a k e so t h e r d r i l l i n ga p p l i c a t i o n so fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ei n t oa c c o u n t a tl a s t ，e x p l o r a t o r ys t u d yo f s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e tt e c h n o l o g yw a sc o n d u c t e do nb a s i so f t h es y s t e ma b o v e t h e r e s u l t ss h o wt h a tr o c k - b r e a k i n ge f f o r ti sb e t t e rt h a nt h a to fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e t ， a n dt h ee f f o r ti m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi n i t i a lp r e s s u r e ，i n i t i a lt e m p e r a t u r ea n dj e t v e l o c i t y t h es u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e tc a nb r e a ka r t i f i c i a lr o c k sa sw e l la sn a t u r a l r o c k s t i l i sp a p e rc o m b i n e ss u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e td r i l l i n ga n dc o m p l e t i o nt e c h n o l o g y c h a r a c t e r i s t i c sa n ds i m i l a r i t yt h e o r y , d e v e l o p e das u p e r e r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e tr o c k b r e a k i n gt e s td e v i c e ，a n dc a r r i e do n al o to ft e s t s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r ya n dm e t h o d s u s e di nt h i sp a p e ra r ef e a s i b l e ；1 1 1 ed e v e l o p m e n to ft e s td e v i c el a yaf o u n d a t i o nf o rt h e s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e tr o c kb r e a k i n gs t u d y , t h et e s tr e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r t f o rt h ed e v e l o p m e n to fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e tr o c kb r e a k i n gd r i l l i n gt o o l sa n di t s r e l a t e dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e ，j e t , e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t , r o c kb r e a k i n g , e x p e r i m e n t a ls t u d y ， 7 酚， 够j ， 、 一蠢 诎 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义l 1 1 1 保护油气层钻完井技术的研究现状1 。1 1 2 超临界二氧化碳技术的研究现状2 1 1 3 国内外超临界二氧化碳钻完井技术的研究现状4 1 2 论文的研究目标与研究内容7 1 2 1 研究目标7 1 2 2 研究内容7 1 2 3 研究方法7 第二章超临界二氧化碳射流破岩试验装置的方案设计9 2 1 超临界二氧化碳钻完井技术与现有油气层保护钻完井技术对比分析9 2 2 破岩试验装置相似性分析1o 2 2 1 相似理论及相似准数_ 1o 2 2 2 相似准数的选择1 4 2 3 破岩试验装置的方案设计17 2 3 1 试验装置的功能设计。1 7 2 3 2 试验装置的系统设计18 2 4 小结2 4 第三章超临界二氧化碳射流破岩试验装置的结构设计2 5 3 1 增压泵的选择2 5 3 2 循环系统管路、接头的设计与校核2 6 3 2 1 循环管路的设计与校核2 6 3 2 2 管路接头的设计与校核。2 9 3 3 加热器与冷却器的设计与校核3 1 3 3 1 加热器的设计与校核3 1 3 3 2 冷却器的设计与校核3 4 3 4 破岩主体装置的设计与校核3 6 3 4 1 破岩主体装置的功能设计。3 6 3 4 2 结构设计与强度校核。3 8 3 5 二氧化碳储罐的设计与校核4 1 3 5 1 二氧化碳储罐的功能设计4 1 3 5 2 结构设计与强度校核。4 2 3 6 固体分离器的设计与校核4 5 3 6 1 固体分离器的功能设计4 5 3 6 2 结构设计与强度校核4 5 3 7 水吸收器的设计与校核4 8 3 7 1 水吸收器的功能设计4 8 3 7 1 结构设计与强度校核4 8 3 8 数据采集系统的选择5 0 3 9 j 、结51 第四章超临界二氧化碳射流破岩的试验研究5 2 4 1 超临界二氧化碳射流破岩试验方法5 2 4 1 1 试验的前期准备一5 2 4 1 2 试验的基本流程5 3 4 2 超临界二氧化碳井筒流动试验研究5 4 4 2 1 喷嘴直径对超临界二氧化碳井筒流动特性影响规律的试验研究5 5 4 2 2 喷射距离对超临界二氧化碳井筒流动特性影响规律的试验研究5 6 4 2 3 入口压力对超临界二氧化碳井筒流动特性影响规律的试验研究5 8 4 3 超临界二氧化碳射流破岩试验研究5 9 4 3 1 喷嘴直径对超临界二氧化碳射流破岩影响规律的试验研究5 9 4 3 2 喷射距离对超临界二氧化碳射流破岩影响规律的试验研究6 0 4 3 3 井筒入口压力对超临界二氧化碳射流破岩影响规律的试验研究6 1 4 3 4 井筒入口温度对超临界二氧化碳射流破岩影响规律的试验研究6 2 4 3 5 岩石孔隙度对超临界二氧化碳射流破岩影响规律的试验研究6 3 4 3 6 岩石强度对超临界二氧化碳射流破岩影响规律的试验研究6 5 4 3 小结6 5 第五章结论6 7 参考文献：。：6 8 v 彳 v 9 秭 一 智 q l 1 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 0 致谢7 1 p 和 y ； v v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 目前，常规油气资源的勘探开发已逐渐进入后期，低压、低渗、低产能油气藏以及 稠油、致密气层、煤层甲烷等非常规油气资源的勘探开发逐渐提上日程。在开发这类油 气藏的过程中，经常遇到地质条件和地层物性较复杂的地层，在当前的国际能源形势下， 为了保证我国的能源安全，寻找新的钻探方法，发展新的钻探技术，切实有效提高油气 开发效率，就显得十分迫切。国内外专家学者研究发现，超临界二氧化碳流体既具有气 体的低粘度和易扩散性，也具有液体的高密度和溶解性好的特点，采用超临界二氧化碳 射流技术破岩钻井，进行非常规油气资源的勘探开发，有望实现在高效钻进的同时，有 效保护油气层，具有广阔的应用前景和开发价值【1 1 。 1 1 课题研究的背景及意义 在现有钻采技术中，保护油气层的钻完井技术是已被实践证明的，能有效提高非常 规油气藏最终采收率的技术手段，欠平衡钻井技术的广泛应用有力的证明了这一点。超 临界二氧化碳流体由于其自身具有的优异特性使它成为了一种极具应用潜力的保护油 气层钻完井流体介质，但是，现有研究大都停留在理论探索阶段，主要进行相关可行性 研究，基础试验研究极其不足，相关研究手段匮乏，试验设备更是少之又少，故研制超 临界二氧化碳射流破岩试验装置，进行超临界二氧化碳射流破岩试验研究，对保障国家 能源安全、实现油气高效开发具有重要意义。 1 1 1 保护油气层钻完井技术的研究现状 油气层保护的目的是为了保证油气井在各项工程技术措施实施过程中，储层内流体 的渗流阻力不会再增加，否则会影响新探区和新油气层的发现以及油气井的产量，从而 给油气资源的勘探和开发带来巨大的经济损失，因此，有效保护油气层是目前油气勘探 开发研究的重点。 在油气勘探开发过程中，油气层的保护主要包括两方面内容：第一，分析油气藏本 身的特性，如岩石的结构、矿物组成、胶结状况和粘土的成分等来确定是否存在一些潜 在的因素构成对油气层的伤害；第二，针对油气藏的特点，采取恰当的钻完井工艺技术 方法。当前，可以有效保护油气层的钻完井技术方法包括以下几方面： ( 1 ) 采取平衡压力钻开油气层。为了有效保护油气层，应采用平衡压力钻开油气 层，因为井底压差越小，钻井液进入油气层的强度就越低。 ( 2 ) 减小钻井液和完井液的滤失性。钻井液和完井液的滤液进入地层后，会使油 第一章绪论 气层中水的饱和度增加，油的相对渗透率降低。 ( 3 ) 清除钻井液和完井液中的无用固相颗粒。要除去固相颗粒如钻屑、多余的粘 土和处理剂的不溶部分等。 ( 4 ) 减少钻井液和完井液对油气层的浸泡时间。油气层损害的程度与钻井液、完 井液浸泡时间长短有关，随着浸泡时间的延长，滤液的侵入量及浸入油气层的深度增加。 通过上述分析可知，如能探索一种新型钻完井技术，将这几项可以有效保护油气层 的钻完井技术结合起来，对油气勘探开发具有十分重要的意义，为此国内外专家学者探 索了多种钻完井新技术，其中，超临界二氧化碳技术被认为是一项具有巨大开发潜力的 新型钻完井技术。 1 1 2 超临界二氧化碳技术的研究现状 超临界流体( s u p e r c r i d c a lf l u i d 简称s c f ) 是指流体温度和压力均处于临界点以上 的一种流体。超临界态流体的基本物理性质，包括密度、粘度以及扩散性等，均处于气 体与液体之间，具有气液的双重特性，因此有学者也将超临界流体称为介于气体、液体 这两种流体状态以外的第三流体【2 】。 表1 1 是气体、液体和超临界流体三种流体的一般物理性质比较，从该表可以直观 地看出：( 1 ) 超临界流体的密度与液体相近，比一般气体大2 个数量级；( 2 ) 超临界流 体的粘度比液体小1 个数量级，近似于常规气体，扩散系数比常规液体大2 个数量级， 因而有较好的流动、渗透和传递性能；( 3 ) 超临界流体的粘度小，密度大，从而表面张 力小，具有良好的传质性能。 t a b l e 表1 1气体、液体和超临界流体的物理性质比较 流体 密度| 噜n 1 - 3 粘度p a s扩散系数m 2 s 1 气体 11 0 。5 1 0 5 超临界流体 2 0 0 7 0 01 0 - 4 1 0 - 7 液体 1 0 0 01 0 - 35 1 0 1 0 f l u i d 图1 1 显示了多种物质的临界点【3 4 】，从图中可以看出，在这些物质中，二氧化碳的 临界点( 临界压力p c = 7 4 m p a ，临界温度t c = 3 1 1 ) 比较容易获得，且二氧化碳具有 无毒，不易燃、不易爆、来源广泛的优点，因此超临界二氧化碳( s u p e r c r i t i c a lc a r b o n d i o x i d e 简称s c c 0 2 ) 是一种既比较容易获得，又相对安全的超临界态流体。 2 哥 f 、 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 墨腰， 图1 1 多种物质临界点 f i g 1 - 1 c r i t i c a lp o i n to fm a n ys u b s t a n c e s 二氧化碳在常温常压下为气态，密度大约为空气的1 5 倍，一般工业用的二氧化碳 以液态存储于钢瓶中，可以通过改变压力和温度的方式将其改变为目的状态，其三相图 如下： 叠 多 、_ ， 爻 篆 图1 2二氧化碳相图 f i g 1 - 2 p h a s ed i a g r a m eo fc a r b o nd i o x i d e 由图1 2 中二氧化碳的相态曲线可以看出，二氧化碳的三相点为5 6 5 、0 5 m p a ， 临界点为3 1 1 、7 4 m p a ，非极端高压条件( 压力过高，二氧化碳越过融结线) 下，当 二氧化碳的压力超过其临界压力( p c = 7 4 m p a ) ，温度超过其临界温度( t o = 3 1 1 ) 时 即以超临界态存在嘲。 图1 3 描述了二氧化碳从单独的气相、液相到均质的超临界相的相态变化过程，在 3 第一章绪论 超临界条件下其密度接近于液体，扩散性和粘度接近于气体【6 】。 o o 越娣态 图l - 3超临界相的相态变化过程 f i g 1 - 3 p h a s ec h a n g ep r o c e s so fs u p e r c r i t i c a lp h a s e 已有研究成果表明，超临界二氧化碳流体可以很好地溶解分子量比较小的一般有机 化合物，若加入适当的表面活性剂后，能溶解许多工业材料，如聚合物、重油石蜡、油 脂、重金属盐等；若再加入极性提携剂，可提高对极性物质的溶解能力或形成化学缔合。 因此，如以超临界二氧化碳取代当前工业有机溶剂，将可以减少挥发性有机溶剂的排放， 具有广阔的应用前景【7 8 】。 目前，超临界流体技术主要应用于萃取、高分子化学、制备超细颗粒材料、仪器清 洗、化学分析、化学反应及环保等领域，随着对超临界二氧化碳各项物理性质研究的日 益深入，其上述的优异特性也引起了国内外油气勘探开发研究领域的日益关注，国内外 研究机构对超临界二氧化碳在油气资源钻完井过程中的应用进行了初步的探索性研究 【9 】， 0 1 1 3 国内外超临界二氧化碳钻完井技术的研究现状 油气资源勘探开发技术难度大，开发成本高，而将超临界二氧化碳用于油气资源的 勘探开发更是一项极具挑战性的工作，近年来国内外一些专家学者对其进行了一些探索 性研究工作，得到了一些有益的研究结论，证实了该技术现场应用的可行性。 路易斯安娜州立大学对使用超临界二氧化碳进行欠平衡钻井作业的可行性研究发 现：( 1 ) 井下条件有利于实现二氧化碳的超临界状态；( 2 ) 在欠平衡钻井中超临界二氧 化碳的应用效果比氮气好；( 3 ) 超临界二氧化碳的密度可达2 0 0 一8 0 0 k g m 3 ，接近于液 体的高密度既可为井下动力钻具提供足够的驱动力，也有利于射流破岩，提高机械钻速 【l l l 。 美国t e m p r e s s 技术公司提出了“超临界二氧化碳连续油管钻井专利( u s 6 3 4 7 6 7 5 ) ， 示意图如图1 _ 4 所示【1 2 】。 4 一 f 一 毒 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 匠 f i 凹飞黑詈= 掣1 j l l ，一、 井口f一】茜一 定i 号暑 x套管 0 、 、_ 一 谴斜署 钻头1厂 蝴 图1 - 4超临界二氧化碳钻井液工作示意图 f i g 1 - 4w o r k i n gd i a g r a mo fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ef l u i d t e m p r e s s 公司在2 0 0 0 年开展了室内试验研究，对坚硬的页岩进行了超临界二氧化 碳射流和水射流的破岩效果对比试验，结果如图1 5 所示。研究发现，超临界二氧化碳 射流比水射流的破岩深度深，破碎范围大，而且超临界二氧化碳射流破岩的门限压力较 低，相对于水射流，能获得更好的破岩钻井效果【”】。 1 9 3 m p a 常规水射流破岩9 0 m p a 超临界二氧化碳射流破岩 图1 - 5 射流破岩效果对比 f i g 1 - 5c o m p a r i s o no f j e tb r e a k i n ge f f e c t j j k o l l e 通过研究分析认为以超临界二氧化碳流体作为钻井液，会大大降低对储层 的伤害甚至对储层没有伤害，从而可以在完井后得到比使用常规欠平衡钻井更高的油气 采收率【1 4 1 。 我国的石油勘探开发研究机构也日益重视超临界二氧化碳在钻完井应用方面的研 究，并在超临界二氧化碳钻井液技术的研究上取得了一定进展。中国石油大学( 华东) 5 第一章绪论 邱正松和王在明等人利用模拟实验装置( 如图1 6 ) 研究了超临界二氧化碳钻井液的管 内流动特性，研究发现：( 1 ) 随着压力和温度的升高，钻杆内的二氧化碳流体相态转变 为超临界状态；( 2 ) 超临界二氧化碳有类似于气体的低粘度特性，易实现紊流，可强化 井底岩屑的净化；( 3 ) 在超临界二氧化碳沿环空上返的过程中，由于压力和温度逐渐降 低，超临界二氧化碳相态逐步向气态转变，这有利于维持较低的环空压力梯度以及较低 的井底压力，易于实现欠平衡钻井【1 5 】。 图1 _ 6超临界二氧化碳钻井液循环模拟装置 f 喀1 - 6s i m u l a t i o ne q u i p m e n to fs u p e r c r i f i c a lc a r b o nd i o x i d ed r i l l i n gf l u i dc i r c u l a t i o n 相关试验研究在证实超临界二氧化碳钻井液具有显著优势的同时，也发现了该技术 所存在的一些问题，主要有：( 1 ) 超临界二氧化碳溶解于水后会形成弱酸，会对金属钻 具造成腐蚀；( 2 ) 超临界二氧化碳的粘度较低，不利于岩屑的携带；( 3 ) 超临界二氧化 碳经过喷嘴和节流阀时会产生较大的温度降，形成局部热应力，不利于设备的稳定。 因此，若将超临界流体应用于现有钻完井技术，超临界流体的选择还必须满足以下 几个要求：( 1 ) 化学性质稳定，对装置没有太大的腐蚀性，一般情况下不与溶质进行化 学反应；( 2 ) 临界温度接近于室温或者接近于反应操作温度，不宜太低或太高，临界条 件比较容易达到；( 3 ) 操作温度要低于溶质的分解、变性温度；( 4 ) 临界压力要低，能 减少动力费用，使成本尽可能降低；( 5 ) 其本身要能够制得较高纯度产品；( 6 ) 来源充 分，价格便宜，容易买得到，易于回收；( 7 ) 对人体毒性小，残留物对环境的污染小。 国内外学者对超临界二氧化碳技术开展的一些针对性研究，认为超临界二氧化碳流 体可以满足钻完井技术的需要。首先，目前有关二氧化碳腐蚀钻具的问题已有较多研究， 成熟的材质和工艺正逐渐进入现场，该问题对超临界二氧化碳钻井技术的发展已不构成 严重阻碍：其次，有关提高空气和欠平衡钻井液携岩能力的研究已经比较成熟，增粘剂 和增稠剂的成功研发应用为提高超临界二氧化碳携带岩屑能力提供了参考；再次，航天 器、深海钻井等领域在处理巨大温差方面形成的技术，为解决超临界二氧化碳流体的温 6 订 f v 、r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 差问题提供了解决途径；最后，二氧化碳来源有基本保证，成本可接受，目前我国已发 现2 8 个二氧化碳气田，仅江苏黄桥二氧化碳气田可采储量达2 x 1 0 8 吨，而且，随着氢 能源的发展，将产生大量的二氧化碳副产品，超临界二氧化碳钻井液的开发将有利于二 氧化碳资源化利用【1 6 1 。 虽然国内外已有的研究证实了超临界二氧化碳射流破岩钻井的技术优势，但是，目 前关于超临界二氧化碳钻井技术的相关研究主要集中在其技术的可行性方面，而对超临 界二氧化碳射流破岩等基础理论的探索和研究还没有深入展开，超临界二氧化碳射流破 岩过程的内在机理尚未揭示，关键技术尚未取得突破，与投入现场应用还有一定距离。 因此，有必要研制超临界二氧化碳钻完井试验装置，开展超临界二氧化碳射流破岩试验 研究，探索超临界二氧化碳射流破岩理论及规律。 1 2 论文的研究目标与研究内容 1 2 1 研究目标 通过本论文研究，研制超临界二氧化碳射流破岩试验装置，进行超临界二氧化碳射 流井筒流动测试和破岩试验，探索超临界二氧化碳射流破岩规律，为超临界二氧化碳射 流破岩钻井工具的研制以及其相关工艺技术的开发提供理论支撑。 1 2 2 研究内容 本文主要就以下三个方面进行研究： ( 1 ) 优选模拟超临界二氧化碳破岩过程所适用于的相似准数 ( 2 ) 研制超临界二氧化碳射流破岩试验装置 ( 3 ) 通过超临界二氧化碳射流破岩试验验证破岩试验装置的功能 1 2 。3 研究方法 由于超临界二氧化碳射流破岩过程复杂，国内外目前尚未进行系统的超临界二氧化 碳射流破岩基础理论研究。 本论文采用理论分析与试验研究相结合，以试验研究为主的研究方法。理论分析主 要是分析超临界二氧化碳流体的特性，同时参考现有钻完井装置，完成超临界二氧化碳 射流破岩试验装置各部分的理论计算，建立破岩试验装置，并结合高压水射流破岩的基 本理论，分析超临界二氧化碳射流破岩效果的影响因素。 试验研究是在理论分析的基础上，开展超临界二氧化碳射流井筒流动测试和破岩试 验，并进行效果评价。通过理论分析与试验研究的有效结合，探索超临界二氧化碳射流 7 第一章绪论 破岩规律，为超临界二氧化碳射流破岩钻井工具的研制以及其相关工艺技术的开发提供 理论支撑。 8 谆 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章超临界二氧化碳射流破岩试验装置的方案设计 方案设计是试验装置设计的第一步，对开发一套新型试验设备具有重要的指导意 义，是关系到试验设备设计合理与否的关键。本文通过对比分析超临界二氧化碳射流破 岩技术与现有钻完井过程中的岩石破碎技术，采用相似性原理，对试验装置进行基本试 验功能和方案流程设计。 2 1 超临界二氧化碳钻完井技术与现有油气层保护钻完井技术对比分析 当前，钻完井过程中对油气层保护的要求越来越高，现有钻完井技术已经越来越受 到油气层保护要求的制约。只有对钻完井过程中对储层造成伤害的机理有充分的认知， 才能有效开发新型高效油气层保护钻完井技术。通过分析易知导致油气层损伤的原因， 主要有以下几个方面： ( 1 ) 钻井完井液体系与储层不配伍，从而导致了储层受到损伤。 ( 2 ) 钻井完井液侵入地层后导致了泥页岩的水化分散、吸水膨胀和岩石颗粒的运 移等。 ( 3 ) 钻井完井液中固相颗粒进入地层的空隙和裂缝，导致地层堵塞。 ( 4 ) 钻进速度慢，钻井周期长，钻井液对油气层的浸泡时间过长，从而损伤油气 目 ，石0 ( 5 ) 钻井完井液与地层压差大，进入产层的微粒和滤液多，从而对油气层造成极 大损伤。 ( 6 ) 循环时的剪切速率、起下钻引起的压力激动和钻具表面对井壁的刮削等对储 层构成的损伤。 总结上述导致油气层损伤的原因，可以归结为以下四个方面：( 1 ) 钻井液与地层流 体不配伍；( 2 ) 钻井液粘度过大；( 3 ) 钻井液密度过大；( 4 ) 钻进速度过低。 国内外研究表明，采用超临界二氧化碳作为循环介质进行钻进可以有效解决上述问 题，这是因为：( 1 ) 超临界二氧化碳与地层配伍性好，超临界二氧化碳流体可以溶解原 油中包含的重烃组分，使原油粘度降低，流动性增强，同时超临界二氧化碳流体可使储 层含有的粘土矿物脱水收缩，进而提高地层的渗透率；( 2 ) 超临界二氧化碳的粘度比常 规钻井液低，可有效减少循环时对井壁的剪切；( 3 ) 超临界二氧化碳的密度比常规钻井 液低，易于实现欠平衡钻进；( 4 ) 超临界二氧化碳射流破岩效率较水射流高，可以有效 提高钻井速度，减少钻井液浸泡时间。 第二章超临界二氧化碳射流破岩试验装置的方案设计 由上述分析可知，采用超临界二氧化碳流体作为钻完井流体可以在提高钻进速度的 同时有效解决油气层保护问题，具有较广泛的应用前景。但是上述分析都是基于超临界 二氧化碳流体的基本性质做的理论分析，缺乏相关试验结果的支撑，故亟需开展超临界 二氧化碳流体钻完井技术相关试验及理论研究。然而，目前国内外有关超临界二氧化碳 钻完井技术的研究大都停留在理论研究阶段，相关试验研究较少，相关研究设备也比较 匮乏，因此需要建立一套适用于研究超临界二氧化碳钻完井技术的试验装置，本文主要 针对超临界二氧化碳钻完井技术中的射流破岩技术进行了分析，设计了超临界二氧化碳 射流破岩试验装置。 2 2 破岩试验装置相似性分析 相似理论对于试验装置的研制具有重要的指导意义。本套试验装置的设计首先依据 相似理论，结合所模拟的超临界二氧化碳射流破岩过程及超临界二氧化碳流体井筒流动 过程，进行了相似性分析。 2 2 1 相似理论及相似准数 相似理论是研究自然现象中个性与共性、特殊与一般的关系，内部矛盾与外部条件 之间的关系的理论。在室内以结构模型进行的试验研究中，只有模型和原型保持相似， 才能由模型试验结果推算出原型结构的相应结果。如果原型( 以脚标，z 表示) 和模型( 以 脚标m 表示) 相对应的各点及在时间上对应的各瞬时的一切物理量成比例，则两个系统 相似。因此试验装置的设计必须依据相似理论，对原型进行模拟。 相似比也称比尺，是模型物理量同原型物理量之比。主要有几何相似比、应力、应 变、位移、弹性模量、泊松比、边界应力、体积力、材料密度、容重相似比等。在这些 相似比中，长度、时间、力( 静力学) 所对应的相似常数称为基本相似比。 长度所对应的相似比为： 磊= 等 式中：4 长度所对应的相似比，无因次量； 厶、乙原型长度与模型长度，m 。 时间所对应的相似比为： 4 2 等 式中：五时间所对应的相似比无因次量： 1 0 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 、 j 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 乙、0 原型时间与模型时间，s 。 力所对应的相似比为： 磊= 季 ( 2 - 3 ) 式中：磊力所对应的相似比，无因次量； 乙、乙原型力与模型力，n 。 研究超临界二氧化碳射流破岩过程，主要对超临界二氧化碳流体的流动及冲击问题 进行分析，故应主要保证动力相似。动力相似是指原型与模型中对应点处受力方向相同， 大小成比例。为研究动力相似，还要再引入两个相似比，密度相似比和速度相似比。 密度所对应的相似比为： 2 鲁( 2 - 4 ) 式中：以密度所对应的相似比，无因次量； 岛、成原型密度与模型密度，k g m 3 。 速度所对应的相似比为： 瓯= ( 2 - 5 ) 易 式中：屯速度所对应的相似比，无因次量； 、原型速度与模型速度，m s 。 速度相似比还可以进一步由时间和长度两个基本相似比表示： 以牛顿第二定律来表示动力，则动力所对应的相似比可以由下式表示： 磊2 每2 瓦t u n a i n2 爱等2 嘭4 2 瓯2 ( 2 - 7 ) f mm m a mp m q m 。￥。|， 式中：磊动力所对应的相似比，无因次量； e 、巴原型动力与模型动力，n ： 、原型质量与模型质量，k ； 、原型加速度与模型加速度，m s 2 ；