超临界CO2钻井技术的发展.doc

超临界CO2钻井技术的发展摘要：今后20年中国石油勘探开发发展趋势:四大发展趋势,低渗油气藏勘探开发,老油田提高采收率研究,天然气勘探开发,深海油气勘探开发.一 国内外研究现状国外：（1）J.J. Kolle，M. H. Marvin / Tempress Technologies Inc.1998年完成“Coiled Tubing Drilling Using Supercritical Carbon Dioxide”项目（美国能源部小型商业创新基金）；2000年完成了超临界CO2破岩室内实验；同年进行了超临界CO2喷射辅助钻井现场实验，成功对4400m井深枯竭油气藏进行侧钻，证明了超临界CO2作为欠平衡钻井的可行性；2002年申请美国专利“Coiled Tubing Drilling With Supercritical Carbon Dioxide”；（2）路易斯安那州立大学在以上研究的同时，对CO2气体在井筒中的PVT状态、井筒温度分布、井筒压耗计算、井筒循环模型等进行了研究。（3）世界第一口超临界CO2连续油管钻井2005年第一口超临界CO2连续油管钻井诞生于Mississippi的Darbun 油田；国内：（1）中国石油大学（华东）2006年我国第一台超临界CO2钻井液循环模拟实验装置研制成功，并进行了清岩携岩特性、超临界CO2物理化学特性、CO2水合物形成及溶解特性等一系列试验研究，取得了第一手宝贵资料。（2）中国石油大学（北京）对超临界CO2热物理性质、井筒压力分布、井筒温度分布、循环模型等进行了理论研究，并编制了相应的软件。二 超临界CO2流体的物理特性 CO2广泛存在于自然界中，俗称碳酸气，又名碳酸酐。在标准状况下，CO2是无色无臭，其水溶液略呈酸性的气体。不能燃烧，易被液化，在大气中含量为0.03%0.04%，但随工业化发展大气中的含量不断增高。CO2的三相点为-56.56、0.52MPa，临界点为31.1、7.38MPa，也就是CO2的温度和压力同时大于临界点温度和压力时达到超临界状态。 超临界流体既不同于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性质。密度接近于液体，溶剂化能力强，黏度接近于气体、扩散系数大于液体，具有良好的传热、传质性能。表面张力为零，它们可以进人到任何大于超临界流体分子的空间。在临界温度以下，气体不断压缩有液相出现。压缩超临界流体仅仅导致其密度的增加，不会形成液相。表1 超临界CO2物理特性表物理特性气体（常温常压）超临界流体液体（常温常压）（1）密度（g/cm3）0.00060.0020.20.90.61.6（2）黏度mPa.s10-20.030.10.23.0（3）扩散系数（cm2/s）10-110-410-5三、超临界CO2钻井优势 1 易于破碎坚硬及难钻岩层，可较大幅度提高钻井速度。水射流破岩：射流经过区域留下小的沟槽，轮廓较为清晰，岩石破碎体积较小。超临界CO2喷射破岩：射流经过区域留下大面积坑道，轮廓不明显，岩石破碎体积较大，从岩石断裂面看为大面积崩落。表2 两种破岩方式对比实验岩样流体类型门限压力 MPa花岗岩水75CO250比值：CO2/水67%曼柯斯页岩水124CO255比值：CO2/水44%利用水力辅助机械联合破岩方式对曼柯斯页岩进行实验 ，结果表明利用超临界CO2是用水的钻进速度的3.3倍。 2 在低渗及特低渗油气层开发中，可有效保护油气层。1）水基钻井液打开低渗透储层的危害 ：（1）固相颗粒进入储层堵塞孔隙吼道；（2）泥浆滤液侵入到油气层中，导致油气层中粘土膨胀，进一步堵塞地层孔隙吼道；（3）引发水锁效应 、岩石润湿性反转、原油乳化等。 2）超临界CO2流体打开低渗透储层的优势： （1）超临界CO2流体中不含固相颗粒，不会堵塞孔隙吼道；（2）超临界CO2流体不是液相、也不含液相，不会导致储层中粘土膨胀。从根本上避免了水锁效应 、岩石润湿性反转、原油乳化等危害的发生3）超临界CO2流体渗透到储层，能进一步增大储层孔隙度和渗透率，提高原油采收率。作用原理如下：（1）超临界CO2流体密度大，溶剂化能力强，能溶解近井地带的重油组分及其他有机物，减小近井地带油气流动阻力；（2）超临界CO2流体可以使致密的粘土沙层脱水，打开沙层孔道，降低井壁表皮系数；（3）CO2与原油混相后，不仅能萃取和汽化原油中轻质烃，而且还能形成CO2和轻质烃混合的油带，油带移动驱油可大幅提高原油采收率。3 可有效提高油气井单井产量和油田采收率 超临界CO2对储层无污染，而且容易钻水平井、多分支井以及各类复杂结构井，均可大幅提高油气单井产量。超临界CO2渗入到油层，能进一步提高原油采收率。四、超临界CO2钻井技术的发展 1、发展了欠平衡钻井技术 常规欠平衡钻井井下燃爆井壁稳定性钻具冷却井下动力1） CO2气体不能燃烧，也不能助燃，避免了井下燃爆问题的出现；2） 超临界CO2射流，产生焦耳-汤姆逊冷却效应，可大幅降低钻头以及钻具温度，扩大耐高温性能不强的金刚石类钻头等的应用范围，延长钻头、钻具使用寿命；3） CO2能抑制粘土膨胀，减少井壁坍塌问题的出现；4） 空气、氮气、天然气等密度较小不能为井下马达提供足够扭矩，泡沫能够通过降低气液比增大密度，却难以保证井筒的欠平衡状态。超临界CO2密度可调范围较大，保证为井下马达提供足够动力的同时还能保证井筒的欠平衡。 2 发展了连续油管侧钻及钻超短半径水平井技术。 常规连续油管侧钻及钻超短半径水平井技术存在的问题有：钻进速度慢、转向半径有限、所需水力能量大、推进力难加（高压软管）和方向难控制（高压软管）等。超临界CO2钻井可望解决这些问题： 1） 可提高钻速；2） 降低喷射压力，减小水力能量；3） 选用小尺寸连续油管，扩大转向半径选择范围；4） 刚性连续油管取代高压软管，解决推进力及方向控制问题。3 发展了连续油管钻超短半径辐射水平井技术。超临界CO2射流钻超短半径辐射水平井，由主井筒向四面八方钻辅助井眼形成的辐射井网作为排油通道把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，可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 。相关技术成熟后，将来一口井的径向井眼有可能超过100个；径向井眼直径也可增加，可能由目前的3-1/2”增加到68”；还可在径向井眼中再分枝钻进，将次级径向井眼连通起来，形成一个相互连通的地下生产网络。五 超临界CO2钻井技术的展望。 1 减少井下复杂问题的出现 超临界CO2破岩门限压力低，破岩速度快，能够解除泵压和钻压的束缚，使连续油管的优势得到最大程度的发挥。1）采用低注入压力小钻压钻井可以延长连续油管、钻头等井下工具的使用寿命，在高陡地层中能有效控制井斜，提高钻井速度，而且能有效降低工作人员的操作风险。2）减少了漏、喷、塌、卡等事故的发生。根据井底压力=流体静液柱压力+井口回压+循环压力降，由于CO2密度变化大易调节，可通过回压阀对井底压力进行快速调节。2 大大降低开发成本。 随着油气田开发的不断深入，在钻井成本、地质要求等多方面因素的综合作用下，井眼尺寸逐渐由常规井眼向小井眼、微小井眼方向发展，这也将是今后钻井发展的主要趋势之一。超临界CO2钻井促成并加速发展了这一趋势。井眼尺寸减小一倍，其破岩体积将减少6075%（只为原来的2540%），钻速将提高一倍；井眼尺寸减小，井壁将更加稳定，减少额外支出，降低钻井成本。六 结论 1 CO2是一种温室气体，在工业生产中大部分作为废气排放到大气中，污染了环境。CO2用于钻井、修井以及采油和驱油，将CO2注入油气藏中，实现永久