超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望

李根生，王海柱，沈忠厚，田守嶒，黄中伟，程宇雄

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望

李根生，王海柱，沈忠厚，田守嶒，黄中伟，程宇雄

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

阐述超临界CO2流体物理特性，分析超临界CO2射流在喷射钻井、喷射压裂、驱油提采、冲砂解堵和油套管除垢等作业中的原理和技术优势，探讨超临界CO2开发非常规油气藏的可行性，展望超临界CO2射流在石油工程中的应用前景。

超临界CO2;水射流;钻井;压裂;非常规油气;前景展望

高压水射流技术在油气钻井、压裂增产等技术方面发挥了重要作用，如高压喷射钻井，水射流冲砂洗井和水力喷射压裂等。近年来浅层和易采油气资源日益减少，油气开发向深层、深水以及非常规油气迈进，而这些油气藏，尤其是非常规油气，开发风险较大、成本较高。水射流技术已无法很好地满足这类油气藏的开发技术需求。超临界CO2流体具有高密度、低黏度和高扩散性等特性，超临界CO2射流相比于水射流，不仅破岩门限压力低，而且破岩速度快［1－2］。超临界CO2流体中不含液相（水），也不含固相（固体颗粒），利用它进行油气驱替时，不仅不会对储层造成污染和损害，相反还能进一步增大储层孔隙度和渗透率，增强原油的流动性，改善油、水流度比，增加储层能量，置换吸附在储层中的页岩气和煤层气（CO2与储层的吸附能力强于CH4），从而提高油气单井产量和采收率［3－4］。另外，还可以利用超临界CO2射流进行储层无水压裂改造，尤其适合黏土含量较高的页岩气藏压裂改造，能从根本上解决储层污染问题。在驱替和置换的同时，还能实现CO2的永久埋存［5］。笔者阐述超临界CO2流体的相态与热物理性质，分析超临界CO2射流在喷射钻井、喷射压裂、驱油提采、冲砂解堵和油套管除垢等作业中的原理和技术优势，探讨超临界CO2开发非常规油气藏的可行性，并展望超临界CO2射流在石油工程中的应用前景。

1 超临界CO2相态与热物理性质

CO2广泛存在于自然界中，是导致地球变暖的主要温室气体。CO2是无色无臭、无毒无害，其水溶液略呈酸性的气体。它不能燃烧，易被液化，也容易回收循环利用，在化工领域被称为环境友好型绿色溶剂，在大气中含量为0.03%～0.04%，但随着工业化发展，在大气中的含量不断增高［6］。

图1所示，CO2的三相点为－56.56℃、0.52 MPa，临界点为31.1℃、7.38 MPa，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［1］。

图1 CO2相态图（ChemicaLogic Corporation，1999）Fig.1 Phase diagram of carbon dioxide

超临界流体既不同于气体，也不同于液体，具有许多独特的物理化学性质。超临界流体的密度接近于液体，它与温度和压力呈非线性关系，随压力升高而增大，随温度升高而减小，同时其黏度与气体接近，扩散系数也比液体大，因此它的传热和传质能力较强［7］。表1［7］为超临界流体、气体及液体不同性质对比。

表1 超临界流体、气体及液体性质Table 1 Properties of supercritical fluid，gas and liquid

2 超临界CO2射流破岩钻井

超临界CO2钻井是利用超临界CO2流体作为钻井液的一种新型钻井方式，它利用高压泵将低温液态CO2泵送到钻杆中，液态CO2下行到一定深度后达到超临界态，利用超临界CO2射流辅助破岩达到快速钻井的目的［3］。超临界CO2钻井较常规钻井优势主要有两点:一是喷射破岩门限压力低，破岩速度快;二是对储层无污染。

超临界CO2射流能够破碎坚硬的页岩、大理岩以及花岗岩，其破岩门限压力比水射流要小得多。Kolle等［1］实验表明，在55～193 MPa的喷射压力下，岩样为坚硬的页岩和大理岩，超临界CO2射流破岩的门限压力在大理岩样中为水射流破岩门限压力的2/3，在页岩中为1/2或更小。此外，还在页岩中进行了小尺寸喷射钻井实验，利用带刮刀的微型钻头进行辅助破岩，结果表明，在曼柯斯页岩中利用超临界CO2的钻进速度是用水的3.3倍，破岩所需比能（比能为破岩所需水力、机械能量与破碎剥落的岩石体积比）仅为用水力钻井时的20%［8－9］。由中国石油大学研制了超临界CO2射流破岩实验系统（图2），得到超临界CO2射流在人造水泥岩心上破碎深度随喷距的变化曲线（图3）。可以看出，超临界CO2射流破岩存在最优破岩范围，当喷距在2～4倍喷嘴直径范围内时，破岩孔眼最深。

图2 超临界CO2射流破岩实验系统流程图Fig.2 Flow diagram of SC-CO2 jet b reaking rock experiment system

图3 喷射距离对超临界CO2射流破岩深度的影响Fig.3 Effect of jet distance on erosion depth of SC-CO2 jet

利用功率100 kW、直径50 mm的钻井设备进行喷射钻井，射流介质为水和超临界CO2，所钻岩石为曼柯斯页岩。在压力低于124 MPa的时候，水力射流不能破岩，而超临CO2喷射破岩的有效压力却低至55 MPa［1］。

在采用常规钻井液打开储层时，钻井液中的固相颗粒进入油气层会堵塞孔隙喉道，泥浆滤液也会侵入到油气层中，导致油气层中的黏土膨胀，进一步堵塞地层孔隙喉道。同时还会引发水锁效应，增加油气流动阻力。超临界CO2流体既无固相也无液相，在利用超临界CO2流体钻开油气储层时，从根本上避免了上述危害发生。此外，利用连续油管输送超临界CO2钻井是一种有前途的高效、低成本、无污染钻井方法，它可以实现带压起下作业，同时避免了接单根，能进一步提高钻井效率（图4）。

图4 连续油管输送超临界CO2钻井示意图Fig.4 Schematic draw ing of coiled tubing drilling with SC-CO2

3 超临界CO2喷射压裂增产

水力压裂技术为低渗特低渗油田、页岩气藏和煤层气藏等非常规油气藏增产的主要措施之一。对于非常规油气压裂改造，需要探索低水量、低成本、无污染、高效率的压裂方法。超临界CO2喷射压裂原理如图5所示。中国石油大学开展了超临界CO2射流压裂的机制和方法研究，图6表明，在3种喷嘴压降条件下，超临界CO2射流的孔内压力均比相同条件下水射流的高，说明利用超临界CO2进行喷射压裂具有比水射流更强的射流增压效果，有利于在较低的环空压力条件下压开地层。

图5 超临界CO2连续油管喷射压裂的原理示意图Fig.5 Schematic draw ing of SC-CO2 jet fracturing with coiled tubing

图6 水射流与超临界CO2射流的孔内增压效果对比Fig.6 Pressure comparison between water jet and SC-CO2 jet

超临界CO2喷射压裂方法具有独特的优势和广阔的发展前景。首先，超临界CO2喷射破岩效率高，破岩门限压力低，因此可以在超临界CO2流体中添加磨料，进行套管开窗喷射压裂，这样不仅降低了系统注入压力要求，而且提高了压裂施工的安全性;其次，超临界CO2流体黏度较低，在储层原有的微裂缝中，高黏压裂液无法进入，而超临界CO2流体却可以随意流动，有助于井筒中压力的传递，降低压裂系统压力，且能使储层产生多而复杂的微裂缝，在储层内形成裂缝网络，提高单井产量和采收率［10］。此外，超临界CO2对储层无污染，当它进入储层时，能够避免孔隙喉道堵塞、储层黏土膨胀、岩石润湿反转和水敏等危害的发生。同时，在其超强溶剂化能力作用下，能够溶解近井地带的重油组分和其他污染物，减小近井地带油气流动阻力。因此，超临界CO2喷射压裂完毕后，无需注入破胶剂也无需返排，可直接投产，不仅减少作业工序，降低成本，还可以防止裂缝中支撑剂回流井筒。如果储层中原油黏度较高，还可以选择闷井，使超临界CO2与原油充分作用，增加储层能量，降低原油黏度，增强其流动性，从而进一步提高原油采收率［11］。超临界CO2流体的表面张力为零，因此它能够进入到任何大于超临界CO2分子的空间。同时对于页岩层和煤层来说，CO2分子对其吸附能力远大于CH4分子，因此在进行页岩气藏和煤层气藏压裂时，超临界CO2进入储层还能置换吸附气含量高达85%的煤层气和页岩气，进一步提高气藏采收率和气井产量，最重要的是这类气藏渗透率极低，滤失性相对较小，更有利于裂缝的形成。因此超临界CO2非常适合于页岩气藏、煤层气藏和致密砂岩气藏的压裂改造［12］。

4 超临界CO2驱替提高采收率

超临界CO2流体在油气驱采时能够取得较好的效果。CO2溶于原油后能够降低原油黏度，改善油、水流度比，同时超临界CO2流体在油气藏中容易流动扩散，能够扩大油藏波及面积。CO2溶于原油后能够使原油体积膨胀，增加原油流动能量，大幅降低油水界面张力，减小残余油饱和度，从而提高原油采收率。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。大量的CO2溶于原油中具有溶解气驱的作用，随着压力下降，CO2从液体中逸出，液体内产生气体驱动力，提高了驱油效果。图7为超临界CO2高效驱替油气示意图。CO2与页岩和煤岩的吸附强度远大于CH4与页岩和煤岩的吸附强度［13］，图8为超临界CO2驱替置换原理示意图。当利用超临界CO2进行页岩气或煤层气强化驱采时，CO2能够置换吸附在岩石上的CH4，同时将游离的CH4驱入井筒，从而在提高单井产量和采收率的同时，实现CO2永久埋存。

图7 超临界CO 2驱替示意图Fig.7 Schematic drawing of SC-CO2 displacement in reservoirs

图8 超临界CO 2驱替置换原理图Fig.8 Schematic drawing of SC-CO2 displacement and rep lacement

5 超临界CO2射流冲砂洗井和油套管除垢

5.1 超临界CO2射流冲砂洗井

油气井出砂、压裂砂残留、井壁污染堵塞等一直倍受关注。目前一般采用水（必要时加入一些添加剂）进行洗井作业，在遇到压力衰竭储层时，常采用氮气泡沫、二氧化碳泡沫或者空气泡沫进行欠平衡洗井，在一定程度上缓解了因井筒堵塞造成的产量递减问题。然而这类洗井方式并没有从根本上解决井筒堵塞问题，例如，水进入储层后，对水敏性油气藏会造成较大伤害，尽管采用泡沫洗井能够降低井底压力，但泡沫质量难以控制，很容易造成井底压力波动伤害储层;此外，沥青等高分子有机物夹杂砂粒、黏土等的堵塞物具有很强的黏弹性，水射流很难破碎这类物质，也很难将这类物质彻底清除。

超临界CO2射流洗井原理示意图如图9所示。

图9 超临界CO2射流洗井原理示意图Fig.9 Schematic draw ing of SC-CO2 jet sand plug removing

超临界CO2射流破岩门限压力较低，同时它又具有较强的溶剂化能力，能以较低的喷射压力破碎并溶解这些高分子有机物，并轻易地携带出井筒。

超临界CO2流体黏度低、表面张力接近于零、扩散系数大，这些特点使得它在洗井过程中很容易进入到微小孔隙及裂缝中，溶解高分子有机物及其他杂质，清洗更彻底。

超临界CO2流体密度可调范围较宽，在井筒温度和压力条件下，调节井口回压便可控制井底压力，实现欠平衡、平衡或者过平衡洗井作业。

5.2 超临界CO2射流油套管除垢

在油气井长时间生产过程中，由于地层水矿化度较高，很容易在油套管上结垢，结垢厚度过大将导致无法正常生产。传统除垢有机械、化学药剂、水射流等方式。机械除垢很容易对油套管造成损伤;化学药剂除垢也会对油套管造成腐蚀;水射流除垢虽然对油套管损伤小，但是遇到坚硬水垢却无法彻底清除，同时它要求的泵压也较高，若采用磨料射流除垢，压力控制不好会射穿油套管。

由于超临界CO2射流破岩门限压力低，破岩速度快，因此它不仅降低了除垢所需泵压，而且除垢速度快、效率高，对油套管本身却不会造成任何伤害。因此用超临界CO2射流进行油套管除垢会取得满意的效果［14］。图10为超临界CO2油套管除垢示意图。

图10 超临界CO2油套管除垢示意图Fig.10 Schematic draw ing of SC-CO 2 jet scale removing

6 超临界CO2开发非常规油气藏可行性

非常规油气藏包括页岩气、煤层气、致密砂岩气以及天然气水合物等，其中天然气水合物尚未进入商业化开发。对于页岩气、煤层气和致密砂岩气来说，具有“三低”特征，即低压、低孔、低渗，这导致其自然产量极低，因此要严格控制钻采成本，才具有经济开采价值。为了降低钻井成本，页岩气井和煤层气井大多采用水基钻井液，大大增加了井壁垮塌的风险。压裂增产时大部分采用滑溜水加砂作业，无法避免压裂液对储层的污染。此外，页岩气和煤层气的吸附气含量较高，开采周期长，且采收率低。

超临界CO2流体不含液态水，钻井过程中不会使井壁岩层水化膨胀引发垮塌，相反CO2溶解于水形成碳酸后，还可有效抑制黏土的膨胀，避免井壁垮塌［15］。利用超临界CO2流体进行储层压裂改造时，不会对储层造成水锁、岩石润湿反转和黏土膨胀等伤害，从根本上避免了储层伤害。因此超临界CO2射流可望成为非常规油气开发的有力技术［16］。

7 前景与展望

随着工业技术的快速发展，超临界CO2流体的控制技术将更加成熟，超临界CO2钻井、喷射压裂、冲砂解堵和油套管除垢等技术将得到广泛应用。此外，超临界CO2射流还能用于处理含油岩屑以及钻井液等废弃物，将废弃物中的油污等有机物萃取出来，减小环境污染，因此超临界CO2射流也能在石油工程的环保方面发挥重要作用。

超临界CO2流体将作为钻井液、压裂液和洗井液等在石油工程中发挥重要作用，从而在钻井、压裂和洗井等方面派生出多项新技术，如超临界CO2钻超短半径水平井、超临界CO2辅助连续油管钻井、超临界CO2钻辐射水平井、超临界CO2喷射分段压裂、超临界CO2欠平衡洗井技术等，这些技术的出现将从根本上改变现有水射流技术由于其自身特性造成的缺陷，进一步提高工作效率，降低油气钻井及开发成本。

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App lication investigations and prospects of supercritical carbon dioxide jet in petroleum engineering

LIGen－sheng，WANG Hai－zhu，SHEN Zhong－hou，TIAN Shou－ceng，HUANG Zhong－wei，CHENG Yu－xiong

（State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The physical properties of supercritical CO2fluid was explained firstly.Then the principle and predominance of supercritical CO2jet application to jet drilling，jet fracturing，oil displacement and enhanced recovery，sand plug removing，aswell as scale removing in drill pipe and casing operationswere analyzed.The feasibility of supercritical CO2fluid in developing unconventional oil and gas reservoirwas also discussed and the outlook of supercritical CO2jet app lication to petroleum engineering was viewed.

supercritical CO2;water jet;drilling;hydraulic fracturing;unconventional oil and gas;application prospect

TQ 028

A

1673－5005（2013）05－0076－05

10.3969/j.issn.1673－5005.2013.05.011

2013－07－03

国家自然科学基金重大国际（地区）合作项目（51210006）;国家重点基础研究发展计划项目（2010CB226700）

李根生（1961－），男，教授，博士生导师，研究方向为石油工程和高压水射流。E－mail:ligs@cup.edu.cn。

（编辑 刘为清）