应用超临界CO2进行气体循环钻井的技术构想

朱忠喜 康博微 帅建军

（1.中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室防漏堵漏技术研究室，湖北 武汉 430100；2.中国海油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450；3.油气藏地质开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500；4.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051）

应用超临界CO2进行气体循环钻井的技术构想

朱忠喜1康博微2帅建军3，4

（1.中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室防漏堵漏技术研究室，湖北 武汉 430100；2.中国海油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450；3.油气藏地质开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500；4.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051）

超临界CO2流体既有液体的高密度又有气体的低黏度和高扩散系数等特点，采用超临界CO2作为钻井液相对普通钻井液具有很大的优势。采用超临界CO2作为钻井液能够有效提高射流破岩效率，提高钻速，并且能够有效保护油气藏，减少井下事故。气体循环利用钻井技术是利用地面气体回收处理设备将从井口中返出的携岩气体进行分离和精细过滤，然后经过压缩增压循环注入井下，大大降低了钻井成本。介绍了超临界CO2的性质以及超临界CO2在钻井过程中的优势，气体循环利用钻井工艺系统的原理及流程，提出了将超临界CO2钻井与循环钻井技术相联合的技术构想。

超临界CO2 气体循环钻井 气体钻井

0 引言

目前，超临界CO2钻井室内试验和相关的理论研究是钻井技术人员和科技工作者研究的一个热点，同时闭环式气体循环钻井工艺已在室内和现场进行了大量的实验和理论研究。前种技术主要是利用超临界CO2的类流体携岩和不伤害储层的优良特性，后种工艺主要是从降低气体循环成本，减少大气污染等优点进行设计。笔者从充分发挥二者的优势进行钻井的角度，将二者结合起来进行探讨。

1 超临界CO2 流体特性

在标准状况下，CO2为无色无味的气体，水溶液呈弱酸性，CO2气体不能燃烧，但却易于液化。超临界CO2（简称SC--CO2）是指处于临界温度和临界压力之上的CO2流体。CO2的临界温度和临界压力很低，临界温度为31.04℃，临界压力为7.38MPa［1］，（图1）。其气液界面张力接近于零，扩散系数、黏度接近于气体，其密度与液体接近，流动行为和气体相似，并且具有很强的溶解能力［2］，其相态示意图如图2所示。

图2 CO2相态分布图

超临界CO2既不同于气体，也不同于液体，而是具有很多独特的物理性质。超临界CO2的表面张力为

零，因此它可以进入任何大于超临界CO2分子的空间。由于其黏度较低，在井筒中很容易达到紊流状态，有助于携岩。

2 超临界CO2钻井的优势

2.1 超临界CO2射流破岩技术

多年来的常规喷射钻井实践表明，射流不但有清洗井底的作用，而且还有直接或辅助破碎岩石的作用。由于超临界CO2的低黏度、易扩散等特性，其破碎岩石过程中“水楔”作用尤为明显，如图3所示。由于受到机械破岩作用，岩石会形成微裂纹和微裂缝，当这些微裂纹、微裂缝受到超临界CO2冲击时，它可以迅速进入裂隙深部，使裂隙深部流体与高压射流流体连通为统一的压力体，形成应力集中区，降低破岩门限压力，提高破岩效率。

图3 水射流与超临界CO2破碎页岩对比图

当试验条件为10～50MPa，温度为70℃，喷嘴直径为2.3mm，喷距为4.6mm，相比于水射流，超临界CO2射流具有明显优势，在30MPa下，超临界CO2提高射流破岩能力幅度较大，相当于水射流破岩能力的3倍（图4），大大降低了破岩门限压力［3］。

2.2 有效保护油气层

超临界CO2钻井液既不含有固相（固体颗粒）又不含有液体（水），从而在根本上解决了常规钻井液钻进工程中遇到的孔喉阻塞、黏土膨胀等问题，避免了水锁、岩石润湿性反转的发生［4］。与此同时，超临界CO2表面张力为零，它可以进入微小孔隙和微小裂缝中，从而更好地驱替油气，而且由于超临界CO2的高密度性，它可以溶解近井地带的重油组分，降低油气运移阻力，提高原油采收率。超临界CO2能使储层中的黏土脱水收缩，从而增大储层孔隙度。CO2溶解于原油之中，还能够降低原油的黏度，增大原油体积，使原油易于流动，从而提高采收率。

图4 超临界CO2射流与水射流破岩效率对比图

2.3 利用超临界CO2进行气体钻井

采用CO2进行气体钻井时，将CO2通过连续油管高压注入，注入压力达到7.4MPa，CO2进入连续管后压力、温度继续升高，从而达到超临界状态。由于超临界CO2的密度接近于液体，它的高密度能够很好地为井下钻具提供合适的扭矩。当超临界CO2钻井液经过钻头喷嘴喷出后，其温度压力迅速下降，超临界CO2的相态逐步向气相转化，最终在环空中以气体上返，在井底形成欠平衡状态，从而提高了钻井速度。同时，由于超临界CO2的密度对温度变化很敏感，所以可以通过调节井口压力来达到控制井底压力的目的。

2.4 防止井下着火

空气钻井作业时，若地层水进入井眼，使钻屑形成泥环，井内流体受阻，井下压力迅速上升，泥环以下的气体温度升高，引起井下着火。常常会熔化掉着火点附近的钻具，造成井眼报废，给钻井带来巨大损失。由于超临界CO2既不是可燃物又不是助燃剂，而且可以作为灭火剂，所以应用超临界CO2钻井从根本上避免了井下着火这一问题。

3 气体循环钻井技术

目前气体钻井均采用出井气体直接排放的方式。如果能将气体回收，像普通钻井液一样循环使用，就可以大大减少能源消耗，降低钻井成本。中国石油大学的柳贡慧教授在国内外率先提出了利用氮气循环钻井的工艺设想［5］，在四川大邑101井进行了开环现场试验，为该技术的进一步完善和推广奠定了基础。

气体循环是对循环出井的气、液、固混合物进

行有效分离，将液体和岩屑排放掉，而分离、过滤、净化后的气体再次进入压缩机、增压机进行循环利用。整体工艺方案［6］如图5所示。

图5 气体循环钻井整体工艺方案设计示意图

气体回收工艺流程：井筒中出来的携岩气体首先进入到一级分离器和二级分离器进行离心分离，除去大颗粒的钻屑（包括液滴），分离后的气体进入到缓冲罐中，缓冲后续系统的压力；缓冲罐中的气体再进到过滤器中进行精细过滤，过滤后的气体经过压缩机增压后再利用。地层出气会造成分离系统压力陡增，为了保护设备安全，在缓冲罐顶部设计安装了安全阀，当分离系统的压力超过安全阀设定压力时，安全阀开启，将系统中的气体通过放空管线排到放喷池中放燃。

由于气体钻井具有及时发现和保护储层、大幅度提高机械钻速等巨大优势，我国在今后的钻井作业中也必将会更多地采用该项技术。目前很多油田单位都在积极进行气体钻井设备的购置与配套工作，而高成本成为制约气体钻井推广的瓶颈。因此气体循环利用钻井新技术的发展前景非常广阔。

4 超临界CO2 循环钻井的技术构想

超临界CO2钻井具有诸多优势，利用超临界CO2钻井可以降低破岩门限压力，有效提高钻速，保护油气层等，但是CO2气源成本高，且直接排放到空气中会造成空气污染产生温室效应，若能够解决CO2的分离和循环利用问题，则CO2就可以像普通钻井液一样循环使用，这可以降低成本，提高效率，大大提高气体钻井安全，改善环境。气体循环利用钻井技术的出现解决了这一问题，气体循环钻井与常规气体钻井相比，前期设备投入可缩减至20%［7］。气体循环分离装置可以将从井口返出携岩CO2进行回收，经过两级分离，精细过滤，然后经过压缩机和增压机的处理再次注入井下。超临界CO2钻井与气体循环钻井技术的结合对进一步降低气体钻井成本，提高国内钻井技术水平具有重要而深远的意义。

5 结论

1）超临界CO2流体既不是气体也不是液体，而是具有气体的低黏度、高扩散系数，又兼有液体高密度特点的流体，其临界温度和临界压力在井筒中也比较易于达到。

2）超临界CO2流体相对于常规钻井液，在破岩和保护储层方面具有相当大的优势，超临界CO2流体钻进过程中降低了破岩门限压力，提高了喷射破岩效率，利用超临界CO2钻井使井下实现欠平衡状态，提高了钻速，还可避免地层污染，保护油气层。

3）气体循环钻井技术能够对从井口返至地面的携岩气体进行回收，经过两级分离、精细过滤，然后压缩、增压再次入井，达到循环利用的目的，大大降低了常规气体钻井的成本。

4）将超临界CO2钻井与气体循环利用钻井技术相结合，既可以体现出超临界CO2作为钻井液的优势，又可以对CO2进行回收，循环利用。二者相结合的技术优势和经济优势显著，预计对未来钻井技术的发展将产生深远而重大的影响。

［1］王海柱，沈忠厚，李根生.地层水侵入对超临界CO2钻井井筒温度压力的影响［J］.石油勘探与开发，2011，38（3）：362-368.

［2］王海柱，沈忠厚，李根生.超临界CO2开发页岩气技术［J］.石油钻探技术，2011，39（3）：31-35.

［3］杜玉昆，王瑞和，倪红坚，等.超临界CO2射流破岩试验［J］.中国石油大学学报，2012，36（4）：94-96.

［4］贾江鸿，程远方，赵修太，等.纯梁油田低渗透油藏伤害机理及解堵技术［J］.石油勘探与开发，2008，35（3）：330-334.

［5］柳贡慧，李军，孙国刚，等.气体循环利用钻井新思路［J］.石油与装备，2011（1）：65-66.

［6］李军，柳贡慧，王锡洲.氮气循环钻井开环现场试验［J］.石油钻采工艺，2010，32（3）：9-11.

（编辑：李臻）

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2095-1132（2014）05-0034-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.010

修订回稿日期：2014－09－05

国家自然科学基金项目（51202024）和中国石油科技创新基金项目（2013D-5006-0307）资助。

朱忠喜（1978－），副教授，从事油气井压力控制和井漏检测方面的研究及教学工作。E-mail：zhuzhongxi@126.com。