超临界二氧化碳钻井井壁岩石特性研究*

孟照峰

(中石化中原石油工程有限公司)

0 引 言

在钻井过程中，当出现液柱压力和钻井液压力低于地层坍塌压力等情况时，井壁容易出现失稳坍塌事故[1-3]。井壁稳定性在钻井过程中一直是备受关注的重要问题，仍存在很多未能攻克的技术难点。在现场施工时，井壁失稳严重影响正常钻进速度，需要技术人员重新处理修复，这会造成巨大的经济损失。

专家学者对井壁稳定性进行了多方面研究[4-8]，由钻井液、岩石特性等单因素作用影响机理扩展到多因素共同作用影响机理的深层次研究，建立了各种不同的钻井井壁岩石力学模型[9-12]。超临界二氧化碳密度高、流动性强、表面张力较小，可形成高压力、高强度的射流冲击力，有利于高效破岩钻进，在页岩储层开发等领域具有良好的应用前景[13-15]。但超临界二氧化碳在钻井领域仍处于不成熟阶段，作用机理未形成完善的理论体系，对井壁稳定性的影响没有确实的研究结论[16-21]。因此，研究超临界二氧化碳对钻井井壁岩石特性的影响有利于保障井壁稳定和钻井安全运行。

1 试验装置

试验选用的页岩来源于塔里木油田塔中地区，将页岩研磨制成粉末状颗粒，利用X射线衍射仪对页岩的成分进行组分分析，石英质量分数为43.2%，方解石质量分数为25.1%，白云石质量分数为7.9%，长石质量分数为2.3%，黄铁矿质量分数为1.8%，黏土矿物质量分数为19.7%。

试验装置主要由超临界二氧化碳制备单元、加载控制单元、数据采集单元和回收单元构成，如图1所示。

图1 超临界二氧化碳浸泡页岩力学特性测试装置Fig.1 Test device for mechanical properties of supercritical carbon dioxide immersed shale

超临界二氧化碳制备单元主要由二氧化碳气瓶、制冷器和高压柱塞泵组成。高压柱塞泵最高可提供80 MPa压力。加载控制单元主要由加载浸泡控温装置和温度控制器组成。加载浸泡控温装置主要由液压泵、千斤顶和岩心夹持器组成，最大加载压力达到250 MPa，最高加载温度达到300 ℃，岩心最大直径50 mm。数据采集单元由温度传感器、压力传感器、载荷传感器和计算机组成。回收单元由集液桶组成。

试验采用制冷器对二氧化碳气体进行液化，高压柱塞泵对其加压后泵送至加载浸泡控温装置内。加载浸泡控温装置控制试验温度，对岩心进行加载测试，载荷传感器、温度传感器及压力传感器采集相应的试验数据。

2 试验结果分析

2.1 岩心浸泡应变特性

控制试验温度为40 ℃，压力为15 MPa，将岩心放置于加载浸泡控温装置内浸泡150 min，得到其应变变化曲线，如图2所示。

由图2可知：在浸泡15 min内，岩心的横向、纵向应变均急剧上升；随着时间的延长，横向、纵向应变缓慢下降；当浸泡时间到达70 min后，横向、纵向应变趋于平稳，因此后续试验浸泡时间设定为70 min。超临界二氧化碳的黏度低，流动性能较强，可进入页岩内的微小孔隙并积蓄一定的能量，导致页岩体积变大，即应变增加。同时，超临界二氧化碳超强的穿透力、相态变化时发生体积增大均会导致页岩膨胀。页岩在纵向不同位置分布着纹理层，在浸泡过程中超临界二氧化碳对页岩内胶状物具有溶蚀作用，使原有的纹理层和微裂缝扩展变大并形成新的裂缝和孔隙，因此，纵向应变程度要略高于横向应变。页岩内黏土组分含量较高，黏土与超临界二氧化碳接触吸附后会发生收缩反应，促使横向、纵向应变缓慢下降。当黏土的收缩反应和超临界二氧化碳的膨胀作用相平衡时，横向、纵向应变趋于平稳。

图2 应变随浸泡时间的变化曲线Fig.2 Variation of strains with immersion time

2.2 浸泡压力对岩心力学特性的影响规律

2.2.1 浸泡压力对岩心应变的影响

控制试验温度为40 ℃，压力由0升高至40 MPa，在超临界二氧化碳浸泡下，消除粘结剂对试验结果的影响，得到超临界二氧化碳浸泡压力对页岩岩心应变的影响曲线，如图3所示。

图3 岩心应变受超临界二氧化碳浸泡压力的影响曲线Fig.3 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on core strains

由图3可知，随着浸泡压力的增大，岩心纵向、横向应变先增大后略有下降。在临界压力附近，岩心应变增大幅度较大，这是由于二氧化碳由气态转变为超临界状态，穿透力显著增强，超临界二氧化碳扩散至量级更小的孔隙内，页岩体积膨胀，纵向、横向应变增大。纵向应变增大幅度大于横向应变增大幅度，这是由于岩心横向存在原有的纹理层，超临界二氧化碳在微裂缝内积蓄一定能量，导致岩心的微裂缝扩展变大，纵向应变显著增大。当浸泡压力继续升高时，横向、纵向应变均略有减小，这是由于超临界二氧化碳在岩心内趋于饱和，而黏土成分在超临界二氧化碳的作用下收缩，此时，膨胀作用不再是主要影响因素，黏土收缩导致横向、纵向应变减小。

2.2.2 浸泡压力对岩心单轴抗压强度的影响

控制试验温度为50 ℃，压力由0升至40 MPa，得到岩心单轴抗压强度曲线，如图4所示。

图4 单轴抗压强度受超临界二氧化碳浸泡压力的影响曲线Fig.4 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on uniaxial compressive strength

由图4可知：当浸泡压力由5 MPa上升至10 MPa时，单轴抗压强度急剧减小，这是由于二氧化碳气体转变为超临界态，超临界二氧化碳高扩散能力促使其迅速进入岩心微孔隙内，膨胀作用和溶蚀作用导致岩心内部结构发生变化，单轴抗压强度减小较快；当浸泡压力由10 MPa上升至25 MPa时，单轴抗压强度缓慢减小，这是由于超临界二氧化碳进一步穿透至更深层孔隙内，膨胀作用和溶蚀作用进一步加强；当浸泡压力高于25 MPa时，超临界二氧化碳趋近饱和状态，抗压强度趋于稳定。

2.2.3 浸泡压力对岩心弹性模量的影响

控制试验温度为50 ℃，压力由0升高至40 MPa，得到岩心弹性模量曲线，如图5所示。

由图5可知，在临界压力附近，弹性模量随浸泡压力的升高而急剧升高。这主要是由于黏土组分吸附超临界二氧化碳后发生收缩反应，收缩后的黏土粘结性更强，颗粒之间相互联结，增强了岩心的弹性，即弹性模量升高。当浸泡压力继续升高时，超临界二氧化碳与黏土的接触面积增大，黏土收缩反应增强，弹性模量略微升高，当黏土收缩反应达到极限时，不再受超临界二氧化碳的影响，弹性模量趋于稳定。

图5 弹性模量受超临界二氧化碳浸泡压力的影响曲线Fig.5 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on elastic modulus

2.2.4 浸泡压力对岩心泊松比的影响

控制试验温度为50 ℃，压力由0升高至40 MPa，得到岩心泊松比曲线，如图6所示。

图6 泊松比受超临界二氧化碳浸泡压力的影响曲线Fig.6 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on Poisson’s ratio

由图6可知，当浸泡压力升高时，二氧化碳由气态转变为超临界态，泊松比显著升高。这是由于岩心在横向上存在纹理层和微裂缝，超临界二氧化碳与纵向黏土组分的接触更加充分，黏土纵向收缩反应更加强烈，弹性更高，变形量会相对较小，同样，横向弹性稍弱，变形量相对较大，即泊松比升高。当压力继续增大时，超临界二氧化碳趋于饱和，泊松比趋于稳定。

2.3 浸泡温度对岩心力学特性的影响规律

2.3.1 浸泡温度对岩心应变的影响

控制试验压力为15 MPa，温度由25 ℃升高至70 ℃，在超临界二氧化碳浸泡下，得到页岩岩心应变随温度的变化曲线；消除粘结剂对试验结果的影响，得到超临界二氧化碳浸泡温度对页岩岩心应变的影响曲线，如图7所示。

由图7可知，当浸泡温度由25 ℃升高至35 ℃时，横向、纵向应变均升高，主要原因是二氧化碳转变为超临界状态，超临界二氧化碳的膨胀作用、溶蚀作用和扩展作用导致孔隙能量增加，岩心膨胀，微裂缝扩展变大。当浸泡温度继续上升时，横向、纵向应变降低，岩心由膨胀状态转变为收缩状态，主要原因是超临界二氧化碳的萃取作用导致黏土失水收缩，同时超临界二氧化碳吸附在岩心黏土上也会促使其收缩，此时，膨胀作用不再是岩心宏观表现的主导因素。当浸泡温度进一步上升时，横向、纵向应变再次升高，岩心由收缩状态转变为膨胀状态。这是由于高温下超临界二氧化碳分子变得更加活跃，吸附作用和萃取作用受到抑制，穿透力增强，活跃的小分子更易进入孔隙内，膨胀作用和扩展作用增强，促使岩心微裂缝增大，体积膨胀。

图7 岩心应变受超临界二氧化碳浸泡温度的影响曲线Fig.7 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on core strains

2.3.2 浸泡温度对岩心单轴抗压强度的影响

控制试验压力为15 MPa，温度由25 ℃升至70 ℃，得到岩心单轴抗压强度变化曲线，如图8所示。

图8 单轴抗压强度受超临界二氧化碳浸泡温度的影响曲线Fig.8 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on uniaxial compressive strength

由图8可知，在临界温度附近，随着浸泡温度的升高，岩心单轴抗压强度快速下降，主要原因是二氧化碳转变为超临界态，膨胀作用、溶蚀作用和扩展作用破坏了岩心原有结构。当浸泡温度继续升高时，单轴抗压强度随之下降，虽然温度升高会抑制溶蚀作用、萃取作用和收缩作用，但是运动更加强烈的超临界二氧化碳分子会增强膨胀作用和扩展作用，在多种作用的累积效果下，单轴抗压强度继续下降。

2.3.3 浸泡温度对岩心弹性模量的影响

控制试验压力为15 MPa，温度由25 ℃升高至70 ℃，得到岩心弹性模量变化曲线，如图9所示。

图9 弹性模量受超临界二氧化碳浸泡温度的影响曲线Fig.9 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on elastic modulus

由图9可知，在临界温度附近，弹性模量显著升高。这是由于超临界二氧化碳萃取作用促使岩心黏土组分失水而收缩，同时，超临界二氧化碳也会直接导致黏土收缩，黏土收缩后粘结性增加，弹性增强，即岩心弹性模量增大。当浸泡温度继续升高时，弹性模量随之增加后趋于平缓，主要原因是温度升高促进了黏土的进一步收缩，但是在高温条件下，超临界二氧化碳分子过度活跃，无法稳定地吸附在黏土周围，黏土的收缩作用也相应受到抑制，弹性模量趋于稳定。

2.3.4 浸泡温度对岩心泊松比的影响

控制试验压力为15 MPa，温度由25 ℃升高至70 ℃，得到岩心泊松比变化曲线，如图10所示。

图10 泊松比受超临界二氧化碳浸泡温度的影响曲线Fig.10 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on Poisson’s ratio

由图10可知，在临界温度附近，随着浸泡温度的升高，岩心泊松比急剧增大。当温度继续升高时，泊松比先升高后趋于平缓。这是由于岩心在横向上存在纹理层和微裂缝，温度升高，超临界二氧化碳分子更加活跃，与纵向黏土组分的接触更加充分，黏土纵向收缩作用更加强烈，弹性更强，形变量会相对较小，即泊松比升高。当温度继续升高时，超临界二氧化碳的吸附作用和黏土的收缩作用受到抑制，泊松比趋于稳定。

3 结 论

(1)超临界二氧化碳浸泡时间延长，岩心横向、纵向应变先急剧上升后缓慢下降，到达70 min后趋于平稳。这是由于超临界二氧化碳的黏度低，可进入微小孔隙，膨胀作用和溶蚀作用导致应变增加。黏土的收缩作用促使横向、纵向应变缓慢下降。当收缩作用和膨胀作用相平衡时，横向、纵向应变趋于平稳。

(2)当浸泡压力升高时，受膨胀作用和收缩作用的影响，岩心纵向、横向应变先增大后略有下降，单轴抗压强度先急剧下降，再缓慢下降后趋于平稳，弹性模量和泊松比先急剧升高，再缓慢升高后趋于平稳。

(3)当浸泡温度升高时，在收缩作用、膨胀作用和溶蚀作用共同影响下，岩心由膨胀转变为收缩后再次膨胀，岩心单轴抗压强度下降，弹性模量和泊松比先急剧升高，再缓慢升高后趋于平缓。