鉆井技術與裝備 超臨界CO2徑向水平井鉆井技術應用前景分析*畢 剛 李根生 沈忠厚 黃中偉 竇亮彬中國石油大學 北京 油氣資源與探測國家重點實驗室摘要 超臨界 CO2鉆井技術具有破巖門限壓力低和破巖速度快等特點 ， 并能有效控制井底壓力 、保護儲層 、提高滲透率 ， 進而提高采收率 。通過對微小井眼徑向水平井鉆井系統特點的分析 ，結合超臨界 CO2能夠降低管內摩阻 、可以注入壓力以及在井底超臨界 CO2狀態摩阻下易于在地層內前行等特點 ， 分析了超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井技術的可行性 、技術優勢及應用前景 。分析結果表明 ， 微小井眼徑向水平井鉆井技術可使死井復活 ， 能擴大泄油面積 ， 提高單井油氣產量 ， 降低鉆井成本 ; 超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井技術不僅可以提高鉆井速度 ， 而且能夠降低破巖所需的噴射壓力 ， 是未來鉆井技術重要的發展方向 。關鍵詞 微小井眼 ; 徑向水平井 ; 超臨界 CO2; 鉆井 ; 水力破巖 ; CO2射流破巖中圖分類號 TE243 文獻標識碼 A doi 10. 3969/j. issn. 1001 －4578. 2013. 06. 004Analysis of the Application Prospect of SupercriticalCO2Radial Horizontal Drilling TechnologyBi Gang Li Gensheng Shen Zhonghou Huang Zhongwei Dou Liangbin State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，BeijingAbstract Supercritical CO2drilling technology is characterized by low rock-breaking threshold pressure and fastrock-breaking speed. It can effectively control the bottomhole pressure，protect the reservoir and increase the perme-ability so as to improve the recovery rate. The paper analyzes the feature of the radial horizontal drilling system inmicro holes，referring to the characteristics of supercritical CO2，such as reduction of internal pipe friction，pres-sure injection and smooth movement in the ation It analyzes the feasibility，technological advantage and appli-cation prospect of supercritical CO2micro hole radial horizontal drilling technology. The analysis shows that the tech-nology can make dead wells come back to life，increase oil drainage area，increase single-well oil-gas productionand reduce the drilling cost. The technology cannot only improve the drilling speed，but also reduce the jetting pres-sure needed by rock-breaking. It is an important development orientation for future drilling technology.Key words micro hole; radial horizontal well; supercritical CO2; drilling; hydraulic rock-breaking; CO2jet rock-breaking0 引 言徑向水平井是指曲率半徑遠比常規鉆井曲率半徑小的一種水平井 ， 傳統的徑向水平井轉向半徑為300 mm， 新型徑向水平井轉向半徑僅為 100 mm 左右 。徑向水平井鉆井技術始于 20 世紀 80 年代 ， 最初需要鍛銑套管和井下擴孔 ， 然后轉向鉆成徑向水平孔眼［ 1 －4］， 近年來發展成套管內轉向的新型徑向水平井技術［ 5 －9］。該技術可以提高單井油氣產量 ，降低鉆井成本 ， 特別適用于枯竭油藏 、小型油藏 、邊際油藏 、斷塊油藏 、稠油油藏和煤層氣藏等 ， 是41石 油 機 械CHINA PETROLEUM MACHINERY 2013 年 第41 卷 第6 期* 基金項目 國家 973 項目 “深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究 ” 2010CB226700 ; 國家科技重大專項 “復雜結構井鉆井配套技術 ” 2011ZX05022 －002 。鉆井行業發展的一個新方向 。目前 ， 微小徑向水平井眼還處于試驗階段 ， 國內的試驗水平段伸長最長為 19. 55 m［ 10］， 總體效果并不理想 。射流鉆頭的破巖效率及水平段伸長困難已成為影響徑向水平井鉆井技術發展的瓶頸 。超臨界 CO2鉆井技術出現于20 世紀末 ， 該技術具有破巖門限壓力低和破巖速度快的特點 ， 并能有效控制井底壓力 、保護儲層 、提高滲透率 ， 進而提高采收率［ 11 －12］。筆者通過對微小井眼徑向水平井鉆井系統特點的分析 ， 結合超臨界 CO2能夠降低管內摩阻 、可以注入壓力 、破巖門限壓力低以及在井底超臨界 CO2狀態摩阻下易于在地層內前行等特點 ， 分析了超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井技術的可行性 、技術優勢及應用前景 。1 新型微小井眼徑向水平井鉆井系統新型微小井眼徑向水平井鉆井系統組成如圖 1所示 ， 其地面設備包括水罐車 、連續管設備 、高壓泵組 、自動送鉆控制系統和數據采集系統 。井下系統主要由轉向裝置 、套管開孔裝置和水力噴射裝置等組成 。1 個徑向孔的作業過程大致可分為 3 步 ①把轉向裝置連接在油管底部下入施工層位 ; ②用連續管連接套管開孔裝置進行套管開孔 ; ③用連續管連接水力噴射裝置對地層進行鉆孔 。圖1 新型微小井眼徑向水平井鉆井系統簡圖Fig. 1 Diagram of neotype micro hole radialhorizontal drilling system1套管 ; 2普通油管 ; 3連續管 ; 4油管錨 ; 5螺桿馬達 ; 6反扭接頭 ; 7轉向器 ; 8柔性軸 ; 9磨銑鉆頭 。其中 ， 水力噴射系統是新型微小井眼徑向水平井鉆井技術的關鍵 。它既要利用有限的鉆井液排量來實現高效破巖的目的 ， 又要為高壓軟管提供一定的牽引力來收到連續鉆進的效果 。1. 1 水力噴射系統水力噴射系統主要由射流鉆頭和高壓軟管等組成 。微小井眼徑向水平井使用的射流鉆頭多為多孔射流鉆頭 。中國石油大學 北京 高壓水射流實驗室研制了破巖效率高 、牽引自進能力強的多孔射流鉆頭 ， 如圖 2 所示 。多孔射流鉆頭上有正向噴嘴和反向噴嘴 ， 正向噴嘴用于破巖 ， 反向噴嘴用于為射流鉆頭和高壓軟管提供牽引力 ， 并有擴孔和清巖的作用 。多孔噴嘴的設計充分利用單股射流能量作用比較集中 ， 有利于形成較大沖擊深度的優點 ， 射流鉆頭本體前端開多個噴嘴 ， 可以產生多個單股射流 。單股射流可在井底較小的面積內產生較大的沖擊力 ， 具有較好的破巖效果 。多股射流以較大的面積內噴向井底 ， 在井底產生 1 個不連續的圓環形高沖擊區域 ， 增大了破巖面積 。各個射流共同作用可以產生較好的擴孔效果 ， 其中破巖以中心噴嘴為主 ， 其余噴嘴輔助破巖擴孔 ， 在保證破巖深度的同時盡可能地擴大井眼直徑 。圖2 多孔射流鉆頭Fig. 2 Multiple-hole jet bit1. 2 新型微小井眼徑向水平井鉆井特點微小井眼徑向水平井技術被認為是開發小型油藏 、邊際油藏 、斷塊油藏和薄油藏等的有效方法 ，該技術主要有以下優勢 1 可使死井復活 ， 能增大泄油面積 ， 大幅度提高油井產量和原油采收率 ; 2 可以控制射孔方向 ; 3 單口井中可完成多個水平井段 ， 可在某一層位或不同層位沿徑向鉆出 1 個或多個水平分支井眼 ; 4 高壓徑向射流能夠減少地層污染和力學破壞 ; 5 現有井使用微小井眼超短半徑徑向水平井技術成本低 ; 6 設備操作簡單 。512013 年 第41 卷 第6 期 畢 剛等 超臨界CO2徑向水平井鉆井技術應用前景分析新型微小井眼徑向水平井鉆井經過近幾年的發展取得了一定成果 ， 然而由于技術的復雜性 ， 目前仍面臨諸多問題 。新型微小井眼徑向水平井鉆井技術采用復合材料高壓軟管作為鉆管 ， 韌性較大 ， 軸向力 即鉆壓 傳遞能力弱 ， 使得井下工具串送進困難 。同時 ， 高壓軟管因韌性大無法提供常規機械破巖鉆頭需要的反扭矩 ， 一般采用完全依靠水力能量破巖的射流鉆頭與高壓軟管配合在地層中鉆進 。高壓軟管尺寸有限 ， 其通過的鉆井液流量也有限 ， 鉆井液壓力經連續管及高壓軟管的沿程損失后 ， 真正分配到射流鉆頭上的能量極其有限 ， 而且由于井底圍壓的存在 ， 使得鉆井速度慢 。上述原因造成微小井眼徑向水平井鉆井技術鉆速慢 、推進力難加 、自進能力弱 、所需水力能量較大以及破巖效率低等問題［ 13 －14］， 亟需新的高效破巖工具或破巖方法來解決這些問題 。2 超臨界 CO2物理特性及鉆井優勢超臨界 CO2鉆井技術是利用超臨界 CO2作為鉆井流體的一種新型鉆井方法 。它利用高壓泵將低溫液態 CO2泵送到鉆桿中 ， 液態 CO2下行到一定井深后達到超臨界狀態 ， 利用高壓超臨界 CO2射流輔助破巖來達到快速鉆進的目的 。由于超臨界CO2具有不同于常規液體和氣體的密度 、黏度 、擴散性等獨特物理特性 ， 所以超臨界 CO2鉆井具有降低管內摩阻 、可以注入壓力 、破巖門限壓力低以及在井底超臨界 CO2狀態摩阻下易于在地層內前行等特點 ， 能夠解決微小井眼徑向水平井鉆井破巖效率低和延伸能力不足的問題 。2. 1 超臨界 CO2流體的物理特性CO2為無色無臭氣體 ， 廣泛存在于自然界中 ，俗稱碳酸氣 ， 又名碳酸酐 ， 是一種不易燃燒 、易回收 、易液化 、水溶液呈略酸性的氣體［ 15］。CO2的相態變化如圖 3 所示 。從圖可知 CO2三相點及臨界點的溫度和壓力 ， 并且可知 CO2超臨界狀態的實現受控于臨界壓力和臨界溫度 ， 超出臨界值 CO2即達到超臨界狀態［ 16］。超臨界狀態下的CO2密度接近于液體 ， 黏度接近于氣體 ， 擴散系數大于液體 ， 表面張力接近于 0。這些性質滿足馬達鉆進作業的動力需求以及良好的流動性能和傳熱 、傳質性能 ， 并能保證進入到任何大于超臨界流體分子的空間 。表 1 為超臨界流體與常溫常壓氣體和液體性質的比較 。圖3 CO2相態變化圖Fig. 3 Diagram of CO2phase state variation表 1 超臨界流體與常溫常壓氣體和液體性質比較Table 1 Comparison of the property of supercriticalfluid and NPT gas and liquid物理特性 常溫常壓氣體 超臨界流體 常溫常壓液體密度 / gcm－30. 000 6 ～0. 002 0 0. 2 ～0. 9 0. 6 ～1. 6黏度 / mPas10－20. 03 ～0. 10 0. 20 ～3. 00擴散系數 / cm2s－110－110－410－52. 2 超臨界 CO2鉆井技術優勢分析超臨界 CO2流體具有獨特的物理性質 ， 應用在鉆井領域具有諸多技術優勢 ， 表現在以下方面 。2. 2. 1 降低管內摩阻，提高注入壓力超臨界 CO2密度較大 ， 黏度較小 ， 能夠降低地層摩阻 ， 提高鉆井過程中的水平延伸能力［ 17］。由于能夠注入壓力 ， 故可延長高壓軟管的使用壽命 ， 克服設備和井下工具限制 ， 降低噴射壓力 。超臨界CO2能夠降低管內和地面摩阻 ， 使鉆井過程中的阻力減小 ， 特別是在微小井眼徑向水平井鉆進過程中 ，地面設備及摩阻對微小水平井眼的延伸有著至關重要的作用 。因此 ， 將超臨界 CO2應用到微小井眼徑向水平井中 ， 能使兩者的優勢得到充分發揮 。2. 2. 2 破巖速度快，門限壓力低超臨界 CO2破巖作用與高壓水射流作用類似 ，具有空化侵蝕 、射流沖擊破壞 、射流壓力 、脈沖疲勞破壞以及水楔等作用 。其具有低黏 、易擴散等特性決定了水楔作用是其破巖機理的主導 ， 其他作用可能同時亦或其中 1 ～2 項共同作用來破巖［ 18］。超臨界 CO2擴散性大 ， 黏度接近氣體 ， 表面張力為 0， 不存在毛管作用 ， 所以在破巖過程中能實現水力能量無法達到的深部裂隙傳遞 ， 進入到任何大于其分子的空間 ， 高效傳遞射流能量 ， 降低破巖門限壓力 ， 提高破巖速度 。Koll 和 Marvin 的研究表明 ， 超臨界 CO2射流61 石 油 機 械 2013 年 第41 卷 第6 期破巖門限壓力較低 ， 在噴射大理石巖樣試驗中其破巖門限壓力是水射流破巖門限壓力的 ， 在頁巖中減為 或更多 ， 如圖 4 所示 。此外 ， 小尺寸噴射鉆井在頁巖中的試驗結果表明 ， 以超臨界 CO2作為噴射介質比常規鉆井液鉆進時速度提高了 3. 3 倍 ，而且需要的比能僅為水的 20［ 19］。圖4 頁巖與大理石破碎門限壓力估算圖Fig. 4 Diagram of shale and marble breakingthreshold pressure estimation分別用清水和超臨界 CO2流體對花崗巖和曼柯斯頁巖進行射流破巖試驗 圖 5 ， 可得超臨界CO2射流較水射流破巖體積大 ， 在射流區域有大片坑道 ， 巖石大面積崩落 ， 破巖充分 。圖5 不同巖石水射流和超臨界CO2射流破巖效果對比Fig. 5 Comparison of rock-breaking effect ofwater jet and supercritical CO2jet2. 2. 3 有效保護油氣層，提高原油采收率超臨界 CO2流體沒有固相 ， 也不含液相 ， 與常規水基鉆井液相比具有保護儲層 、改變儲層孔隙度 、提高地層滲透率 、降低流動阻力以及提高最終采收率的優點 。超臨界 CO2流體提高采收率的機理為 ①溶解近井地帶的重油組分和其他有機物 ， 減小油氣流動阻力 ; ②使含黏土砂層脫水 ， 降低井壁表皮系數 ， 疏通流動通道 ; ③改善油 、水流度比 ，擴大油藏波及面積 ; ④減小油水界面張力 ， 降低殘余油飽和度 ; ⑤提高原油流動指數和驅油效率 。3 超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井技術分析3. 1 鉆井流程超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井系統組成如圖 6 所示 ， 其地面設備包括 CO2儲罐 、制冷機 、高壓泵組 、連續管設備 、除砂器 、回壓閥及氣體凈化器等 。井下工具包括轉向系統 、套管開孔系統及噴射系統等 。其中 ， CO2存儲在高壓儲罐中 ，要求高壓儲罐內溫度控制在 －15 ～10 ℃， 這是為了使進入高壓泵中的 CO2為液態 ?？刂茐毫υ?4 ～8 MPa， 進而使在保證壓力的同時實現低溫條件下的安全作業 。通過制冷設備和在儲罐外壁加保溫層來保持管內溫度 。液態 CO2以高壓泵為動力 ， 以油管設備及高壓軟管為通道輸送到地層中 ， 當深度到達 750 m 后 ， 液態 CO2達到超臨界狀態 。超臨界 CO2流體密度大 ， 滿足井下動力鉆具的要求 ，鉆井中憑借特制的水射流鉆頭進行水力鉆進 。由于溫度和壓力的微小改變都能引起超臨界 CO2密度的劇烈變化 ， 所以要對井底壓力進行控制 ， 一般通過井口回壓閥來調控 。圖6 超臨界CO2微小井眼徑向水平井鉆井系統Fig. 6 Diagram of supercritical CO2micro holeradial horizontal drilling system超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井工藝為 1 起出原井管柱 ， 打撈井內防砂管柱 、沖砂 、洗井 ， 通井刮管至人工井底 ; 2 連接 CO2罐車 、制冷裝備 、高壓泵組和連續管等設備 ， 并進行相關設備的檢查 ; 3 自下而上依次連接轉向器 、自配油管短節 、定向接頭 、油管錨 、油管和油管柱 ， 確定轉向器的位置 ; 4 校深 ， 油管錨坐封錨定 ， 陀螺儀測方位 ; 5 連接套管開孔工具串 射流鉆頭 高壓軟管 射流鉆頭 和連續管 ， 從油管中下入到轉向器位置 ; 6 開 泵 ， 排 量 60 L/min 左 右 ， 泵 壓 30712013 年 第41 卷 第6 期 畢 剛等 超臨界CO2徑向水平井鉆井技術應用前景分析MPa， 將液態 CO2與射流用的磨料相互混合得到混合流體 ， 通過高壓軟管將混合流體輸送到油井中 ，并通過射流鉆頭直接射穿套管 ; 7 起出連續管及套管開孔工具串 ， 更換為純凈的液態 CO2再下入井下 ， 到達一定深度后液態 CO2變為超臨界 CO2流體 ， 通過射流鉆頭噴射進入地層 ， 產生水平微小井眼 ; 8 巖屑和超臨界 CO2上返回來后 ， 首先進入固體分離裝置 ， 然后進入氣液分離裝置 ， 最后將氣體凈化 、提純再次送到 CO2儲罐中循環利用 ; 9 控制連續管送進速度為 1 m/min， 每送進1 m 上提連續管 0. 5 ～0. 7 m， 反復劃眼 ， 確保巖屑清洗出孔眼 ; 10 1 個孔眼完成后 ， 起出帶有高壓軟管的連續管 ， 更換噴嘴 ; 11 油管錨解封 ， 轉動管柱 ， 改變轉向器方位 90， 重復上述過程 。3. 2 優勢及前景分析3. 2. 1 優勢通過對微小井眼徑向水平井鉆井系統的分析以及結合超臨界 CO2高效鉆井的性能可知 ， 超臨界CO2微小井眼徑向水平井鉆井可大幅提高鉆井速度 ， 縮短鉆井周期 。超臨界 CO2流體噴射破巖門限壓力較水射流破巖低 ， 降低了鉆井設備的高承壓要求 ， 減少了水力能量消耗 ， 降低了作業成本 。利用小尺寸連續管使轉向半徑的范圍擴大 ， 滿足了鉆井過程中的需求 。將導向鉆井引入其中 ， 解決了推進力及方向控制問題 。超臨界 CO2密度較大 ， 黏度小 ， 能夠降低地層摩阻 ， 提高微小井眼徑向水平鉆進過程中的水平延伸能力 。超臨界 CO2密度可調節能力強 ， 通過對井底壓力的控制 ， 可實現欠平衡鉆井作業 ， 達到降低井底圍壓 、提高破巖效率的目的 ， 而且可以保護儲層 ， 實現微小井眼徑向水平井安全快速鉆進 。超臨界 CO2微小井眼超短半徑輻射水平井 圖 7 以主井筒為中心 ， 向四面以密集形式形成網絡連接通道 ， 分支井眼將主井眼周圍的大片油層連通起來 ， 擴大了泄油面積 ， 改善了氣體流動方向 ， 從而達到提高氣藏動用程度和采收率的目的 。該技術在新井和老井中都可以應用 ， 并且非常適合開發低滲油藏 、邊際油藏和薄油藏等 。3. 2. 2 前景分析目前 ， 隨著我國勘探開發領域的不斷擴大 ， 低滲透油藏 、非常規油藏及海洋油藏的開采逐漸成為重點領域 。應用水平井技術和多分支井技術可以高效開發上述油藏 。但是對于薄油層和邊際油藏 ， 應用常規水平井技術開采難度較大 。微小井眼徑向水平井能夠有效開發上述油藏 ， 但其在應用水射流破巖時 ， 面臨著破巖效率低 、自進能力弱等問題 。而超臨界 CO2鉆井以其獨到的鉆井優勢 ， 配合微小井眼徑向水平井技術開發各類特殊油藏 ， 能夠取得較為理想的效果 ， 必將推動連續管 、微小井眼徑向水平井以及輻射水平井鉆井技術的快速發展 ， 成為未來鉆井技術的重要發展方向 。圖7 超臨界CO2超短半徑輻射水平井Fig. 7 Supercritical CO2ultra-short radiusradiation horizontal well4 結 論 1 微小井眼徑向水平井鉆井系統主要由轉向裝置 、套管開孔裝置和水力噴射裝置等組成 ， 該技術可使死井復活 ， 能夠擴大泄油面積 ， 提高單井油氣產量 ， 降低鉆井成本 ， 是目前鉆井行業發展的一個新方向 。 2 超臨界 CO2流體的物理化學性質不同于常規的液體和氣體 ， 其密度接近于液體 ， 黏度接近于氣體 ， 擴散系數大于液體 ， 表面張力接近于 0，這些性質滿足馬達鉆進作業的動力需求 ; 超臨界CO2流體良好的流動性能和傳熱 、傳質性能可保證其進入到任何大于超臨界流體分子的空間 。 3 超臨界 CO2流體獨特的性質使得超臨界CO2噴射破巖效率較水射流破巖高 ， 可大幅提高鉆井速度 ， 且其噴射破巖門限壓力較水射流破巖低 ，既可以避免儲層損害 ， 又可提高儲層滲透率和油氣采收率 。 4 超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井技術不僅可提高鉆井速度 ， 同時能降低破巖所需的噴射壓力 ， 減少水力能量 ， 解決推進力及方向控制問題 ， 能夠實現欠平衡鉆井 ， 降低井底圍壓 ， 提高破81 石 油 機 械 2013 年 第41 卷 第6 期巖效率 ， 實現微小井眼徑向水平井安全快速鉆進 。 5 超臨界 CO2能使微小井眼徑向水平井技術在邊際油藏 、稠油油藏和薄油藏等油藏開采方面發揮更大優勢 ， 可增強微小井眼徑向水平井鉆井的適應性 。不容置疑 ， 超臨界 CO2微小井眼徑向水平井鉆井技術是未來鉆井技術重要的發展方向 。參 考 文 獻［ 1］ Dickinson W， Dickinson R W. 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