趣谈超临界二氧化碳钻完井技术

吐一口气，钻一口井

——浅谈超临界二氧化碳钻完井技术

前言：

近年来，全球气温持续上升，极端的气候变化给人类造成了许多深重灾难。经过科学家们长期研究，最终证明：人类活动产生的温室气体是造成一系列反常现象的幕后元凶！国际能源署（IEA）于2015年6月发布的报告称，2014年全球二氧化碳排放总量为322亿吨，与上年持平，尽管这是40年来首次出现未增长的现象，但减排形势依旧不容乐观。

随着全球经济的飞速发展和现阶段的科技水平，还不足以消除人类对煤炭、石油等化石燃料的高度依赖，未来的工业生产和人类生活所消耗的大量化石能源必将增加更多的二氧化碳排放量，由此产生的温室效应也必将进一步威胁地球环境。为此，世界各国政府和国际组织投入了大量的人力和资金开展二氧化碳减排的相关研究。其中，利用超临界二氧化碳开发油气藏的理论因其“变废为宝，一举多得”的强势卖点而备受关注。

：超临界二氧化碳到底是什么鬼？

中文名：超临界二氧化碳

英文名：SC-CO2 (Super-critical Carbon Dioxide)

籍贯：地球村

前世今生：

1869年，一个风雨交加的夜晚，爱尔兰物理化学家托马斯·安德鲁斯在一次测定碳酸性质的实验中偶然发现：在对碳酸不断加压并降温到一定数值时，液体和气体的分界线就变得越来越模糊，直到最后分界线彻底消失，空间完全被一种均匀的流体所占有，这一现象令托马斯觉得不可思议，接下来他又对氨、盐酸等流体做了同样的实验，并得到了类似的现象，在综合了大量的数据资料后，提出了超临界流体这一全新的概念。

二氧化碳相态图

1937年米歇尔·斯等人在托马斯研究的基础上，准确测量了二氧化碳的临界点，即当温度、压力分别处于31.1℃和7.4MPa以上时，二氧化碳将达到超临界状态。

个人品质：

处于超临界状态下的二氧化碳，兼具液体和气体的双重性能，其表面张力近于零，密度接近液体，但粘度却类似气体，扩散系数是液态时的数百倍，具有惊人的溶解能力，且性质稳定，无毒无害。

：它有哪些用途呢？元芳你怎么看？

那么问题来了，它究竟都干了些什么呢？

大家都知道，油气开采需要我们建立一个地面与地下之间连通的通道，为了实现这个目的，我们就必须要谈到钻井工程。（PS：这绝不是想当然的随便挖个坑就可以的！！！）

想象中的钻井现场是这样的……

又或者是这样的……

而现实中的我们通常都是这样的……

通俗地讲，钻井就是利用机械设备将地层钻出具有一定深度的圆柱形孔眼的工程。这里我们需要一个带有牙齿且可以旋转的钻头来破碎地层，并在钻头的上部不停地加接钻杆来加深井眼，不断地加…不断地加…直到油气所在的层位。

华丽丽的钻头

羞答答的钻杆

自上世纪初，旋转钻井方法问世以来，石油钻采工艺有了巨大的发展和完善。其中，尤以美国国家科学基金会牵头研究的高压水射流旋转钻井方法最为成功。实验表明：该方法的钻进速度比普通旋转钻井要快2~4倍]1[，直观的优势就是加快了钻进时间，缩短了工期，进而可以省很多的钱…然而二十一世纪兴起的超临界二氧化碳射流技术却对它发起了挑战！

由下表对比可知，超临界流体的密度与液体相近，而粘度和扩散系数却与气体类似。研究发现：在井下条件，它们的密度随温度的升高不会有明显的下降，从而可以为井下动力钻具提供充足且持久的驱动力，加快钻速，提升破岩效果。

气体、液体和超临界流体的物理性质比较表

流体相态密度kg/m3粘度Pa·s扩散系数m2/s

气体 1 10-510-5

超临界流体200~700 10-410-7

液体1000 10-35×10-10

反观其他流体，随温度升高，分子热运动就会加剧，密度随即出现明显下降，由此产生的动力不足是常见问题；此外，由于超临界流体相较于其他流体粘度更低，扩散系数更大，所以在对岩石表面造成破坏并形成微裂纹或微裂隙后，更容易进入裂缝造成进一步的扩展，极大的提升了破岩效率。

我们选择二氧化碳作为射流介质，主要是出于以下的考虑：首先，相对于其他流体（尤其是水），在井下的温度、压力条件下更容易达到超临界状态，且在该状态下，二氧化碳的密度最高可达到800kg/m3，依然能够保持高压钻进；其次，二氧化碳无毒无害，不会发生水射流所产生的粘土水化膨

胀现象（实际上，所有粘土遇水都会膨胀，只是因其组成矿物成分的差异，膨胀程度也会有所不同），从而降低储层伤害；最后，二氧化碳来源广泛，容易获得，同时也节省了水资源。

几种物质的临界条件对比图

那么，超临界二氧化碳和水射流在施工上有哪些不同呢？众所周知，常温常压下二氧化碳是气态，为了便于储存和运输，我们通过加压的方式将CO2转化为液态储存于钢瓶中。

储存液态二氧化碳的钢瓶

现场施工时，借助于地面的增压泵组将其泵入钻柱内，当二氧化碳在井筒内下行时，温度和压力会逐渐升高，当两者同时超过临界点时，二氧化碳就会从液态转变为超临界态，这时超临界二氧化碳到达井下喷射装置，就会产生射流，从而实现破岩。这里要注意的是，完成破岩任务后，CO2要返排回地面的过滤分离系统（固体分离器、气水分离器），最后回到储气罐以备循环使用，整个过程真的是既高效又环保，有木有？有木有！

为了更直观的显示超临界二氧化碳的优越性，特附实物图一张。

射流破岩效果图

上方为超临界二氧化碳射流，下方为水射流

施工人员打完一口井后，紧接着就要进行油气资源的开采了。通常只有小部分油气会乖乖的被我们开采出来，而绝大部分都藏在致密的岩石孔隙中，为了对付这些顽固分子，我们不得不采取一些行业内所述的油井增产措施，接下来要讲的压裂技术就是其中之一。

油田现场压裂施工

压裂，就是用压裂车把高压大排量且具有一定粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝后，再加入支撑剂充填进裂缝（防止裂缝重新闭合），提高油气层的渗透能力，从而获得更多的油气资源的措施。

国内常用的压裂方法是水力压裂，即向地层灌入大量掺有化学物质的水来破碎岩石形成裂缝。但经过大量现场实践证明，这种方法存在很多问题：

1.水资源分配不均

四川、贵州、新疆等地水资源匮乏，丘陵、山区等地形地貌因素限制了交通运输，导致现场无法开展大规模的压裂施工。

2.水污染

水力压裂携带的固相颗粒会污染地下水，危机人类健康，加重生态环境的破坏。