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。

3.诱发微地震美国科罗拉多州、德克萨斯州、俄克拉何马州进行的页岩油气钻探多次证明注入高压液体与轻微地震存在正相关性。

4.储层伤害粘土矿物遇水发生水化膨胀及颗粒运移等储层伤害现象，并可能堵塞孔隙通道，影响压裂效果。

针对水力压裂存在的种种弊端，相关专家和学者们相继开展了无水压裂的研究，其中，中国工程院院士、中国石油大学教授沈忠厚提出了用超临界二氧化碳代替水做压裂液，或许能为大家开辟一条新的思路：一方面，超临界二氧化碳不含液相也不含固相颗粒，不会造成粘土水化膨胀及颗粒运移等储层伤害，而且其表面张力几乎为零，容易进入任何大于其分子尺寸的空间，具有极强的渗透能力。

另一方面，实验研究表明：超临界二氧化碳具有比水更低的起裂压力，在相同的温度、压力条件下，SC-CO2压裂液能保持更高的速度并延伸更长的距离（如下图所示），更容易形成多分支的缝网结构增大油气的渗流面积，而水基压裂液的动能则有明显的衰减。

超临界二氧化碳压裂与水力压裂速度场对比图最后，二氧化碳来源广泛且价格相对低廉，目前市场上二氧化碳价格在200到500元每吨（纯度99.9%以上），而用于水力压裂的压裂液每方要在700到1000元左右，可见其经济效益也十分可观。

下面便详细的讲解一下超临界CO2压裂施工过程：我们利用地面的压裂车组将纯净的二氧化碳通过连续油管和环空同时泵入到井筒内，在井内条件下转变为超临界状态，到达井底喷射压裂装置，以其极强的扩散能力在高压下渗入到地层孔隙和微裂缝中，从而降低地层破裂压力，当孔眼内的压力超过地层破裂压力后，地层就会破裂形成裂缝，最后再用混砂车将支撑剂混入液态二氧化碳，并随二氧化碳进入到裂缝中去，便完成了压裂作业，流程图如下。

如果压裂的是页岩气藏、煤层气藏、或者是稠油油藏，在生产前可以关闭环空和连续油管进行焖井（就是不提供额外热源，而充分利用利用井内高温，和烹饪过程焖的概念有异曲同工之妙），使CO2充分置换油气藏内吸附的甲烷，从而提高采收率。

伟大的石油工人费尽了九牛二虎之力将地下的原油开采出来以后，是不是就意味着胜利的女神已经在向他们招手了呢？（PS:你想多了！）大家可能不知道，我国陆上石油资源总量的20%属于稠油，预计储量在80亿吨以上，它们广泛分布于松辽盆地、渤海湾盆地等15个大中型含油盆地和地区，其中又以胜利油田、克拉玛依油田及辽河油田的储量居多。

常温条件下，水的粘度为0.8937厘泊，而一般的稠油粘度都在50厘泊，由此，稠油在开采及运输过程中的难度可见一斑，采取何种措施进行稠油降粘成为了当务之急。

现今国内各大油田所使用的方法如蒸汽驱采油、循环注蒸汽、火烧油层等等，其原理都是通过提高温度使来降低稠油粘度，这类施工方法虽然简单易操作，但它只适用于开采近井地带的稠油，油层深处的便无能为力了。

技术人员正在观察加热装置运行超临界二氧化碳降粘，就是通过机械设备将其注入井下，井底的温度压力条件易使其达到超临界状态，这时近乎于液体的密度使得它能够克服上窜现象从而维持较高的动力；而类似于气体的粘度和扩散系数，又使它能够迅速渗透溶解到稠油中去，增大稠油体积，极大的改善流动性，凭借其独有的优势，利用超临界二氧化碳降粘的呼声也越来越高。

：为何只见广告，却不见“疗效”？正所谓“金无足赤，人无完人”，任何一项新技术的研发都伴随着优势与劣势的矛盾较量，不可否认，以目前掌握的技术手段，超临界二氧化碳技术还无法大规模的在现场应用，主要是因为还存在一些问题没有得到很好的解决：超临界二氧化碳由超临界状态转换为气态的过程极短，体积会急剧膨胀，容易发生事故，在钻井作业时需要配备专门的井控装置；二氧化碳水溶液呈酸性，会对设备造成腐蚀；由于超临界二氧化碳对温度、压力的敏感性，施工过程中需要严格监控，这就对设施提出了较高的要求，增加了现场施工作业的成本；二氧化碳是温室气体，除非是封存于地下，否则现场施工依然需要专门的设备进行回收或处理，这同样增加了成本。

结语：目前，我国二氧化碳的回收量相对于排放量而言，不过是冰山一角，大部分的二氧化碳还无法有效的回收利用，其中一个主要原因就是回收的二氧化碳没有市场，直接埋存又没有任何经济价值，这就无法刺激企业回收的积极性。

我国超临界二氧化碳技术的研究依然处于起步阶段，仍存在许多问题亟待解决，这不仅仅需要国家和地方政府加大对新技术研发的支持力度，科研单位也要适度增加有针对性的科研投入，完善碳回收与利用的经济链条，同时油田现场更要勇于尝试，不可墨守成规，只有理论与实践相结合，充分调动研发生产的各个环节，才能开创我国能源绿色开发的新局面！！！我对未来有信心！！！- 10 -。