超临界二氧化碳射流破岩机理研究

在油气田开发过程中，有效保护油气层的钻完井技术是提高油气井产量和产能，最终提高油气采收率的重要保证。超临界二氧化碳流体兼具气体的低粘度和易扩散、液体的高密度和溶解性好的特点，因而极具应用潜力。采用超临界二氧化碳射流直接破岩钻井既可实现高效钻进，又可以有效保护油气层。本项研究拟建立钻井条件下，与二氧化碳物性和相态变化规律相符的数值模拟研究和实验研究方法，探索超临界二氧化碳射流结构特性的演变规律；在研究超临界二氧化碳流体、岩石和岩石孔隙流体间耦合作用机理的基础上，建立适用于超临界二氧化碳射流破岩全过程分析的岩石动态本构关系和数值模拟研究方法，分析揭示超临界二氧化碳射流的破岩机理；进而进行超临界二氧化碳射流破岩钻井工具的原理设计，研究确定超临界二氧化碳射流保护油气层的钻井方案、参数体系和控制理论，形成一种高效破岩钻井方法，推动钻井理论与技术的发展，提高油气资源开发效率。

前期课题“高压水射流破岩机理研究”（574062）形成了水射流破岩机理研究的数值模拟方法，分析了高压水射流作用下岩石的破碎机理，该项研究取得的丰硕成果和积累的经验，为本项目在数值模拟和实验研究等方面奠定了很好的基础。为了促进射流破岩钻井技术在非常规油气藏中的应用、提高非常规油气采收率，本项研究采用理论分析与实验研究相结合的研究方法，对超临界二氧化碳这种保护油气层的新型射流流体作用下岩石的破碎机理进行了较为系统的研究。首先依据二氧化碳在井筒内的流动和传热特点，建立了超临界二氧化碳流体井筒物性模型，编制了超临界二氧化碳流体井筒物性分析软件，对超临界二氧化碳井筒内物性进行了理论计算，为后续超临界二氧化碳实验装置研制、井筒流场特性和破岩规律研究奠定了理论基础；其次，根据钻完井工况和超临界二氧化碳流体特性，基于动力相似理论，确定了实验系统的主要功能和基本流程，研制了超临界二氧化碳钻完井模拟实验系统，填补了国内外在超临界二氧化碳钻完井技术领域基础实验装置研究的空白；第三，对超临界二氧化碳射流在井筒中的流场特性开展了数值模拟和实验测试研究，研究发现在井底喷射形成射流后二氧化碳流体的压力和温度均急剧降低，超临界二氧化碳射流喷射到井底平面处的压力和温度随着喷嘴直径的增大而增加，随着喷距的增加而减小，随着射流压力的增大而增大，在岩石孔隙内二氧化碳的压力和温度随着传播距离的增大逐渐衰减；第四，分析了超临界二氧化碳流体对岩石强度的影响，研究发现超临界二氧化碳射流时间越长，射流压力和温度越高，岩石原有孔隙和裂缝分布越多超临界二氧化碳射流降低岩石强度的幅度越大，射流喷射时间越长，岩石渗透率越高；第五，开展了超临界二氧化碳直射流和旋转射流破岩实验研究，研究发现相比于高压水射流，超临界二氧化碳射流的破岩优势显著，与高压水射流破岩机理不同，井底环境温度超过临界值后，二氧化碳相态由液态向超临界态转变，射流的渗透和传递性能增强，射流破岩性能随着温度的升高而急剧增强；最后，研究发现超临界二氧化碳射流破岩的过程及机理为：①超临界二氧化碳射流冲击岩石形成初始破碎坑；②超临界二氧化碳渗透楔入岩石内部使微观损伤继续扩展；③准静态压力作用引起宏观体积性破碎。研究成果为超临界二氧化碳射流破岩钻井理论的建立奠定了基础，有助于推动石油钻井理论与技术的发展，提高非常规油气资源开发效率。