霍洪俊，王瑞和，倪紅堅(jiān)，武程皓，宋維強(qiáng)，李木坤

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

二氧化碳是一種良好的鉆完井介質(zhì)，處于超臨界態(tài)時(shí)，可顯著提高破巖鉆井效率，有效保護(hù)儲層，提高頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)效率［1-8］。研究二氧化碳裹挾巖屑運(yùn)移的機(jī)制，可揭示二氧化碳對巖屑粒徑分布的影響作用，對于確定工藝、安全高效鉆井和完井具有重要價(jià)值，筆者通過模擬試驗(yàn)，考察二氧化碳影響巖屑粒徑分布變化的規(guī)律。

1 模擬試驗(yàn)裝置

為探索鉆完井工程中，二氧化碳環(huán)境中巖屑的分散規(guī)律，參照井下工況研制了模擬試驗(yàn)裝置(圖1)，該裝置主要由增壓泵、中間容器、模擬井筒、溫控設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)時(shí)，氣瓶中的二氧化碳經(jīng)增壓泵加壓后進(jìn)入中間容器，調(diào)整中間容器內(nèi)二氧化碳的溫度和壓力至預(yù)定值后，注入模擬井筒，與井筒內(nèi)預(yù)置的巖屑混合，試驗(yàn)完成后，模擬井筒卸壓，對其中的巖屑和反應(yīng)液進(jìn)行分析計(jì)量。該裝置的中間容器的容積為2 L，耐壓40 MPa，可加熱至200℃，模擬井筒容積為80 mL，耐壓為40 MPa，最高工作溫度為200℃。溫控設(shè)備用于控制中間容器及模擬井筒的溫度，控制精度為±0.1℃。壓力和溫度的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理，采集精度分別為±0.01 MPa和±0.1℃。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment equipment

采用振動(dòng)篩和電子天平(精度為±0.1 g)配合檢測分析巖屑粒徑分布。

2 試驗(yàn)材料和流程

2.1 試驗(yàn)材料

巖屑取自勝利油田東營組實(shí)鉆的巖屑。二氧化碳?xì)怏w的純度為99.95%(青島天源氣廠)。采用去離子水(中國石油大學(xué)自制)模擬地層水進(jìn)行對比試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)流程

用去離子水沖洗浸泡巖屑1 h，去除其表面附著的雜質(zhì)，150℃烘干后取500 g巖屑，測量其粒徑分布，采用X-射線衍射(XRD)分析其礦物成分。然后，取50 g已測粒徑分布的巖屑置入模擬井筒，加入55 mL去離子水，抽真空后將中間容器中的二氧化碳(或去離子水)注入模擬井筒，開始計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)結(jié)束，模擬井筒卸壓，取出其中的巖屑和反應(yīng)液，對巖屑在150℃烘干后測量其粒徑分布，分析巖屑礦物成分，分析反應(yīng)液的離子成分。

按照GB/T15445.222006/ISO95762-2.2001方法計(jì)算巖屑平均粒徑。試驗(yàn)壓力、溫度和反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)定為10 MPa、50℃和45 min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及機(jī)制分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖2～4分別為模擬井筒內(nèi)只有二氧化碳、地層水以及二氧化碳與地層水混合時(shí)，巖屑粒徑分布的變化規(guī)律，其中，A為大于0.85 mm(即小于24目)的巖屑組分;B為0.59～0.85 mm(即24～30目)的巖屑組分;C為0.42～0.59 mm(即30～40目)的巖屑組分;D為0.25～0.59 mm(即40～60目)的巖屑組分;E為小于0.25 mm(即大于60目)的巖屑組分。對比圖2～4可以看出，在二氧化碳或水單一介質(zhì)環(huán)境中時(shí)，巖屑粒徑分布的變化甚微;當(dāng)介質(zhì)環(huán)境為二氧化碳和地層水混合時(shí)，巖屑粒徑分布則較單一介質(zhì)有顯著變化。在本文試驗(yàn)條件下，巖屑與二氧化碳和水混合介質(zhì)接觸后，A的質(zhì)量劇烈減少，其質(zhì)量占比由試驗(yàn)前的18.6%減少為6.6%，而E的質(zhì)量則顯著增大，其質(zhì)量占比從試驗(yàn)前的11.7%增大至21.2%。而處于A-E之間的巖屑質(zhì)量占比變化不大，其中C的巖屑質(zhì)量占比略有增加，D的巖屑質(zhì)量占比則略有減小。

圖3 地層水對巖屑粒徑分布的影響Fig.3 Effect of water on average cutting size

圖4 二氧化碳與地層水共存環(huán)境中巖屑粒徑分布的變化Fig.4 Effect of CO2and H2O on cutting size

圖5為3種不同介質(zhì)環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨時(shí)間變化的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，隨著時(shí)間的增加，二氧化碳對巖屑粒徑影響甚微，基本可忽略，地層水對巖屑粒徑有一定的影響，本文條件下，在試驗(yàn)初期，巖屑粒徑基本不發(fā)生變化，但當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間超過1800 min后，巖屑粒徑開始逐漸變小。二氧化碳與地層水共存環(huán)境中，巖屑粒徑的變化最為劇烈，在試驗(yàn)初期巖屑粒徑即急劇減小，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到5 min后，巖屑粒徑的變化趨于穩(wěn)定。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對巖屑平均粒徑的影響Fig.5 Effect of time on the average cutting size

圖6為不同介質(zhì)環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)時(shí)間為5 min)。可以看出，僅有二氧化碳或地層水存在時(shí)，溫度的增高對巖屑平均粒徑的影響基本可以忽略。在二氧化碳與水共存環(huán)境中，巖屑平均粒徑與溫度近似成線性關(guān)系，隨著溫度的升高，巖屑平均粒徑逐漸減小。

圖6 反應(yīng)溫度對巖屑粒徑的影響Fig.6 Effect of temperature on average cutting size

圖7為不同介質(zhì)環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨壓力變化的試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)時(shí)間為5 min)。可以發(fā)現(xiàn)，在僅有二氧化碳或地層水的環(huán)境中，壓力的變化對巖屑粒徑的影響甚微，基本可忽略。在二氧化碳與水共存環(huán)境中，巖屑平均粒徑隨著壓力的增大而逐漸減小。

圖7 反應(yīng)壓力對巖屑平均粒徑的影響Fig.7 Effect of pressure on average cutting size

3.2 機(jī)制分析

(1)巖屑礦物成分。表1為二氧化碳和水共存環(huán)境中，巖屑粒徑組分反應(yīng)前后，其礦物成分XRD分析及質(zhì)量分析結(jié)果?？梢钥闯?，東營組巖屑主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石以及黏土礦組成，其中黏土礦物含量較高。表2為東營組巖屑黏土礦物的XRD分析結(jié)果，可以看出，東營組巖屑黏土礦物以伊/蒙間層為主，蒙脫石的含量較高，高嶺石、綠泥石等含量較低。反應(yīng)前后各粒徑巖屑礦物組分中黏土礦物含量變化較大，而其他礦物組分變化不明顯。

對比表1和表2發(fā)現(xiàn)，巖屑粒徑組分反應(yīng)后質(zhì)量變化的情況，與其黏土礦物含量的變化相對應(yīng)，兩者具有較好的一致性，這表明，巖屑中黏土礦物的分散是導(dǎo)致巖屑平均粒徑減小的主要原因。

表1 反應(yīng)前后東營組巖屑礦物成分分析及質(zhì)量分析結(jié)果Table 1 Analysis of mineral and changes of quality about each screen

(2)反應(yīng)液離子成分。表3為反應(yīng)液離子分析結(jié)果。結(jié)合巖屑的礦物組分變化分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要來源于兩方面:一是黏土礦物的水化分散。由表2可知，東營組蒙脫石含量很高，蒙脫石的吸附陽離子多為Na+和Ca2+，且易水化膨脹，可使黏土礦物吸附的陽離子進(jìn)入水中;另一來源為二氧化碳與水反應(yīng)形成碳酸，可與巖屑中的礦物組分如斜長石、方解石等反應(yīng)生成Na+和Ca2+［9-10］，致使巖屑分散，平均粒徑減小。

表2 東營組巖屑黏土礦物XRD分析結(jié)果Table 2 XRD analysis result of clay minerals

表3 反應(yīng)液離子成分分析結(jié)果Table 3 Result of ions analysis about water sample

上述分析可知，黏土礦物的水化分散是導(dǎo)致巖屑粒徑減小的主要原因，環(huán)境中二氧化碳與水共存時(shí)，二氧化碳具有顯著強(qiáng)化黏土礦物水化分散的效用，同時(shí)二氧化碳與水反應(yīng)生成的碳酸，所具有的溶解性，則進(jìn)一步促進(jìn)了巖屑的分散。兩種效應(yīng)隨著時(shí)間的延長逐漸加深，而隨著溫度和壓力的升高，則漸趨劇烈。

4 結(jié)論

(1)二氧化碳對巖屑粒徑影響甚微，地層水在長時(shí)間浸泡的時(shí)候，會(huì)使巖屑粒徑變小，當(dāng)?shù)貙铀c二氧化碳共存時(shí)，會(huì)使巖屑粒徑在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化。

(2)二氧化碳或地層水單一介質(zhì)環(huán)境中，巖屑粒徑隨溫度和壓力的變化不明顯，但處于地層水和二氧化碳共存環(huán)境時(shí)，巖屑粒徑隨著溫度和壓力的升高，巖屑平均粒徑逐漸減小，近似成線性關(guān)系。

(3)在地層水和二氧化碳共存環(huán)境中，東營組巖屑粒徑變化的主要原因是二氧化碳促進(jìn)了巖屑中的黏土礦物組分分散，縮短了黏土礦物的水化反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸，溶解了巖屑中的部分膠結(jié)礦物，促進(jìn)了巖屑粒徑的減小。

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