超临界二氧化碳钻井井筒变质量流动的相态控制理论与方法研究

The SC-CO2 drilling is a new technology to develop the unconventional hydrocarbon reservoirs , which has far-reaching significance to the development of the engineering technology of oil and gas wells and the unconventional hydrocarbon reservoirs. For SC-CO2 drilling technology, only when CO2 is in the supercritical state in wellbore, can the SC-CO2 drilling technologies give play to its advantages. Therefore, the phase state forecast and control in SC-CO2 drilling wellbore is particularly important. Invasion of formation fluid and filtration of SC-CO2 make the SC-CO2 drilling wellbore flow become a variable mass flow, and affect the distribution of temperature and pressure and SC-CO2 phase state in wellbore, which increase the difficulty of phase state control. On the basis of theoretical and experimental research, the SC-CO2 drilling wellbore flow control equations and key auxiliary equations is established. The calculation method of SC-CO2 drilling wellbore temperature field and pressure field is given. Combined with CO2 phase behavior with variation of temperature and pressure, SC-CO2 drilling wellbore phase distribution prediction model will be proposed. Considering the characteristics of drilling conditions , drilling parameters, and the the MPD theory, a phase control method for supercritical CO2 drilling is established. Finally a theory and method system on phase control for supercritical CO2 drilling variable mass flow will be formed which will develop a foundation for solving supercritical CO2 drilling problems.

SC-CO2钻井是一项开发非常规油气藏的新技术,对我国油气井工程技术的发展和非常规油气藏的高效开发具有深远意义。对于SC-CO2钻井只有当CO2在井下处于超临界态时,才能发挥SC-CO2钻井的优势,因此SC-CO2钻井井筒内，相态预测和相态控制尤为重要。SC-CO2钻井过程中地层流体侵入和CO2钻井液滤失使井筒流动属于变质量流动,且影响井筒内温压场和CO2在井筒内的相态分布,给相态控制增加难度。在理论和实验研究基础上,建立SC-CO2钻井井筒流动控制方程组及关键辅助方程,给出SC-CO2钻井井筒温压场的计算方法,结合CO2相态随温度压力变化规律,建立SC-CO2钻井井筒内相态分布预测模型。根据不同钻井工况和钻井参数对CO2相态的影响规律,结合控压钻井理论,得到SC-CO2钻井井下相态控制方法。最终给出SC-CO2钻井井筒变质量流动相态控制理论与方法,为SC-CO2钻井工程设计提供技术支撑。

随着非常规油气藏开发对泥页岩井壁稳定、油气藏储层保护及开采过程环境保护要求的不断提高，与超临界二氧化碳相关的井筒流动问题受到业界的持续关注。由于只有当二氧化碳在井下处于超临界态时,才能发挥超临界二氧化碳工作液的优势,因此超临界二氧化碳在井筒内的相态预测和相态控制成为超临界二氧化碳井筒内流动问题的核心问题。本项研究通过理论分析从井筒内超临界二氧化碳与外部环境的相互作用入手，将超临界二氧化碳井筒内的相态预测及控制问题与超临界二氧化碳在井壁上的滤失及地层流体侵入综合考虑，建立了超临界二氧化碳工作液在井筒内的变质量流动控制方程及辅助方程，并利用vb.net编程语言，编制了超临界二氧化碳井筒内相态分布预测软件。利用耐压30MPa的超临界二氧化碳可视化实验系统，对超临界二氧化碳相态开展了可视化实验研究。通过实验得到了10℃-100℃，3MPa-30MPa范围内，二氧化碳的可视化相态信息。实验结果显示：在稳定相态下，气态二氧化碳、液态二氧化碳以及超临界二氧化碳均无色透明，除液态二氧化碳能够形成明显界面外，气态和超临界态的二氧化碳均匀分布在整个空间内。同时实验发现调节出口压力比调节入口温度更能迅速调整实验模块中超临界二氧化碳的相态，而调节流量虽然可以在微弱范围内控制超临界二氧化碳的相态但效率不高。利用实验数据及不同工况下，作业参数对二氧化碳相态的影响规律，得到了超临界二氧化碳井筒相态控制方法。研究得到的理论成果及实验结果可以为与超临界二氧化碳井筒流动相关的油气井工程设计问题提供技术支撑。