超临界二氧化碳喷射压裂井筒流体相态控制

为了探索超临界CO2喷射压裂的井筒流体相态控制方法,建立了超临界CO2喷射压裂井筒流动模型,进行了实例计算和分析,并以异常低地温梯度的地层为例研究井筒流体的相态控制问题。结果表明:超临界CO2喷射压裂过程中,随着井深增加,井筒压力逐渐增高,井筒温度先增高后在接近压裂层位处开始降低;井筒压力很容易达到CO2流体的临界压力,井筒温度的控制是超临界CO2喷射压裂相态控制的关键;如果地温梯度过低,压裂层位井筒中的CO2流体将达不到临界温度,影响超临界CO2喷射压裂作业的正常进行,此时提高注入CO2流体的温度,可有效促进压裂层位的CO2成为超临界态。该研究可为超临界CO2喷射压裂技术的流体相态控制提供一定的借鉴。     

高含CO_2原油井筒流动压力和温度分布综合计算

CO2驱正越来越受到重视,然而对高含CO2原油混合体系的井筒流动问题,目前尚未见到相关研究文献。由于井筒中CO2从原油中大量脱出,将会对井筒温度压力分布产生较大影响,严重时甚至会发生井喷,因此,对此类问题的研究具有重要的现实意义。从传热学、两相流及多元气液平衡理论出发,将CO2/原油混合流体相态特征以及井筒温度、压力相互影响加以考虑,建立了高含CO2原油井筒流动压力、温度分布综合计算模型,对不同CO2摩尔分数的原油混合体系井筒流动温度、压力进行了计算,结果表明,随着混合体系中CO2含量的增加,井口流体温度呈下降趋势,而井口压力将会增加,在一定条件下油井甚至能够达到自喷。对实例井进行了计算,模型计算结果与实测结果吻合较好,为CO2驱采油井工程设计提供理论方法。     

CO_2相态变化在干法压裂中的应用——以锦125井为例

CO_2干法加砂压裂对低压、低渗透、强水锁/水敏储层的压裂改造效果十分明显,但CO_2的相态变化复杂,压后放喷易形成水合物。因此,笔者根据CO_2相态变化曲线图,研究了CO_2在干法加砂压裂中各阶段的相态变化,证实了CO_2干法加砂压裂能够在三低气井中应用。同时,笔者结合CO_2水合物的形成机理和数学模型,形成了CO_2水合物预测图版,预测了CO_2形成水合物的压力、温度。基于以上研究,笔者提出从井口加入乙二醇预防井口附近水合物的产生。本论文以锦125井为例,该井泵注液态二氧化碳580 m3和砂量56 m3开展干法压裂,压后采用降压、升温、加入抑制剂等方法排液288.8 m3,顺利完成了试气压裂作业。     

CO_2井筒压力温度的分布

根据垂直管流的能量平衡方程,结合Ramy井筒温度分布计算方法,推导出CO2在不同的注入速度、注入温度、注入时间等因素下的井筒压力和温度分布。以苏北工区草8井试注实测数据为例加以验证,验证结果压力误差3.8%,温度误差2.5%。在此基础上进一步讨论了影响CO2井底温度的因素,并预测了3口注入井井筒压力温度分布。     

CO2气藏开发过程中井筒内流体相态特征研究

CO2是重要的工业产品,具有较高的商用价值,也是三次采油技术中应用较为广泛的注入剂之一。通过对CO2自身相态特征、开发过程、关井过程中地层流体相态特征研究,利用饱和蒸气压和临界条件辨别CO2在井筒内的相态,对CO2气藏的有效开发具有一定的指导作用。图2表3参4     

CO2注入井井筒压力温度分布研究

根据垂直管流的能量平衡方程，结合Ramy井筒温度分布计算方法，推导出CO2在不同的注入速度、注入温度、注入时间等因素下的井筒压力、温度分布。以苏北油田草8井试注实测数据为例加以验证，计算结果：压力误差3．8％，温度误差2．5％。在此基础上进一步讨论了影响CO2注入井井底温度的因素，其中CO2注入速度为主要影响因素。     

被CO_2饱和的重油及其馏分的相态特性──实验数据及其关联

对CO2与加拿大重油及其馏分的混合物进行了广泛的相态特性的测定，将重油中沥青质沉淀后再蒸馏成三个馏分。在21℃和140℃及不同压力下（最高压力为12．41MPa）测定相态特性数据，其中包括混合物的溶解度、膨胀因子、密度、油气比和粘度等。在测定时得到的油样用气相色谱模拟蒸馏方法加以分析。CO2的溶解度随着压力升高而增大，随着温度上升而下降。他和混合物的密度在21℃时随压力升高而增大；但在140℃时随压力升高而下降。密度随压力改变的程度比由于温度改变而引起的改变小、也观查到了由于溶解了CO2使油类产生了较大的膨胀作用。CO2最重要的作用是使油的粘度响有很大的降低。在21℃时粘度降低程度比在140℃时大并且油类粘度愈大降低的愈明显、油样的模拟蒸馏分析表明轻质油已被提取到CO2相中了，但在CO2相中未检测到重质末尾馏分的沉积物。用膨-罗宾逊状态方程把重油及其馏分与CO2的相态特性数据关联起来。并里还用CO2与油馏分有相同分子量的正烷烃的二元三元混合物解释了相特性数据，用转换为体积的膨-罗宾逊状态方程关联了混合物的密度，并且用Ledere提出的方程关联了粘度。     

超临界CO2压裂技术现状与展望

以水基压裂液开发非常规油气过程中所面临的问题为背景,总结了超临界CO₂压裂技术的独特优势、技术特点、工艺流程及其作业机制。全面分析了超临界CO₂压裂技术的起源、超临界CO₂压裂岩石起裂机制、缝内携砂规律、井筒流动与控制、压裂设备及现场试验等研究发展现状,得到了当前阻碍该技术工业化应用的关键问题,并给出了相应对策。针对超临界CO₂压裂岩石起裂机制的研究多为现象性描述,未来应重视理论分析与模拟实验相结合,给出定量评价方法;超临界CO₂缝内携砂能力的研究除了加强增黏剂方向的攻关力度外,研发纳米纤维实现物理增黏、开发新型低密度支撑剂、提高施工设备技术参数等也是有益的工作。未来超临界CO₂压裂技术将逐渐由直井单层压裂向水平井多级压裂发展并与连续油管拖动压裂相结合,逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。     

液态CO_2压裂井筒流动摩阻计算

液态CO_2压裂所采用的携砂液为无水纯液态CO_2,其物性受施工压力及沿程压力变化的影响非常明显,准确预测液态CO_2压裂管流摩阻对于压裂程序的合理设计以及施工的顺利进行具有非常重要的意义。通过实验研究的方式得出了不同温度、压力条件下的液态CO_2管流摩阻,并建立了摩阻系数与广义雷诺数之间的数学模型,同时基于液态CO_2井筒流动过程中温度场以及压力场的非稳态性,通过迭代计算的方式研究了不同泵注压力、管径、排量条件下的施工摩阻,并建立了井筒流动摩阻图版,与现场施工数据对比表明该图版具有较高的准确性以及工程应用价值。     

注CO_2井筒温度压力预测模型及影响因素研究

为了提高注CO2驱替效率及驱替成功率,开展了影响驱替效率的井筒压力温度分布及影响因素研究。针对CO2特殊的物理性质,选用基于赫姆霍兹自由能的Span-Wagner状态方程,将井筒传热、压力与CO2物性参数耦合迭代计算,建立了注CO2井筒温度压力分布的数学预测模型。该模型能够预测井筒温度压力及其他物性参数,应用该模型预测井筒各点温度压力,并与江苏草舍油田草8井现场2次实测结果对比,其温度误差均小于1%,压力最大误差不超过1.6%,表明该模型能够满足现场应用要求。利用该模型可以研究注入温度、注入压力、注入速度及注入时间等工艺参数对井底压力温度的影响规律,实现系统敏感性分析。研究表明,建立的模型具有很高的精度,对提高CO2驱替效率具有指导作用,并适用于(超临界)CO2钻井、压裂过程中井筒温度压力预测及影响因素分析。     

爆炸压裂下围压对井壁破碎效果的影响

针对爆炸压裂容易在井壁周围造成粉碎区、形成致密压实带的问题,进行了室内爆炸压裂模拟试验.试验结果表明,向试样施加围压后,爆炸压裂效果明显不同于常压下的爆炸压裂效果.试样在常压下进行爆炸压裂后,炮眼直径变大,炮眼周围区域粉碎效果明显;向试样施加一定围压后再进行爆炸压裂试验,粉碎区域消失,试样表面宏观裂缝数量增加,产生的裂缝较短,造缝效果明显好于常压下的爆炸压裂效果.以此为基础,重点考虑了围压对爆炸压裂效果的影响,分析了爆炸压裂时井筒周围岩石的受力情况,并根据分析结果推导了既能保证井壁稳定又能使井眼周围地层形成裂缝的边界条件,并通过室内试验对其准确性进行了验证.     

富含CO2天然气井井筒压力的温度计算

针对富含CO2气井,区别于烃类气井,把偏差因子研究作为CO2气井的重要参数。通过实验研究表明,不同CO2含量、不同压力和温度,对偏差因子都有一定影响。应用烃类气井相关压力、温度分布模型加以偏差因子等参数的修正进行计算,由于计算压力、温度以及偏差因子的相关参数是耦合关系,采用了迭代算法,研究了不同含量CO2下压力、偏差因子等参数沿井筒变化规律。     

围压对井内爆炸压裂损伤破坏尺度影响的数值模拟研究

针对当前因条件所限而无法通过开展大规模井内爆炸压裂试验来研究围压对井内爆炸压裂损伤破坏尺度的影响规律这一问题,借助LS-DYNA有限元分析模块,结合前期开展的室内爆炸压裂试验,建立了井内爆炸压裂数值计算模型。该模型主要由围岩损伤力学模型、炸药爆炸力学模型和耦合介质模型3部分构成。在对模型准确性进行验证的基础上,进行了爆炸压裂作用下围压对井壁围岩损伤破坏尺度的数值模拟,并通过岩石损伤力学理论,对模拟结果进行了分析。结果表明:在确保诸如炸药量、岩性和装药结构等其他条件不变的情况下,随着围压的增大,围岩损伤衰减速度加快,损伤破坏范围减小;对于围岩内部同一位置,其损伤破坏程度随围压增大而降低。      

破裂压力预测的应用研究

在油气的勘探开发过程中,针对低孔、低渗的储层均需要采取水力压裂措施才能获得工业油流、提高油井的产能。压裂效果的好坏能严重影响着油气田勘探开发的进程,尤其对于块状巨厚储层的底水油藏,工程施压控制不好,很容易造成底水上窜,使试油资料难以真实代表储层的含油性,产生错误的结论,推迟油气田的发现,延误地质储量的探明。利用测井资料预测压裂效果,为压裂施工提供出合理的泵压增量及地层破裂压力参考值,优化压裂措施,使压裂作业结果既能达到增产的目的,又不压穿水层,避免底水上窜淹没油层,确保油藏高产稳产。同时,对破裂压力的影响因素进行了分析。     

波动注入压裂下井筒中不稳定流动的压力特性

为了准确地揭示波动注入水力压裂引起的井筒中不稳定流动的压力行为,考虑流体重力和摩阻的影响,根据膨胀管-弹性流体理论,建立了波动注入水力压裂下垂直井筒中不稳定流动的压力波动数学模型,指出压裂泵组与井筒之间存在波动干涉效应,研究了稳定和不稳定流动下环空压力的变化规律及其影响因素。研究结果表明:波动注入水力压裂作业中,井筒中产生了明显的不稳定流动,这种不稳定流动引起的压力波沿井筒呈现压力衰减现象;井筒中实际环空波动压力的振幅取决于井口处"变频压裂泵"强迫激励的波动压力振幅和波动排量振幅;与稳定注入相比,采用波动注入方式可以增加井底环空压力和降低井口环空最高压裂作业压力;井底环空压力会以脉动压力波的形式在裂缝中传播,不断加剧岩石疲劳损伤断裂,增加岩石微裂缝。研究结果对于更好地研究和应用波动注入水力压裂工艺具有重要的理论价值和现实意义,可为非稳态水力压裂工艺的先导性试验和规模化应用奠定理论基础。     

CO_2无水压裂工艺及核心设备综述

CO_2无水压裂以液态CO_2作为压裂基液,压裂过程中基本不需要水,投产前CO_2以气态返排,不会对井场造成污染。但其缺点也很明显,如CO_2管道摩阻高、黏度低造成滤失较大、形成的裂缝尺寸较小、携砂能力低、液态CO_2的低温高压环境难以实现混砂。针对上述问题,提出了应对措施:尽量采用套管压裂、采用增稠剂提高黏度、开发专用的增压设备和带压混砂设备实现混砂功能。通过这些措施,有效避免了上述问题对CO_2干法压裂效果造成的不利影响,目前该套工艺和设备已经成熟,完全满足CO_2干法压裂的施工要求。另外为保证施工过程的设备和人员安全,阐述了实施过程中的无人化井场设计思路。最后指出,以CO_2无水压裂为代表的无水压裂技术由于其对储层无伤害和较高的增产效果、对水资源的节省和保护等常规压裂无可比拟的技术优势,在可预见的未来会逐渐成为非常规油气开采的核心技术。     

CO_2－环氧化物－甲苯的汽液平衡及CO_2在体系中的分配

对由ＣＯ２、环氧丙烷、环氧乙烷、聚碳酸亚丙酯、甲苯等构成的７个体系在４０～７０℃的气液平衡作了简易测定和闪蒸计算，结果与用Ｐｅｎｇ—Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状态方程法计算的完全一致；计算了ＣＯ２在液相及在整个体系中的浓度比α，发现它与ＣＯ２在单位可占据容积中的质量与温度乘积成线性关系：回归相关系数为－０．９５，式中Ｔ为体系温度（Ｋ），Ｗ１为ＣＯ２总重（ｇ），Ｖｏ、Ｖ１和Ｖ１分别为体系总容积、液相体积和液相中各组分体积（ｍｌ），下标１表示超临界组分ＣＯ２。     

CO_2－环氧化物－甲苯的汽液平衡及CO_2在体系中的分配

对由ＣＯ２、环氧丙烷、环氧乙烷、聚碳酸亚丙酯、甲苯等构成的７个体系在４０～７０℃的气液平衡作了简易测定和闪蒸计算，结果与用Ｐｅｎｇ—Ｒｏｂｉｎｓｏｎ状态方程法计算的完全一致；计算了ＣＯ２在液相及在整个体系中的浓度比α，发现它与ＣＯ２在单位可占据容积中的质量与温度乘积成线性关系：回归相关系数为－０．９５，式中Ｔ为体系温度（Ｋ），Ｗ１为ＣＯ２总重（ｇ），Ｖｏ、Ｖ１和Ｖ１分别为体系总容积、液相体积和液相中各组分体积（ｍｌ），下标１表示超临界组分ＣＯ２。     

高温高压下CO2泡沫压裂液摩阻计算研究

进行了CO2泡沫压裂液的室内配制、流变性测定以及摩阻计算方法研究。通过室内试验,观测了CO2泡沫压裂液的形成、动态变化和泡沫结构,测定了CO2泡沫压裂液在高温高压（35-110℃、20-50 MPa）条件下的视粘度变化。结果表明,CO2泡沫压裂液属于屈服假塑性非牛顿流体,其流变参数（n、K）随温度、压力、泡沫质量、配方等变化,为多元复合函数。为了便于求解,假设配方、温度、压力等主要影响泡沫质量,而流变参数（n、K）仅是泡沫质量的一元函数。在井筒中,泡沫压裂液物性随温度和压力（均为井深的函数）而变化,反过来泡沫压裂液的物性又影响井筒内流体温度和压力分布,是一个耦合的非线性问题。提出了一种计算摩阻压降的简化方法,将整个井筒分为若干计算段,每一段内将复杂的耦合关系简化为3个计算过程：1）由温度、压力和排量计算泡沫质量;2）由泡沫质量计算流变参数;3）由流变参数计算摩阻。计算结果与井筒内CO2泡沫压裂液摩阻压降实测结果符合较好,误差在合理范围内,可以在工程中应用。     

多相流井筒压力分布规律探讨

井底负压值控制是欠平衡钻井技术的基础,而井底负压值的大小与环空多相流的有关压力计算有关.根据多相流诸多变量参数都是井深函数的特点,提出了微分井眼空间,然后在这微分段内假设计算参数不变进行井底压力计算,建立了相应的数学计算模型,并用数学的方法对计算模型的正确性进行了验证.根据该模型编制的计算机软件的现场应用表明,该方法具有很强的适用性.