超臨界二氧化碳鉆井井壁巖石特性研究*

孟照峰

(中石化中原石油工程有限公司)

0 引 言

在鉆井過程中，當出現液柱壓力和鉆井液壓力低于地層坍塌壓力等情況時，井壁容易出現失穩坍塌事故[1-3]。井壁穩定性在鉆井過程中一直是備受關注的重要問題，仍存在很多未能攻克的技術難點。在現場施工時，井壁失穩嚴重影響正常鉆進速度，需要技術人員重新處理修復，這會造成巨大的經濟損失。

專家學者對井壁穩定性進行了多方面研究[4-8]，由鉆井液、巖石特性等單因素作用影響機理擴展到多因素共同作用影響機理的深層次研究，建立了各種不同的鉆井井壁巖石力學模型[9-12]。超臨界二氧化碳密度高、流動性強、表面張力較小，可形成高壓力、高強度的射流沖擊力，有利于高效破巖鉆進，在頁巖儲層開發等領域具有良好的應用前景[13-15]。但超臨界二氧化碳在鉆井領域仍處于不成熟階段，作用機理未形成完善的理論體系，對井壁穩定性的影響沒有確實的研究結論[16-21]。因此，研究超臨界二氧化碳對鉆井井壁巖石特性的影響有利于保障井壁穩定和鉆井安全運行。

1 試驗裝置

試驗選用的頁巖來源于塔里木油田塔中地區，將頁巖研磨制成粉末狀顆粒，利用X射線衍射儀對頁巖的成分進行組分分析，石英質量分數為43.2%，方解石質量分數為25.1%，白云石質量分數為7.9%，長石質量分數為2.3%，黃鐵礦質量分數為1.8%，黏土礦物質量分數為19.7%。

試驗裝置主要由超臨界二氧化碳制備單元、加載控制單元、數據采集單元和回收單元構成，如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳浸泡頁巖力學特性測試裝置Fig.1 Test device for mechanical properties of supercritical carbon dioxide immersed shale

超臨界二氧化碳制備單元主要由二氧化碳氣瓶、制冷器和高壓柱塞泵組成。高壓柱塞泵最高可提供80 MPa壓力。加載控制單元主要由加載浸泡控溫裝置和溫度控制器組成。加載浸泡控溫裝置主要由液壓泵、千斤頂和巖心夾持器組成，最大加載壓力達到250 MPa，最高加載溫度達到300 ℃，巖心最大直徑50 mm。數據采集單元由溫度傳感器、壓力傳感器、載荷傳感器和計算機組成。回收單元由集液桶組成。

試驗采用制冷器對二氧化碳氣體進行液化，高壓柱塞泵對其加壓后泵送至加載浸泡控溫裝置內。加載浸泡控溫裝置控制試驗溫度，對巖心進行加載測試，載荷傳感器、溫度傳感器及壓力傳感器采集相應的試驗數據。

2 試驗結果分析

2.1 巖心浸泡應變特性

控制試驗溫度為40 ℃，壓力為15 MPa，將巖心放置于加載浸泡控溫裝置內浸泡150 min，得到其應變變化曲線，如圖2所示。

由圖2可知：在浸泡15 min內，巖心的橫向、縱向應變均急劇上升；隨著時間的延長，橫向、縱向應變緩慢下降；當浸泡時間到達70 min后，橫向、縱向應變趨于平穩，因此后續試驗浸泡時間設定為70 min。超臨界二氧化碳的黏度低，流動性能較強，可進入頁巖內的微小孔隙并積蓄一定的能量，導致頁巖體積變大，即應變增加。同時，超臨界二氧化碳超強的穿透力、相態變化時發生體積增大均會導致頁巖膨脹。頁巖在縱向不同位置分布著紋理層，在浸泡過程中超臨界二氧化碳對頁巖內膠狀物具有溶蝕作用，使原有的紋理層和微裂縫擴展變大并形成新的裂縫和孔隙，因此，縱向應變程度要略高于橫向應變。頁巖內黏土組分含量較高，黏土與超臨界二氧化碳接觸吸附后會發生收縮反應，促使橫向、縱向應變緩慢下降。當黏土的收縮反應和超臨界二氧化碳的膨脹作用相平衡時，橫向、縱向應變趨于平穩。

圖2 應變隨浸泡時間的變化曲線Fig.2 Variation of strains with immersion time

2.2 浸泡壓力對巖心力學特性的影響規律

2.2.1 浸泡壓力對巖心應變的影響

控制試驗溫度為40 ℃，壓力由0升高至40 MPa，在超臨界二氧化碳浸泡下，消除粘結劑對試驗結果的影響，得到超臨界二氧化碳浸泡壓力對頁巖巖心應變的影響曲線，如圖3所示。

圖3 巖心應變受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.3 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on core strains

由圖3可知，隨著浸泡壓力的增大，巖心縱向、橫向應變先增大后略有下降。在臨界壓力附近，巖心應變增大幅度較大，這是由于二氧化碳由氣態轉變為超臨界狀態，穿透力顯著增強，超臨界二氧化碳擴散至量級更小的孔隙內，頁巖體積膨脹，縱向、橫向應變增大?？v向應變增大幅度大于橫向應變增大幅度，這是由于巖心橫向存在原有的紋理層，超臨界二氧化碳在微裂縫內積蓄一定能量，導致巖心的微裂縫擴展變大，縱向應變顯著增大。當浸泡壓力繼續升高時，橫向、縱向應變均略有減小，這是由于超臨界二氧化碳在巖心內趨于飽和，而黏土成分在超臨界二氧化碳的作用下收縮，此時，膨脹作用不再是主要影響因素，黏土收縮導致橫向、縱向應變減小。

2.2.2 浸泡壓力對巖心單軸抗壓強度的影響

控制試驗溫度為50 ℃，壓力由0升至40 MPa，得到巖心單軸抗壓強度曲線，如圖4所示。

圖4 單軸抗壓強度受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.4 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on uniaxial compressive strength

由圖4可知：當浸泡壓力由5 MPa上升至10 MPa時，單軸抗壓強度急劇減小，這是由于二氧化碳氣體轉變為超臨界態，超臨界二氧化碳高擴散能力促使其迅速進入巖心微孔隙內，膨脹作用和溶蝕作用導致巖心內部結構發生變化，單軸抗壓強度減小較快；當浸泡壓力由10 MPa上升至25 MPa時，單軸抗壓強度緩慢減小，這是由于超臨界二氧化碳進一步穿透至更深層孔隙內，膨脹作用和溶蝕作用進一步加強；當浸泡壓力高于25 MPa時，超臨界二氧化碳趨近飽和狀態，抗壓強度趨于穩定。

2.2.3 浸泡壓力對巖心彈性模量的影響

控制試驗溫度為50 ℃，壓力由0升高至40 MPa，得到巖心彈性模量曲線，如圖5所示。

由圖5可知，在臨界壓力附近，彈性模量隨浸泡壓力的升高而急劇升高。這主要是由于黏土組分吸附超臨界二氧化碳后發生收縮反應，收縮后的黏土粘結性更強，顆粒之間相互聯結，增強了巖心的彈性，即彈性模量升高。當浸泡壓力繼續升高時，超臨界二氧化碳與黏土的接觸面積增大，黏土收縮反應增強，彈性模量略微升高，當黏土收縮反應達到極限時，不再受超臨界二氧化碳的影響，彈性模量趨于穩定。

圖5 彈性模量受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.5 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on elastic modulus

2.2.4 浸泡壓力對巖心泊松比的影響

控制試驗溫度為50 ℃，壓力由0升高至40 MPa，得到巖心泊松比曲線，如圖6所示。

圖6 泊松比受超臨界二氧化碳浸泡壓力的影響曲線Fig.6 Influence of supercritical carbon dioxide immersion pressure on Poisson’s ratio

由圖6可知，當浸泡壓力升高時，二氧化碳由氣態轉變為超臨界態，泊松比顯著升高。這是由于巖心在橫向上存在紋理層和微裂縫，超臨界二氧化碳與縱向黏土組分的接觸更加充分，黏土縱向收縮反應更加強烈，彈性更高，變形量會相對較小，同樣，橫向彈性稍弱，變形量相對較大，即泊松比升高。當壓力繼續增大時，超臨界二氧化碳趨于飽和，泊松比趨于穩定。

2.3 浸泡溫度對巖心力學特性的影響規律

2.3.1 浸泡溫度對巖心應變的影響

控制試驗壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升高至70 ℃，在超臨界二氧化碳浸泡下，得到頁巖巖心應變隨溫度的變化曲線；消除粘結劑對試驗結果的影響，得到超臨界二氧化碳浸泡溫度對頁巖巖心應變的影響曲線，如圖7所示。

由圖7可知，當浸泡溫度由25 ℃升高至35 ℃時，橫向、縱向應變均升高，主要原因是二氧化碳轉變為超臨界狀態，超臨界二氧化碳的膨脹作用、溶蝕作用和擴展作用導致孔隙能量增加，巖心膨脹，微裂縫擴展變大。當浸泡溫度繼續上升時，橫向、縱向應變降低，巖心由膨脹狀態轉變為收縮狀態，主要原因是超臨界二氧化碳的萃取作用導致黏土失水收縮，同時超臨界二氧化碳吸附在巖心黏土上也會促使其收縮，此時，膨脹作用不再是巖心宏觀表現的主導因素。當浸泡溫度進一步上升時，橫向、縱向應變再次升高，巖心由收縮狀態轉變為膨脹狀態。這是由于高溫下超臨界二氧化碳分子變得更加活躍，吸附作用和萃取作用受到抑制，穿透力增強，活躍的小分子更易進入孔隙內，膨脹作用和擴展作用增強，促使巖心微裂縫增大，體積膨脹。

圖7 巖心應變受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.7 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on core strains

2.3.2 浸泡溫度對巖心單軸抗壓強度的影響

控制試驗壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升至70 ℃，得到巖心單軸抗壓強度變化曲線，如圖8所示。

圖8 單軸抗壓強度受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.8 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on uniaxial compressive strength

由圖8可知，在臨界溫度附近，隨著浸泡溫度的升高，巖心單軸抗壓強度快速下降，主要原因是二氧化碳轉變為超臨界態，膨脹作用、溶蝕作用和擴展作用破壞了巖心原有結構。當浸泡溫度繼續升高時，單軸抗壓強度隨之下降，雖然溫度升高會抑制溶蝕作用、萃取作用和收縮作用，但是運動更加強烈的超臨界二氧化碳分子會增強膨脹作用和擴展作用，在多種作用的累積效果下，單軸抗壓強度繼續下降。

2.3.3 浸泡溫度對巖心彈性模量的影響

控制試驗壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升高至70 ℃，得到巖心彈性模量變化曲線，如圖9所示。

圖9 彈性模量受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.9 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on elastic modulus

由圖9可知，在臨界溫度附近，彈性模量顯著升高。這是由于超臨界二氧化碳萃取作用促使巖心黏土組分失水而收縮，同時，超臨界二氧化碳也會直接導致黏土收縮，黏土收縮后粘結性增加，彈性增強，即巖心彈性模量增大。當浸泡溫度繼續升高時，彈性模量隨之增加后趨于平緩，主要原因是溫度升高促進了黏土的進一步收縮，但是在高溫條件下，超臨界二氧化碳分子過度活躍，無法穩定地吸附在黏土周圍，黏土的收縮作用也相應受到抑制，彈性模量趨于穩定。

2.3.4 浸泡溫度對巖心泊松比的影響

控制試驗壓力為15 MPa，溫度由25 ℃升高至70 ℃，得到巖心泊松比變化曲線，如圖10所示。

圖10 泊松比受超臨界二氧化碳浸泡溫度的影響曲線Fig.10 Influence of supercritical carbon dioxide immersion temperature on Poisson’s ratio

由圖10可知，在臨界溫度附近，隨著浸泡溫度的升高，巖心泊松比急劇增大。當溫度繼續升高時，泊松比先升高后趨于平緩。這是由于巖心在橫向上存在紋理層和微裂縫，溫度升高，超臨界二氧化碳分子更加活躍，與縱向黏土組分的接觸更加充分，黏土縱向收縮作用更加強烈，彈性更強，形變量會相對較小，即泊松比升高。當溫度繼續升高時，超臨界二氧化碳的吸附作用和黏土的收縮作用受到抑制，泊松比趨于穩定。

3 結 論

(1)超臨界二氧化碳浸泡時間延長，巖心橫向、縱向應變先急劇上升后緩慢下降，到達70 min后趨于平穩。這是由于超臨界二氧化碳的黏度低，可進入微小孔隙，膨脹作用和溶蝕作用導致應變增加。黏土的收縮作用促使橫向、縱向應變緩慢下降。當收縮作用和膨脹作用相平衡時，橫向、縱向應變趨于平穩。

(2)當浸泡壓力升高時，受膨脹作用和收縮作用的影響，巖心縱向、橫向應變先增大后略有下降，單軸抗壓強度先急劇下降，再緩慢下降后趨于平穩，彈性模量和泊松比先急劇升高，再緩慢升高后趨于平穩。

(3)當浸泡溫度升高時，在收縮作用、膨脹作用和溶蝕作用共同影響下，巖心由膨脹轉變為收縮后再次膨脹，巖心單軸抗壓強度下降，彈性模量和泊松比先急劇升高，再緩慢升高后趨于平緩。