霍洪俊，王瑞和，倪红坚，武程皓，宋维强，李木坤

(中国石油大学石油工程学院，山东青岛266580)

二氧化碳是一种良好的钻完井介质，处于超临界态时，可显著提高破岩钻井效率，有效保护储层，提高页岩气等非常规油气资源的开发效率［1-8］。研究二氧化碳裹挟岩屑运移的机制，可揭示二氧化碳对岩屑粒径分布的影响作用，对于确定工艺、安全高效钻井和完井具有重要价值，笔者通过模拟试验，考察二氧化碳影响岩屑粒径分布变化的规律。

1 模拟试验装置

为探索钻完井工程中，二氧化碳环境中岩屑的分散规律，参照井下工况研制了模拟试验装置(图1)，该装置主要由增压泵、中间容器、模拟井筒、温控设备及数据采集系统组成。试验时，气瓶中的二氧化碳经增压泵加压后进入中间容器，调整中间容器内二氧化碳的温度和压力至预定值后，注入模拟井筒，与井筒内预置的岩屑混合，试验完成后，模拟井筒卸压，对其中的岩屑和反应液进行分析计量。该装置的中间容器的容积为2 L，耐压40 MPa，可加热至200℃，模拟井筒容积为80 mL，耐压为40 MPa，最高工作温度为200℃。温控设备用于控制中间容器及模拟井筒的温度，控制精度为±0.1℃。压力和温度的数据由数据采集系统采集处理，采集精度分别为±0.01 MPa和±0.1℃。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment equipment

采用振动筛和电子天平(精度为±0.1 g)配合检测分析岩屑粒径分布。

2 试验材料和流程

2.1 试验材料

岩屑取自胜利油田东营组实钻的岩屑。二氧化碳气体的纯度为99.95%(青岛天源气厂)。采用去离子水(中国石油大学自制)模拟地层水进行对比试验。

2.2 试验流程

用去离子水冲洗浸泡岩屑1 h，去除其表面附着的杂质，150℃烘干后取500 g岩屑，测量其粒径分布，采用X-射线衍射(XRD)分析其矿物成分。然后，取50 g已测粒径分布的岩屑置入模拟井筒，加入55 mL去离子水，抽真空后将中间容器中的二氧化碳(或去离子水)注入模拟井筒，开始计时。计时结束，模拟井筒卸压，取出其中的岩屑和反应液，对岩屑在150℃烘干后测量其粒径分布，分析岩屑矿物成分，分析反应液的离子成分。

按照GB/T15445.222006/ISO95762-2.2001方法计算岩屑平均粒径。试验压力、温度和反应时间分别设定为10 MPa、50℃和45 min。

3 试验结果及机制分析

3.1 试验结果

图2～4分别为模拟井筒内只有二氧化碳、地层水以及二氧化碳与地层水混合时，岩屑粒径分布的变化规律，其中，A为大于0.85 mm(即小于24目)的岩屑组分;B为0.59～0.85 mm(即24～30目)的岩屑组分;C为0.42～0.59 mm(即30～40目)的岩屑组分;D为0.25～0.59 mm(即40～60目)的岩屑组分;E为小于0.25 mm(即大于60目)的岩屑组分。对比图2～4可以看出，在二氧化碳或水单一介质环境中时，岩屑粒径分布的变化甚微;当介质环境为二氧化碳和地层水混合时，岩屑粒径分布则较单一介质有显著变化。在本文试验条件下，岩屑与二氧化碳和水混合介质接触后，A的质量剧烈减少，其质量占比由试验前的18.6%减少为6.6%，而E的质量则显著增大，其质量占比从试验前的11.7%增大至21.2%。而处于A-E之间的岩屑质量占比变化不大，其中C的岩屑质量占比略有增加，D的岩屑质量占比则略有减小。

图3 地层水对岩屑粒径分布的影响Fig.3 Effect of water on average cutting size

图4 二氧化碳与地层水共存环境中岩屑粒径分布的变化Fig.4 Effect of CO2and H2O on cutting size

图5为3种不同介质环境中，岩屑平均粒径随时间变化的试验结果。可以看出，随着时间的增加，二氧化碳对岩屑粒径影响甚微，基本可忽略，地层水对岩屑粒径有一定的影响，本文条件下，在试验初期，岩屑粒径基本不发生变化，但当试验时间超过1800 min后，岩屑粒径开始逐渐变小。二氧化碳与地层水共存环境中，岩屑粒径的变化最为剧烈，在试验初期岩屑粒径即急剧减小，当试验时间达到5 min后，岩屑粒径的变化趋于稳定。

图5 反应时间对岩屑平均粒径的影响Fig.5 Effect of time on the average cutting size

图6为不同介质环境中，岩屑平均粒径随温度变化的试验结果(试验时间为5 min)。可以看出，仅有二氧化碳或地层水存在时，温度的增高对岩屑平均粒径的影响基本可以忽略。在二氧化碳与水共存环境中，岩屑平均粒径与温度近似成线性关系，随着温度的升高，岩屑平均粒径逐渐减小。

图6 反应温度对岩屑粒径的影响Fig.6 Effect of temperature on average cutting size

图7为不同介质环境中，岩屑平均粒径随压力变化的试验结果(试验时间为5 min)。可以发现，在仅有二氧化碳或地层水的环境中，压力的变化对岩屑粒径的影响甚微，基本可忽略。在二氧化碳与水共存环境中，岩屑平均粒径随着压力的增大而逐渐减小。

图7 反应压力对岩屑平均粒径的影响Fig.7 Effect of pressure on average cutting size

3.2 机制分析

(1)岩屑矿物成分。表1为二氧化碳和水共存环境中，岩屑粒径组分反应前后，其矿物成分XRD分析及质量分析结果。可以看出，东营组岩屑主要由石英、钾长石、斜长石、方解石以及黏土矿组成，其中黏土矿物含量较高。表2为东营组岩屑黏土矿物的XRD分析结果，可以看出，东营组岩屑黏土矿物以伊/蒙间层为主，蒙脱石的含量较高，高岭石、绿泥石等含量较低。反应前后各粒径岩屑矿物组分中黏土矿物含量变化较大，而其他矿物组分变化不明显。

对比表1和表2发现，岩屑粒径组分反应后质量变化的情况，与其黏土矿物含量的变化相对应，两者具有较好的一致性，这表明，岩屑中黏土矿物的分散是导致岩屑平均粒径减小的主要原因。

表1 反应前后东营组岩屑矿物成分分析及质量分析结果Table 1 Analysis of mineral and changes of quality about each screen

(2)反应液离子成分。表3为反应液离子分析结果。结合岩屑的矿物组分变化分析，可以发现其主要来源于两方面:一是黏土矿物的水化分散。由表2可知，东营组蒙脱石含量很高，蒙脱石的吸附阳离子多为Na+和Ca2+，且易水化膨胀，可使黏土矿物吸附的阳离子进入水中;另一来源为二氧化碳与水反应形成碳酸，可与岩屑中的矿物组分如斜长石、方解石等反应生成Na+和Ca2+［9-10］，致使岩屑分散，平均粒径减小。

表2 东营组岩屑黏土矿物XRD分析结果Table 2 XRD analysis result of clay minerals

表3 反应液离子成分分析结果Table 3 Result of ions analysis about water sample

上述分析可知，黏土矿物的水化分散是导致岩屑粒径减小的主要原因，环境中二氧化碳与水共存时，二氧化碳具有显著强化黏土矿物水化分散的效用，同时二氧化碳与水反应生成的碳酸，所具有的溶解性，则进一步促进了岩屑的分散。两种效应随着时间的延长逐渐加深，而随着温度和压力的升高，则渐趋剧烈。

4 结论

(1)二氧化碳对岩屑粒径影响甚微，地层水在长时间浸泡的时候，会使岩屑粒径变小，当地层水与二氧化碳共存时，会使岩屑粒径在短时间内发生明显变化。

(2)二氧化碳或地层水单一介质环境中，岩屑粒径随温度和压力的变化不明显，但处于地层水和二氧化碳共存环境时，岩屑粒径随着温度和压力的升高，岩屑平均粒径逐渐减小，近似成线性关系。

(3)在地层水和二氧化碳共存环境中，东营组岩屑粒径变化的主要原因是二氧化碳促进了岩屑中的黏土矿物组分分散，缩短了黏土矿物的水化反应时间，同时二氧化碳与水反应生成碳酸，溶解了岩屑中的部分胶结矿物，促进了岩屑粒径的减小。

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