浅谈“CCUS”技术井控风险及防范措施

浅谈“CCUS”技术井控风险及防范措施

田建军1     闫龚杰2 王咏麒3

（渤海钻探第四钻井工程分公司，062450）   （华北油田分公司第五采油厂， 052300）

作者简介：

田建军，男，工程师，1977年5月4日生，1997年毕业于华北石油学校，2009年毕业于承德石油高等技术学院，2015年一月毕业于中国石油大学，钻井工程专业，现从事钻井工程技术、安全井控管理工作。

闫龚杰，男，工程师，1984年10月4日生，2011年毕业于西南石油大学，石油工程专业，现从事钻井现场及监督管理工作。

王咏麒，男，技术员，1990年6月16日生，2010年7月毕业于渤海石油职业技术学院，2016年7月毕业于中国石油大学（华东），石油工程专业，现从事钻井现场及监督管理工作。

摘要：二氧化碳捕获和封存技术（CCS）是指把二氧化碳从工业或相关能源中分离出来，并输送、储存在特定地点，实现与大气长期隔绝的过程。CCS是迈向全球碳中和以及实现《巴黎协定》约束目标的重要途径，我国2006年首次提出二氧化碳捕获、利用和封存技术（CCUS），该技术将捕获的二氧化碳进行循环再利用，在实现碳减排的过程中产生经济效益，降低社会成本。但是持续注入二氧化碳使很多油层压力较高二氧化碳处于超临界状态，加上一些井身腐蚀老化，一旦压力失控，超临界二氧化碳急剧膨胀，极易发生井喷。超临界二氧化碳的特性使二氧化碳井喷呈现出独特的复杂性，在井控方面提出了一些特殊要求。本文讨论了施工过程中注入二氧化碳的特殊风险及井控防范措施。

关键词：二氧化碳  井喷  井控风险  防范措施

一、二氧化碳的特性

1.物理性质：二氧化碳在常温下是一种无色无味的气体，密度比空气大，微溶于水，二氧化碳固体俗称干冰，可做致冷剂，用于保藏食品、人工降雨。二氧化碳是碳氧化合物之一，是一种无机物，不可燃，通常也不支持燃烧，低浓度时无毒性。它也是碳酸的酸酐，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，其中碳元素的化合价为+4价，处于碳元素的最高价态，故二氧化碳具有氧化性而无还原性，但氧化性不强。

2.化学性质：二氧化碳可以溶于水并和水反应生成碳酸，而不稳定的碳酸容易分解成水和二氧化碳。一定条件下，二氧化碳能与碱性氧化物反应生成相应的盐。向澄清的石灰水中加入二氧化碳，会使澄清的石灰水变浑浊，生成碳酸钙沉淀。高温条件下，二氧化碳能与碳单质反应生成一氧化碳。二氧化碳是一种稳定氧化物，有两个氧原子，各自和一个碳原子双健连接。它溶解于多数原油，溶解后，原油膨胀，使地层原油体积略微增大，黏度降低。根据原油成分和油层压力的不同，二氧化碳可以混相或非混相地驱替原油。二氧化碳是弱双极性，极易溶于水，并与水反应生成碳酸。二氧化碳引起的腐蚀可能导致井控失控。二氧化碳不属于有母物质，但吸入会为健康造成严重的不良影响。

3.液体二氧化碳，密度1.101g/cm3，（-37℃），蒸发时会吸收大量的热，当它放出大量的热时，则会凝成固体二氧化碳，俗称干冰。液态二氧化碳指的是高压低温下将二氧化碳气体液化为液体形态。

二、CCUS技术给钻井施工带来的井控风险

1.压力与物相变化风险。最重要的是注入压力失控时超临界二氧化碳急剧膨胀。大多数二氧化碳/原油系统的最低混相压力都超过临界压力，注入目地层温度大多数超过临界温度。压力失控时，同时出现两种过程。首先，二氧化碳（和部分混相物）由超临界“流体”转化成气体，急剧膨胀，气体沿井眼向上移动，继续膨胀，封闭压力下降，流动速度相应增加。井内的泥浆或其他液体被快速排出，使液柱压力变得很小，无法阻止地层液体进入，使得更多的超临界二氧化碳流入井眼，同时体积膨胀。喷出流体的摩擦力引起回压，地层压力也下降，两者逐渐建平衡，流量最终会稳定。流量通常由液流在地面穿过的孔眼来控制。通过小孔眼的液流可以达到声速，限制了流量，并相应限制了二氧化碳从地层进入井眼。由于这种流体特性，情况剧烈时二氧化碳儿乎可以爆炸。然而，现场工作人员对此通常不了解。井眼内少量的超临界“液体”二氧化碳就足以引发这个过程，在几秒钟内导致发生井喷，给人的反应时间极短。有些设备，特别是手动封井器利安全阀来不及安装和关闭，无法避免井液流出和压力完全失控。

2.膨胀冷却的影响。第二个过程是由于二氧化碳的膨张，井眼和液流快速冷却。二氧化碳液流一旦分别降到三相点温度(-63°F和压力(76lb/in2)以下，就会快速形成固体干冰颗粒。这个独特的物相特性带来了几个特殊问题：1）高流量使地面修井工作复杂化，工人受到高速气流的威胁；2）二氧化碳和水合物产生的液体聚集在封井器、井口和其他地面设备里；3）冷二氧化碳使大气中水分冷凝，在井口周围形成白雾，影响视线；4）近井口地带排出的游离油和冷凝的混相液可能凝聚在地面，造成地面火灾危险。另外干冰经常形成豌豆或石子大小的颗粒，以很高速度喷出，极易造成人员伤害。

3,腐蚀风险。二氧化碳对金属产生无硫腐蚀，因为二氧化碳和水反应生成了弱腐蚀性物质。无硫腐蚀尽管不如由硫化氢或强酸溶液引起的酸类腐蚀速度快，但时间长了，其危害同样严重。二氧化碳腐蚀通常由碳酸引起。参与反应的仅仅是溶解在水中二氧化碳总量的一小部分，其余气体继续留在溶液中源源不断地提供二氧化碳气源。腐蚀是局部的，就像在某些特定点形成的一些小的原电池一样。其他类型的化学反应也能生成锈垢，可保护一个区域，而邻近处则遭受酸的侵蚀。因多数井中二氧化碳分压增大，井和管材腐蚀会持续下去。除非将天然气重新回注，否则天然气与回收的二氧化碳之比会随时间的增加而降低。

三、防范措施

一些积极措施可以降低二氧化碳井喷的可能性，一旦发生井喷，也能够减少不利影响。这些措施包括：对目前实施井筒整体完好性检测，加强井控设备保养，对可疑井增加井控设备。提高井队人员意识，加强井控培训，制定积极的井喷应急计划，组织作业人员进行应急演习。

1.从事二氧化碳注入项目的钻井使用的每套封井器组，不论是手动还是液控的，至少每年进行一次性能和壳体检验。每口井安装好封井器后，应对全封、半封和其他井控设备进行压，试压应达到其额定压力，以确保不仅能够承受来自井内的预期压力、而且能够承受压井作业如挤压时可能要求的压力。

2.对钻井队人员进行适当的交底和培训、加强防喷演习是非常重要的。多数井控关键岗位人员可能没有接受过二氧化碳井喷失控的培训。

3.施工期依据地层压力系数，计算准确地层压力当量钻井液密度，施工过程中密度走设计上限，储备足够的加重材料，并随时关注注气井注气压力变化。

4.严格落实坐岗制度，起钻灌好钻井液，发生溢流立即关井，准确计算允许关井套压值，加强井控意识。

5.严格各次开钻验收，定期检查好井控装置，确保其灵活好用，每两天检查开关活动半封闸板防喷器一次， 每次起完钻或下钻前检查开关活动全封闸板防喷器一次。在活动开、关防喷器时要确保防喷器闸板到位后再进行其它工序。

6.综合录井队当班人员，要密切关注相关工程参数、气测参数和钻井液参数变化及油、气、水层的活跃程度。气测录井队当班人员，要密切关注气测数据，特别是全烃含量、单根峰、下钻循环后效监测情况，一旦发现异常，立即通知当班司钻和现场监督。

7.施工期间，钻井队还应配备一定数量的便携式气体检测仪、正压式呼吸器和轴流风机，并进行相应的佩戴演练，同时交底时，要强调人员严禁在低洼处长时间停留，避免造成窒息伤害。

四、结束语

CO2气驱是油藏提高采收率有效技术手段，CO2埋存是实现“碳达峰、碳中和”、履行国企责任的必然要求。华北油田碳驱油碳埋存技术起步较晚，但潜山储量规模大，且油藏类型适合开展气驱，CCUS-EOR技术需求大，前景广阔，但更应当重视CO2气驱带来的井控风险。