技术领域
[0001] 本发明属于非常规油气资源开发领域，特别涉及到一种井下二氧化碳跨临界增压方法。
相关背景技术
[0002] 超临界流体是指温度和压力同时高于其临界值的流体，其密度接近于液体，同时黏度和扩散系数接近气体，超临界流体不仅具有与液体溶剂相当的溶解和萃取能力，而且其传热传质速率也远大于液态下的速率。CO2的临界温度为31.5℃，临界压力为7.38MPa。超临界CO2(Supercritical‑CO2)地层注入技术在以下领域广泛应用。
[0003] (1)超临界CO2压裂。超临界CO2压裂技术尤其适用于水敏、水锁效应和低产、低渗等非常规油气藏的改造。超临界CO2的低黏度和高扩散性使孔隙压力增大，可降低储层起裂压力。超临界CO2可进入微裂缝孔隙，破坏岩石矿物胶结，导致岩石矿物脱落形成自支撑，增强地层导流能力。
[0004] (2)超临界CO2萃取原油。CO2在超临界状态下流动性较好，对原油萃取抽提能力强，向致密油藏中注入超临界CO2后，CO2与原油混相，可以显著提升油藏采收率。
[0005] (3)页岩油CO2吞吐增产。注入超临界CO2可以改善原油物性、降低油气界面张力和改善流度比，是提高页岩储层采收率的有效措施。吞吐过程中采用焖井工艺，可使油气接触更加充分，有助于改善原油物性，提高页岩油采收率。
[0006] (4)地层储碳，超临界CO2具有高压缩性、高密度和低黏度等优点，可以在咸水层、海底、煤层采空区等地层高密度存储。
[0007] 超临界CO2在提高裂缝复杂性、补充地层能量、改善原油流动性等方面表现出诸多优势。超临界CO2压裂作为新兴的压裂技术，与之相关的技术尚不完善，超临界CO2注入技术存在以下工程难题：(1)超临界CO2地层注入需要配备复杂的地表设备；(2)超临界态的CO2具有较强的腐蚀性，需要配套专用的地表设备和井中钻具，施工成本显著增加；(3)受地层温度和压力影响，CO2在井中相态具有不确定性，施工难度大。
[0008] 因此现有技术中迫切需要一种技术解决上述问题。
具体实施方式
[0041] 结合附图对本申请进行进一步说明：
[0042] 一种井下二氧化碳跨临界增压设备，其特征是：包括双壁钻杆4、封隔器及井下增压系统；
[0043] 所述双壁钻杆4、封隔器及井下增压系统均设置在井下，且所述封隔器的数量为三个以上；
[0044] 所述双壁钻杆4外设置有套管7，且所述套管7井外的部分与旋流除砂器3的入口连接，所述旋流除砂器3的出口与泥浆泵2的入口连接，所述泥浆泵2的出口与双壁钻杆4的中心通道6连接；所述双壁钻杆4的环形间隙与二氧化碳罐车1连接；
[0045] 所述井下增压系统包括螺杆马达8、螺杆接头9、动力轴10、一级增压单元11、一级增压活塞12、二级增压单元13、二级增压活塞14、混合腔15及泵出腔16；
[0046] 所述螺杆马达8通过螺杆接头9与动力轴10连接，且螺杆接头9与动力轴10的连接方式为套筒连接，所述螺杆接头9上设置有销轴21，且所述动力轴10上设置有与销轴21对应的轨道凹槽22；
[0047] 所述动力轴10顺次与一级增压活塞12及二级增压活塞14连接，
[0048] 所述一级增压单元11及二级增压单元13均为活塞缸，内部分别设置有一级增压活塞12及二级增压活塞14；
[0049] 所述二级增压活塞14穿过封隔器与混合腔15连接，且混合腔15穿过封隔器与泵出腔16连接；
[0050] 所述混合腔15内设置有支撑剂。
[0051] 所述一级增压单元11及二级增压单元13的末端均设置有溢流阀。
[0052] 所述螺杆马达8内设置有中心通道，所述中心通道一端连接所述双壁钻杆4的环形间隙。
[0053] 所述螺杆接头9进行旋转运动，所述销轴21与所述轨道凹槽22配合，使所述动力轴10在直线上进行往复运动。
[0054] 一种井下二氧化碳跨临界增压方法，采用上述中任一的井下二氧化碳跨临界增压设备，其特征是包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
[0055] 步骤一
[0056] 在竖直井及水平井钻井完毕后，下入封隔器及井下增压系统；所述井下增压系统的混合腔15内预先填充有支撑剂；
[0057] 步骤二
[0058] 安装双壁钻杆4与井下增压系统连接；二氧化碳罐车1与双壁钻杆4的环形间隙连接，二氧化碳通过螺杆马达8的中心通道进入到一级增压单元11与二级增压单元13中；
[0059] 步骤三
[0060] 泥浆泵2与双壁钻杆4的中心通道6连接，泥浆泵2将钻井液输送进入中心通道6中；在钻井液的压力下螺杆马达8进行旋转运动，螺杆马达8驱动螺杆接头9，在销轴21及轨道凹槽22的配合下动力轴10进行直线往复运动，驱动一级增压活塞12及二级增压活塞14工作；
[0061] 步骤四
[0062] 经过步骤三的驱动，二氧化碳罐车1输送的低压气态二氧化碳经过一级增压单元11加压，将二氧化碳增压至超临界状态，超临界状态二氧化碳在二级增压单元13进一步增压，形成更高压力的超临界二氧化碳；
[0063] 步骤五
[0064] 步骤四得到的超临界二氧化碳在混合腔15中与支撑剂混合，得到混合物；所述混合物进入泵出腔16，溢流阀17在压力作用下打开，超临界二氧化碳与支撑剂的混合物经过溢流阀17进入封隔器18封隔出的封闭空间，在压力作用下所述混合物注入到底层储碳空间；
[0065] 步骤六
[0066] 注入底层的所述混合物对周围岩层有腐蚀作用，会造成岩块剥落脱离；泥浆泵2与二氧化碳罐车1停止工作，井下增压系统进行泄压操作，剥落的岩块与所述混合物共同支撑裂缝19，形成稳定的储碳空间。
[0067] 所述步骤一的下入井下增压系统之前，预先填充的支撑剂的密度应该根据超临界二氧化碳在目标压力值下的密度确定，通过控制支撑剂颗粒的孔隙度或者树脂包裹厚度，调节支撑剂的密度。
[0068] 动力轴10往复运动原理：螺杆接头9和销轴21随螺杆马达8做回转运动，销轴21在动力轴10上的轨道凹槽22中滑动，动力轴10上轨道凹槽22的平面展开如图2所示，在轨道凹槽22的配合下销轴21的互转运动转变为周期性的往复运动。
[0069] 逐级增压原理：往复运动的动力轴10驱动一级增压活塞12和二级增压活塞14，利用液压传动中的帕斯卡原理，一级增压活塞12和二级增压活塞14的增压能力由活塞两端的面积比决定。一级增压活塞12和二级增压活塞14中有CO2流通的通道，一级增压活塞12和二级增压活塞14的末端均设置有单向溢流阀，使CO2依次通过一级增压单元11和二级增压单元13，在混合腔中积聚。
[0070] 超临界CO2和支撑剂混合原理。为使超临界CO2与支撑剂在混合腔15中充分混合，要求支撑剂颗粒与超临界CO2具有相同的密度。比如对于树脂包裹的陶粒支撑剂，可以通过设置陶粒的孔隙度，数值包裹厚度等参数，使支撑剂与超临界CO2密度相同。
[0071] 由于超临界CO2具有很好的油气田增产效果，CO2地层注入技术逐渐被应用到油气开发领域。同时，CO2在海底、煤层采空区、咸水层等地底空间的埋存有助于实现我国的“双碳”目标。
[0072] 针对地层注碳技术的技术难题，本发明提出了一种井下CO2跨临界增压方法，利用双壁钻杆中心通道6输送钻井液，为井下增压系统提供动力，低压气态的CO2经双壁钻杆环形间隙5输送至井下增压系统，经过一级增压单元11后，低压气态CO2增压至超临界状态，二级增压单元13进一步将CO2增压至目标压力值。
[0073] 利用本发明提出的井下CO2跨临界增压方法，精准控制CO2的相变过程，防止超临界CO2对地表装置和井中管道的腐蚀，降低对地表装置的耐高压和耐腐蚀需求，适用的地形和领域更广，有助于实现高效注碳，为我国的油气资源开发和碳埋存工程提供技术保障。
[0074] 利用循环的钻井液做动力介质，驱动井下增压系统，在地层中将低压气态CO2增压至高压超临界状态。
[0075] 井中采用双壁钻杆输送钻井液和气态CO2，双壁钻杆的中心通道输送钻井液，钻井液作为井下增压系统的动力介质，钻井液通过双壁钻杆和井壁套管之间的环空间隙上返至孔口。双壁钻杆的环形间隙输送低压的气态CO2。
[0076] 本发明提出了一种井下二氧化碳跨临界增压方法，通过井中管道向地层注入低压气态的CO2，在地层中利用井下增压装置先将气态CO2增压至超临界态，再将超临界CO2增压至目标压力值，通过分步增压的方式，实现CO2的跨临界增压，以满足地层压裂、驱油增产、萃取原油、地层储碳等工程需求。本发明的目的是在井下将CO2气体增压至超临界状态，与地表增压技术相比，可有效避免超临界CO2对井中管道的腐蚀、降低地表注碳设备的占比，尤其是在海底注碳储碳领域，无需配备昂贵的压裂船，可大幅度节约经济成本。
[0077] 一级增压单元11基于液压传动的帕斯卡增压原理，增压比取决于两端活塞的面积比，一级增压单元11的作用是将低压气态的CO2增压至超临界状态。二级增压单元13工作原理和一级增压单元11相同，将超临界状态的CO2增压至更高的压力状态，以满足向地层中注碳需求。
[0078] 满足注碳压力的超临界状态CO2经过混合腔时，超临界CO2与支撑剂混合。
[0079] 超临界CO2和支撑剂的混合流体经过泵出腔16时，混合流体的压力超过溢流阀开启压力后，溢流阀17开启，混合流体泵出增压系统，在封隔器的密闭作用下，将地层压裂并进入地层，支撑剂用于支撑裂缝，防止裂缝在压裂液反排后闭合。
