超临界二氧化碳钻井流体井筒温度传递特性.pdf

第 2 7卷 第 6期 2 0 1 0年 1 1月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D V0 1 ． 2 7 No． 6 No v e ．2 0l 0 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 00 6 ． 0 0 0 1 0 3 超临界二氧化碳钻井流体井筒温度传递特性 王在明 ， 邱正松 ， 朱宽亮 1 ． 冀东油田钻采研究院，河北唐山 ； 2 ． 中国石油大学石油T程学院，山东东营 摘要循环钻井流体温度计算一直是钻井工作者希望解决的难题。建立了井眼温度传递数学模型，并通过对模 型求解，给出了钻具 内和环空流体温度计算解析式 ； 利用该解析式结合超临界二氧化碳钻井流体的物理特性，对 使用 8 9 mm钻头、 3 1 ． 8 mm钻杆钻进的井眼中二氧化碳流体温度进行了计算，绘制 了钻具内和环空二氧化碳 流体温度剖面图 ； 对 比了在不同井深时和不同井眼尺寸条件下井眼内二氧化碳流体温度剖面图，发现随着井深的 增加，钻具内二氧化碳流体更易进入超临界状态，且超临界二氧化碳钻井液更适合小井眼钻井。 关键词井眼温度传递数学模型 ； 超临界二氧化碳 ； 钻井液 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 循环钻井流体温度的计算具有重要意义，它能 为钻井流体的选择提供依据 ，同时又能够提供所钻 地层的相关信息 [ 1 - 2 ] o开发井 眼中循环流体温度数 学模型的 目的是为了预测在任何深度钻杆和环空 内 流体的温度 。超临界二氧化碳是指 C O， 在温度高于 临界温度 3 1 ． 2 6 和压力高于临界压力 7 ． 2 2 MP a 状 态下 ，处于超临界状态时，其性质会发生变化 ，其 密度近于液体，黏度近于气体 p ] 。近几年二氧化碳 作为钻井液的应用研究越来越受到人们的关注，与 空气和氮气钻井液相 比，它能为井下动力钻具提供 足够的动力 ； 能够射流破岩而实现快速钻井 ； 能够 防止储层损害 ； 在环空又可相变为气相 ，易实现井 下欠平衡钻井状态 _ 4 ] ，国外 已在连续管小井眼侧钻 井中成功进行 了试验应用。超临界二氧化碳钻井液 温度传递特性的研究为超 临界二氧化碳钻井液的应 用提供了理论基础。 1 循环钻井流体温度传递数学模型 1 ． 1 数学模型 的建立 假设 ①地层和环空流体之问的热传递是线性 热传递 ； ②在横向上距离钻头足够远的位置，温度 是常数 ； ③钻头产生的热量予以忽略 ； ④在纵向上 不考虑热传递 。 环空流体吸收的热量 Q 一 Q m c 。 [ T a ] 1 地层 向环空流体传递 的热量 Q 2 x r U Y a T f c t x 2 钻杆内流体吸收的热量 Qa p 2 r p h 。 一 3 综合 以上方程 ，地层 向环空流体传递 的热量应 等于环空流体与钻杆 内流体吸收的热量之和 c p鲁 2 兀 似 一 2 x r U T a 4 地层温度可以表示为 5 将式 5 代人式 4 得 2 一 2 r u L G x 6 钻杆内流体吸收的热量等于钻杆内流体温度升高所 需的热量 d7 1 c p 2 兀 一 7 基金项目 石油科技中青年创新基金 “ 超临界二氧化碳连续管钻井液携岩规律与调控方法研究” 0 6 E 1 0 2 6 ；中国石油 大学研 究生创新基金 “ 超 临界 二氧化碳钻井液特性研究” B 2 0 0 7 1 o 第一作者简介 王在明，2 0 0 8年获中国石油大学油气井工程博士学位，长期从事油气钻井技术研究。地址 河北省唐 山市路北区新华西道 1 2 8号钻采工艺研究院 ； 邮政编码 0 6 3 0 0 0；电话 0 3 1 5 8 7 6 8 0 5 9； E - ma i l mi n g 8 0 8 2 0 0 2 1 2 6 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年1 1月 对 以上方程中 6和 7 积分求解 K1 -4-K2 P G x-4- G A 8 K1 Ge K2 c 4 e - 4 - G x 9 式 中 C 1 日 ／ [ 1 1 4 ” ] C 2 B ／ 2 A [ 1 一 1 4 ] G l ／ 2 [ 1 1 4 “ ] C 4 1 B ／ 2[ 卜 1 4 ／ B ] A mc p ／ 2 1 t r p h p B r U p 将 边 界 条 件 x 0； i 和 边 界 条 件 x H ； 。 代入式 8 和式 9 中，求得积分常量为 。 一 ， G 一[ 一 G A ] e 1 一c “ 一 e c 2 日 1 一c 4 一P 。 1 一C 其中 X为井深 ， 为总井深 ， m； c 为钻井流体热容 ， k J ／ k g c C； G为地层温度梯度 ，℃／ m ； 为地球表 面的年平均温度 ， 为钻杆 内流体温度 ， 为环空 流体温度 ， 为钻井流体在钻杆的人 口温度 ，℃ ； ， 为井的半径 ， 为钻杆的半径 ， m； m为流体的流速， k g ／ h； U为环空对流换热系数 ，w ／ m o C； h 。 为钻 具内对流换热系数 ，w ／ m ℃。 将 以上公式进行编程 ，可算得 和 。 1 ． 2 模型中钻具内对流换热系数h 。 和环空对流 换热 系数 的计算 牛顿对流换热公式为 Q a A t F，式 中，Q为在 单位时问内整个壁面面积 F和流体之间的对流换热 量 ； 为壁面 F的平均温度和流体的平均温度之差 ； G c 为沿 F的平均对流换热系数。 该文 中 h 和 实际上就是该公式 中的 。一 切影响 Q的因素都影响 ， 因此求解 相对较复杂 ， 其给出的计算公式是半经验半理论的 【 5 ] Nu O． 0 23 Re 。 P r f 。 ；a Nu f ； Ud 式中 R e 为流体雷诺数 ，Re f w d ／ v ； W为流速 ，m／ s ； d为直径，1 T I ； v 是与流体的种类 、温度有关的动力 黏性系数 或简称黏度 ； P r ， 为普朗特数，由流体特 性参数组成， 表示热边界层与流动边界层厚度之比。 2 计 算实例 结合使用二氧化碳钻井液施工井的参数 口 ，对 钻杆 内外的平均对流换热系数进行求解 ，并计算 和 。该 井井深为 3 0 0 0 1 T I ，井 底温度 为 1 0 5℃， 流速为 1 ． 7 k g ／ s 1 ． 5 7 7 1 1 0 1 T I 。 I s ， 钻杆 内径为 2 2 ． 9 mm，钻 杆外径 为 3 1 ． 8 mm，钻 头外径 为 8 9 mm ； 储存罐中二氧化碳温度为 0℃ ； 环空节流阀压力为 5 M Pa。 C O， 平均温度范围约为 0 1 0 5 ／ 2 5 2 ． 5 q C ， 按 此温度查表得 C O 物性参数 C 。 0 ． 8 7 1 k J ／ k g ℃， v 8 ． 3 21 x 1 0 一 m 2 ／ s ，A 1 ． 6 5 7 21 0 一 W ／ m c I C ， 1 4． 95 8 1 0 kg ／ m S，Pr 0 ． 70 3。 钻杆 内截 面积为 4 ． 1 1 61 0 1 Y l ，环 空截面积 为 5 ． 4 1 0 1T I ，钻杆内 C O， 的流速为 3 ． 8 3 m／ s 。 1 钻 杆 内 雷 诺 数Re w d ／ v 3 ． 8 30 ． 0 2 2 9 ／ 8 ． 3 2 1 1 0 1 ． 0 5 41 0 ， 为 紊 流。N u f 0 ． 0 2 3 Re 。 Pr ， 。 0 ．0 2 3 1 ． 0 5 41 0 4 。 0 ． 7 0 3 o 3 3 ． 0 2 ， 则 平 均 对 流 换 热 系 数 c t N u J d 3 3． 0 21 ． 66 1 0 ／ 0 ． 0 2 2 9 2 3． 9 w／ m 。 2环空流量。因节流阀压力为 5 MP a ，查二 氧化碳温度一 压力一 密度相图可知其密度为 0 ． 1 5 e C c m 左 右 ，则 可 求 得 Q环 Q杆 P 杆／ p环 1 ． 5 7 7 1 1 ／ 0 ． 1 5 1 ． 0 5 1 41 0 1 T I ／ s 上 返 速 度 V I ． 0 5 1 4 1 0 ／ 5 ． 41 0 ～ 1 ． 9 4 7 m／ s；环 空 内 雷 诺 数 R e f w d ／ v 1 ． 9 7 40 ． 0 5 7 2 ／ 8 ． 3 2 1 1 0 1 ． 3 41 0 ， 为 紊流。N u c O ．0 2 3 R e 。 P 0 ．0 2 3 1 ． 3 4 1 0 0 ． 7 0 3 4 0 ． 0 1 2 。则平均对流换热系数 a Nu 4 0． 01 2 1 ． 6 61 0 ～／ 0． 0 57 2 1 1 ． 5 9 w／ m o C。 根据以上计算 出的对流换热系数知，h 为 2 3 ． 9 w／ m ℃，U为 1 1 ． 5 9 w ／ m ℃，将计算参数代人计 算模型，计算 和 。 3 计 算结果分 析 1 根据以上计算结果绘制超临界二氧化碳钻井 流体在循环钻具内和环空的温度剖面图， 结果见图 l 。 芝8 0 2 0 O 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 井／ ． ／ m 图 1 超 临界二氧化碳钻井流体在循环 钻具内和环空温度剖面图 从 图 1 可 知 ，钻 具 内二 氧化碳 流体 的温度 随 井 深 的增 加 而增加 ，在井 深 l 7 0 0 1 T I 处 ，钻具 内 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 王在明等超 临界二氧化碳钻井流体井筒温度传递特性 3 温度为 3 2 ． O 9 q C，二氧化碳流体为超临界状态 ，温 度随井深继续升高，在钻头处温度达到最大值 5 0 ． 7 1 o C ； 环空内，二氧化碳从井底运行到地面的 过程中温度先增加 ，在井深 2 3 0 0 m处温度为最大 值 6 9 ． 4 8℃ ，在井深 1 5 0 0 m处 ，环空内温度与地 层温度相 同，在井 口处温度为 2 3 ． 3 9℃。 2相 同尺寸不同井深井 眼温度。其 它参数与 上例相同，分别计算井深为 2 0 0 0、2 5 0 0 、3 0 0 0 m 井眼温度 ，并根据井眼温度数据绘制井眼温度剖面 图， 结果见图2 。 从 图2 可知 ①当井深为 2 0 0 0 1 T I 时 ， 钻具内最高温度为 2 6 ． 8 4℃，即在钻具 内不能形成 超临界状态 ； 在井深 1 3 0 0 1T I 处 ，环空内温度达最 大值 。为 4 2 ． 8 1℃ ； 在井深 5 0 0 1 T I 处 ，地层温度与 环空 内温度相同， 为 3 2 ． 8 2 ； 出 口温度为 2 2 ． 0 5 。 ②当井深为 2 5 0 0 IT I 时，钻具内温度在井深 1 8 0 0 m 处为超 临界温度 ，在钻头处的温度为 3 8 ． 3 8℃ ； 进 入环空后 ，温度继续升高 ，在井深 1 8 0 0 m处达到 最大值 ，为 5 5 ． 9 3℃ ； 在井深 1 1 0 0 I T I 处温度与地 层相同，为 4 8 ． O 4 c 【 ； 出口温度在 2 2 ． 9 7℃。 1 2 0 ， 古 汨 0 0 0 、 一钻具内温度2 m 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 井深， m 图 2 超临界二氧化碳钻井流体在不同井 深下循环钻具 内和环空 的温度剖面 图 对比 3个井深温度剖面可知， 随着井深的增加， 钻具内临界温度 出现 的井深会上移 ，环空内最大温 度值会增加 ，出现最大温度的井深会下移 ，与地层 温度重合点会下移 。 3相 同井深不 同尺寸井眼温度对 比。如果该 井使 用 西1 5 2 ． 4 mm钻 头 、西7 3 ． 0 2 5 mm 钻杆 内 径为 6 2 ． 0 5 mm， 外径为 7 3 ． 0 2 fi l m进行钻进 ，而其 它参数与上例相 同，分别计算钻杆 和环空 内温度， 并将数据与上例数据绘制在一起进行比较，结果见 图 3 。从图 3可知 ，对 于 1 5 2 mm井 眼，钻具 内 最大温度为 l 6 ． 2 2℃，不能进入超临界状态 ； 环空 内最大温度为 4 2 ． 4 9℃，环空出 口温度为 3 1 ．4 7 o C； 随着井眼增大 ，钻具内和环空 内温度都降低 ，其原 因是随着井眼尺寸增加 ，井眼和环空的对流换热系 数都在降低 ，另外 ，为 了维持同样下行和上返速度 ， 进入井眼的C O 流量大大增加， 这 2 方面共同作用， 使井内 C O 的温度较低 ； 通过对比可知，超临界二 氧化碳钻井液适合微小井眼钻井。 1 2 0 l O 0 8 O 6 0 4 O 2 0 0 0 5 0 0 l 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 井深／ m 图 3 超临界二氧化碳钻井液在不同井 径钻具内和环空的温度剖面图 4 结 论 1 ． 超临界二氧化碳钻井液井眼温度传递模型能 够解决该钻井流体在井眼任意井深处温度 的计算 。 2 ． 超临界二氧化碳钻井液在钻具内的温度随井 深增加而升高 ，但不是线性增加 ； 在环空 内得温度 先增加 ，达到一个最大值后再下降。 3 ． 随着井深的增加 ，钻具内二氧化碳临界温度 出现的井深上移，环空内最大温度值增加，出现最 大温度的井深会下移 ， 与地层温度的重合点会下移。 4 ． 小井眼所需的二氧化碳流量小且二氧化碳与 地层和钻具的对流换热系数均较高 ，因此超临界二 氧化碳钻井液适合微小井眼钻井。 参 考 文 献 [ 1 ] K o l l e J J ． C o i l e d T u b i n g D ri l l i n g wi t h S u p e r c r i t i c a l C a r b o n Di o x i d e ． S PE ／ P e t r o l e u m S o c u e t y o f CI M 6 5 5 3 4 ． 【 2 】 G u p t a A P ． F e a s i b i l i t y o f S u p e r c r i t i c a l C a r b o n D i o x i d e a s a Dr i l l i n g F l u i d f o r De e p Un d e r b a l a n c e d Dril l i n g Op e r a t i o n ． s PE 9 69 9 2 [ 3 】 李孟涛，单文文，刘先贵，等 ． 超临界二氧化碳混相驱 油机理实验研究 [ J ] _ 石油学报，2 0 0 6 ，2 7 3 8 0 I 8 3 ． [ 4 ] 程杰成，朱维耀，姜洪福 ． 特低渗透油藏 C O 驱油多 相渗流理论模型研究及应用 [ J ] ． 石油学报， 2 0 0 8 ， 2 9 2 2 4 6 2 5 1 ． 【 5 】 叶建平 ，冯三利 ，范志强 ，等 ． 沁水盆地南部注二氧化 碳提高煤层气采收率微型先导性试验研究 [ J 1 ． 石油学 报，2 0 0 7 ，2 8 4 7 7 8 0 ． [ 6 ] 胡德栋，王威强 ． WN N优化模型在模拟超临界二氧化碳 固体溶解度的应用 【 J ] ． 天然气工业，2 0 0 8 ，3 3 3 7 5 7 7 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 6 2 5 ；HG F 1 0 0 6 N8 ；编辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m