超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究.pdf

第 4 O卷 第 2期 2 0 1 2年 3月 石 油 钻 探 技 术 PETR LEUM DRI I LI NG TE CHNI QUE S Vo 1 ． 4 0 No ． 2 M ar ．， 2 Ol 2 专 家视 点 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ．2 01 2 ． 0 2 ．0 01 超 临界 二氧化碳钻 井流体关键技术研究 邱正松 ， 谢彬强 ， 王在明 ， 沈忠厚 1 _中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东青岛 2 6 6 5 8 0 ； 2 ．中国石油冀东油 田分公司钻采工艺研究 院， 河北唐 山 0 6 3 0 0 0 摘要 超 临界二 氧化碳 钻井技 术是利 用超 临界二 氧化碳 作为钻 井流体 的一种 新型钻 井方法 ， 具有 能有效驱 动 深井井下马达 ， 控制 井底 压力容 易， 破岩 门限压力低 、 破岩速度快 ， 能防止储层损 害等优 点 ， 但 成功利 用超 临界二 氧化碳钻 井技 术的关键 是充分 了解超 临界二氧化碳钻 井过程 中井筒 中二氧化碳流体 的温度和压 力分布 。为此 ， 建 立了考虑 并筒流体与地层换热对 井筒流体 温度 影响的 并筒传热模 型 ， 根 据 能量 守恒原理 ， 推 导 出了井筒流体 温度 计算模型， 并考虑到钻井过程中可能钻遇水层的情况， 对该计算模型进行 了修正； 利用有限元方法， 推导出了井筒 内二氧化碳钻井流体的压力计算公式。实例计算表明 钻杆 内二氧化碳流体的温度和压力随井深增深而增大， 但 与井深的 关系是非 线性 关 系； 钻杆 内二氧化碳 流体 的 密度 随 井深的增加 而减 小 ， 但 到近钻 头处开始 增大 。环 空 中 的压力随 井深 的增加 而增 大 ， 但 两者 的关系也是 非线性 关 系； 环 空中的温度 随井深增加先升 高后 降低 ； 环空 中的二 氧化碳密度随 井深增加 而增 大， 但 两者为非线性 关 系。 关键词 超 临界 二氧化碳 钻井流体 温度分布 压 力分布 中图分类号 TE 2 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 0 8 9 0 2 0 1 2 0 2 0 0 0 1 0 7 Ke y Te c hn o l o g y o n Dr i l l i ng Fl i u d o f S u pe r c r i t i c a l Ca r b o n Di o x i d e Q i u Z h e n g s o n g ， X i e B in q i a n g ， Wa n g Z a i m i n ， S h e n Z h o n g h o n 1 ．C o l l e g e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Hu a d o n g ， Q i n g d a o ， S h a n d o n g， 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a ； 2 ．Dr i l l i n g P r o d u c t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， P e t r o C h i n a J i d o n g O i l f i e l d C o mp a n y， T a n g s h a n， He b e i ， 0 6 3 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e 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 S C_ CO2 d r i l l i n g t e c h n o l o g y i s a n e w t y p e o f d r i l l i n g me t h o d ， wh i c h h a s t h e a d v a n t a g e o f e f f e c t i v e d r i v i n g o f d o wn h o l e mo t o r i n d e e p u n d e r b a l a n c e d r i l l i n g， e a s y c o n t r o l o f d o wn h o l e p r e s s u r e ， l o w t h r e s h o l d p r e s s u r e a n d f a s t s p e e d o f r o c k b r e a k i n g ， p r e v e n t i n g r e s e r v o i r d a ma g e e t c ． Th e k e y i n s u c c e s s f u l u s e o f S C - CO2 d r i l l i n g t e c h n o l o g y i s f u l l y u n d e r s t a n d i n g t h e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e c a r b o n d i o x i d e f l u i d s i n we l l b o r e d u r i n g t h e d r i l l i n g p r o c e s s ． Th e r e f o r e ， t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l t a k i n g i n t o a c c o u n t o f t h e e f f e c t s o f h e a t e x c h a n g e b e t we e n t h e we l l b o r e f l u i d a n d t h e f o r ma t i o n o n we l 1 f l u i d t e mp e r a t u r e wa s s e t u D ． Th e mo d e l f o r we l l b o r e t e mp e r a t u r e c a l c u l a t i o n wa s d e r i v e d b a s e d o n e n e r g y c o n s e r v a t i o n p r i n c i p l e ． I n t h e c a s e o f e n c o u n t e r i n g wa t e r l a y e r ， t h e mo d e l wa s r e c t i f i e d ． W i t h t h e f i n i t e e l e me n t me t h o d ， t h e we l l b o r e p r e s s u r e a n d p r e s s u r e l o s e c a n b e c a l c u l a t e d ． Ca s e c a l c u 1 a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e o f c a r b o n d i o x i d e f l u i d i n t h e d r i l l p i p e i n c r e a s e s wi t h t h e d e p t h． b u t t h e r e l a t i o n s h i p o f t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e wi t h d e p t h i s n o n - l i n e a r ． Th e d e n s i t y o f c a r b o n d i o x i d e f l u i d i n d r i l l p i p e d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f d e p t h， b u t i t b e g i n s t o i n c r e a s e n e a r d r i l l b i t ． An n u l u s p r e s s u r e i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e d e p t h， b u t t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e t wo i s n o n - l i n e a r ． W i t h t h e i n c r e a s e o f d e p t h， t h e t e mp e r a t u r e i n a n n u l u s i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n d e c r e a s e s ． Th e d e n s i t y o f c a r b o n d i o x i d e i n c r e a s e s wi t h t h e d e p t h i n a n n u l u s ， b u t t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e t wo i s a l s o n o n l i n e a r ． Ke y wo r d s 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 ； d r i l l i n g f l u i d； t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ； p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n 在气体钻井和欠平衡钻井 中通常使用空气或氮 气作为钻井流体 ， 但 空气易爆炸 ， 氮气 由于密度低 ， 不能为井下动力钻具提供足够 的动力 ， 如果使用泡 沫钻井流体 ， 难以在全井实施欠平衡钻井 。2 O世纪 末出现的超临界二氧化碳钻井技术 ， 在欠平衡钻井 中具有能有效驱动深井井下 马达 ， 控制井底压力容 收稿 日期 2 0 1 卜O 8 2 7 ； 改回日期 2 0 1 2 0 2 0 8 。 作者简介 谢彬强 1 9 8 1 ， 男， 山东淄博人 ， 2 0 0 ,1 年 毕业于西南 石油学院应用化学专业 ， 2 0 0 6年获西南石油大学油气井工程专业硕士 学位 ， 在读博士研 究生， 主要从事油田工作液及储层保护 方面的研 究。 联 系方式 0 5 3 2 8 6 9 8 1 7 0 5 ， x i e b i n q i a n g l 9 8 1 1 6 3 ． c o m。 通讯作者 邱正松 ， q i u 6 3 s i n a ． C O l D _ 。 基金项 目 国家 自然科学基金重点项 目“ 超临界二氧化碳在非常 规 油气藏中应 用的基础研究 5 1 0 3 4 0 0 7 ” 部分研 究内容 。 石 油 钻 探 技 术 易 ， 破岩门限压力低、 破岩速度快 ， 防止储层损害等 优点， 得到了国内外的广泛关注_ 】 j 。2 0 0 5年 ， 美 国 已在连续管小井H l wJ 钻井中成功进行了超临界二氧 化碳钻井试验 。国外初步研究表明口 ] ， 利用超 临 界二氧化碳黏度小 、 扩散能力强、 密度大、 流动性好 的基本特性 ， 能较好地解决欠平衡钻井， 特别是小井 眼连续管欠平衡钻井过程中存在 的井下安全 、 井下 动力钻具驱动 、 井底压力调控等 问题。要成功利用 超临界二氧化碳钻井技术钻井 ， 必须了解井眼 内二 氧化碳流体的温度和压力 的分布规律 。为此， 笔者 在分析超临界二氧化碳流体特性的基础上 ， 建立了 计算井眼内二氧化碳流体温度 、 压力的数学模型， 以 期为超临界二氧化碳钻井基础理论研究提供参考。 1 超临界二氧化碳钻井的技术优势 超临界二氧化碳是指处于临界温度 3 1 ． 1℃、 临 界压力 7 ． 3 8 MP a 之上 的二氧化碳流体 ， 其具有黏 度低 、 扩散系数大 、 密度大 、 流动性好、 溶解能力强和 传质性强等特性 。超 临界二氧化碳 自扩散系数 、 黏 度接近于气体 ， 具有近似于气体的流动特性 ， 这有助 于提高其运动速度和分离传质速率。超临界二氧化 碳的密度约为液体 的 1 ／ 3 ， 这使其具有类似液体 的 溶解能力 ， 且其溶解能力 随温度 、 压力 的变化 而变 化 。此外 ， 超临界二氧化碳的表面张力为零 ， 不存在 毛细管力 ， 可以进入任何大于超 临界二氧化碳分子 的空问。由于其密度 、 黏度 、 扩散性等方面的特殊性 质 ， 超临界二氧化碳钻井具有以下技术优势[ 引 1 超临界二氧化碳与液体类似 的较高密度能 为欠平衡连续管钻井过程 中井底动力钻具提供足够 的动力 。 2 从钻头喷嘴到环空， 二氧化碳的密度和黏度 变化较大 ， 而密度和黏度是影 响钻井流体携岩性能 的 2 个主要 因素 。通过控制二氧化碳 的密度 和黏 度 ， 可以达到高效携岩 目的， 并且在钻井过程中可通 过控制井 口回压 来调控 环空 压力 ， 实现 控制压 力 钻 井 。 3 由于超 临界二氧化碳 的低 黏、 易扩散等特 性 ， 使其水楔作用突出， 且超临界二氧化碳表面张力 为零 ， 无毛细管作用 ， 能够进入到任何大于其分子的 空间 ， 易渗入到裂隙深部 ， 使裂隙深部流体与高压射 流流体连通为统一的压力体 ， 可增大作 用在岩石裂 隙内表面上 的压力 ， 降低破岩 门限压力 ， 提高破岩 效 率 。 4 超临界二 氧化碳流体侵 入储层后 ， 能有效 保护储集 层、 提 高采 收率。因为超 临界 二氧化 碳 流体密度大 ， 具有很 强的溶解能力 ， 能溶解 近井地 带 的重油组分和其他有机 物 ， 降低表皮 系数 ， 减小 近井地带油气流 动 阻力 ； 超 临界二氧 化碳 流体能 使储层中的黏土脱水收缩 ， 从 而增大孔 隙度 ； 它还 能降低原油黏度 ， 使原油体 积膨胀 ， 有利于原油 流 动 ， 提高采收率 。 5 二氧化碳来源广 ， 成本低 。目前我国已发现 2 8个二氧化碳气 田， 仅江苏黄桥二氧化碳气 田可采 储量达 2 1 0 t 。另外 随着烃能源的发展 ， 将产生 大量的二氧化碳副产品。在超临界二氧化碳钻井过 程中， 地层要消耗、 吸收二氧化碳 ， 因此， 应用超临界 二氧化碳钻井技术有利于保护环境 。 2 超临界二氧化碳钻井流体温度、 压 力计算模型 2 ． 1 超临界二氧化碳流体基本物理参数计算 由于在较高温度和压力下 ， 应用 P e n - R o b i n s o n 方程计算二氧化碳密度 、 等压热容等参数时， 误差较 大 ， 于是 S p a n和 Wa g n e r 利用亥姆霍兹 自由能推导 出了专用于二氧化碳的状态方程 ， 其适用于更宽 的 温度 、 压力范围， 且计算精度更高 。 无因次的亥姆霍兹 自由能可表示为 F p ， T ／ R 丁 1 式中 为无因次亥姆霍兹 自由能 ； F ， T 为亥姆 霍兹 自由能 ； 为相对密度 ， P r p i p ； l0 为密度 ， k g ／ i n 。； l0 。为临界密度 ， k g ／ m。 ； T 为对 比温度 ， T 一T／ ； T为温度 ， K； 为临界温度 ， K； 尺 为普通气体 常数 。 无 因次 的亥姆霍兹 自由能可 以分为理想部分 和残余部分 ， 如下式 P T ， 丁 一 。 ， T ， T 2 其中 P r ， T r l n p a a 2 T a 2 i n T - - 8 ∑以 I n 1 ～e -- T 一0 9 。 3 4 7 3 4 ， T 一∑ T l ． d rn∑” ID n l 一 8 3 9 ∑ 17 d e [ 。 T r 。 I 一 3 5 4 2 ∑r t i 10 r e [ 一 ‘ ‘P r- D i ‘ T r 1 2 4 第 4 O卷第 2 期 邱正松等． 超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究 △一 { 1 一 rf r A E p 一 1 。 ] B E p 一 1 。 5 式中 为理想部分无 因次亥姆霍兹 自由能 ； 为 残余部 分无 因次 亥 姆霍 兹 自由能 ； n ， 以 2 ， 2 ， a ， 3 ， Y ／ ， d ， e ， ， ， ， a ， A ， B ， D 为非解析系数 ； △为中间变量 。 从无 因次亥姆霍兹 ta由能公式可推导出压缩因 子 Z和等压热容 C ， 推导过程见参考文献[ 6 ] 。 z 一 一 1 6 一 一 丁 r 。 ， 一R[ -- 啦 1- I-嚎 2 p 2 ] 嚷 嘴 一 式中 Z为压缩 因子 ； 为物质的量 ， mo l ； P ， r r 5 ； - p 、 T 相 关 的 压 力 函 数 ， P a ； 一 ； 为 等 压 热 容 ， J ／ k g K ； 一 ； 略一 笨 ；啦 一 ％一 器 。 由方程 p Vn Z RT， 求出体积 ， 便可求得二氧 化碳密度 P 。 fD一 8 由于 C h u n g等人 的估算方法在计算极性 和非 极性化合 物稠 密 或 稀 薄 气体 黏 度 的误 差 小 于 5 E ， 因此 ， 可采用 C h u n g方法计算二氧化碳 流体 黏度 7 7 。 】 7 一 7 。 9 7 *一 F 。 E 6 y 一 1 0 式中 M 为分子质量 g ； 7 7 为黏度 ， mP as ； V 为 临 界体积 ， c m。 ； T 一1 ． 2 5 9 3 T r ； F 一l 一0 ． 2 7 5 6 o , 0 ． 0 5 9 0 3 5 4 IC ； A T C e x p 一 DT E e x p 一F T ； ∞为偏 心系数 ； 为 无 因次偶 极 距 ； 为高极性物 质 如醇 和酸 的专 项校 正系数 ； p 为单位体积 的物质 的量 ， mo l ／ c m。 ； A一1 ． 1 6 1 4 5 ； B O ． 1 4 8 7 4； C 0 ． 5 2 4 8 7； D 一 0 ． 7 7 3 2 O； E一 2 ． 1 6 1 7 8； F 2 ． 4 3 7 8 7 ； Y ． G J 一 寺； G z E l [ 1 --e x p --E 4 y ] ／ y - *- E e G 1 e x p 星 E1 E E2 E。 叩 一 E 7 Y G2 e x p [ E8 E9 T 。 ] ； E。 一口 6 4 - C C P r 一1 ， 2 ， ⋯， 9 ； a i ， b ， 的求取方法见 参考文献 [ 7 ] 。 2 ． 2 超临界二氧化碳流体温度传递模拟计算 由于超临界二氧化碳 的压力、 密度等物理参数 对温度极为敏感 ， 在临界点附近或环空中温度 、 压力 的微小变化都会对其流动性、 溶解性 、 密度 、 传质性 等性质造成很大影响。因此 ， 在计算超临界二氧化碳 钻井环空中气流的温度时必需考虑地层与井眼流体 进行热交换的影响， 以准确计算环空 中气流的温度 ， 为超临界二氧化碳流体的应用提供理论基础E 4 , 8 - 9 ] 。 在超临界二氧化碳钻井过程 中， 有导热和对流 两种热量传递方式 井壁与流过的二氧化碳通过对 流方式进行热量传递 ； 钻具外壁与内壁通过导热方 式进行传递热量 ； 钻具 内壁与流过它 的二氧化碳流 体通过对流方式进行 热量传递 。假设l 4 ] 1 二氧 化碳流体在钻具和环空 中作一维稳定流动； 2 不考 虑二氧化碳相态变化引起的能量变化 ； 3 地层和环 空流体之间为线性热传递 ， 且不考虑纵向上 的热传 递 ； 4 在距离钻头足够远 的位置 ， 温度不受井筒内传 热的影响； 5 忽略钻具 、 钻头产生 的热量 ； 6 不考虑 岩屑体积对井筒流体温度和压力的影响。建立的超 临界二氧 化碳 流 体钻 井井 筒 流 动与 温度 传 递模 型l 4 ] 如图 1 所示 。 Q Q B Q 图 1井 筒 传 热 模 型 Fi g ．1 W e l l b o r e he a tt r a ns f e rmo de l 地层 向环空流体传递 的热量为 Q 一 i Tw b d L 1 1 q mg s』D 式中 k 为地层导热 系数 ， W／ m K ； q ～ 为环空 混和流体质量流量， k g ／ s ； T e 。 为地层温度 ， K； T w 1 为 井壁温度 ， K； L为井深 ， m。 环空 中和钻具中的对流换热量分别为 Q L一 C g p T L 1 2 Qd L一 C g ， Td L 1 3 石 油 钻 探 技 术 钻具 内流体与环空流体进行传递的热量为 Qd a一 Td Ta d L 1 4 p 式中 一 Ka a ； d a i 为钻杆 内径 ， m； Ka a 为钻井流 体循环时钻柱内流体与环空内流体之间的综合传热 系数， W／ m。 K ； C g p 为钻杆内气体定压 比热容 ， J ／ k g K ； T 为钻柱内流体 的温度 ， K； ，f a 为环空 中 流体的温度 ， K。 环空 内轴 向流人 和流 出单 元 的热 量分 别 为 Q Ld L 和 Qa L ， 在径 向上传人钻具 内流体 的 热量为 Q 在径 向上 由井壁传人环空 内流体 的热 量为 Q， 根据能量守恒定律得 Q L d L 一 Q L一 Qd a Q 1 5 则 C [ Ld L 一 L ]一 Q d a Q 1 6 井壁与环空流体传递的热量为 QF 2 d a Kd a Tw b To d L 1 7 qm g s 联立式 8 和式 1 4 消去 T w b 得 式 中 ， c 为 环 空 气 固 混 合 流 体 定 压 比 热 答 ， J ／ k gK 。 钻具 内流体与环空混相流体传递的热量为 Q da 一 罄 T a T a d L 2 4 式中， 一 C 兀 a P q 。 r Ka g s 。 环空内与钻具 中流体 的温度关系为 T a T a q - p a 面d T d 2 5 式中 一 C g p q m g ； q 嘴 为钻 杆 内气 体质 量 流量 ， k g ／ s 。 将式 2 3 和式 2 4 代人式 1 6 得 瓦 dTa 一 ／ T a T d - la T e。 一 T a 一 。 2 6 联立式 2 5 和式 2 6 得 a a P d 一 d 腼 d r d T a T 。 一 。 2 7 求 解 式 2 7 就 可求 得 地 层 7 k 侵 入时 ， 环 卒 混 合 Q一 T i Ta d L 1 8 流体与钻具内流体的温度 。 厂y 式中 a 一 ； d 为井 眼直径 ， m； 2 ． 3 超临界二氧化碳循环压力模拟计算 K 为钻井流体循环时环空 内流体与地层之间的综 合传热系数 ， W／ m。 K 。 将式 1 4 和式 1 8 代入式 1 6 得 a 一 T a ～ T d 号一 T o。 一 T a 1 9 由于钻具中的能量守恒 ， 因此可得 Qd L d L一 Qd L一 Qd 2 0 由式 2 0 得 Ta Td 2 1 联立式 1 9 和式 2 1 得 q 8 d e T d 一 |8 一 T 一 0 2 2 对式 2 2 求解即可确定钻具内和环空中二氧化 碳流体的温度 。 在超临界二氧化碳钻井过程中， 可能会钻遇地 层水 ， 地层水的侵人会直接影响到井筒 内流体温度 的变化 ， 因此 ， 必须对传热模 型进行修正 ， 以提高计 算精度[ 4 ] 。如图 1 所示 ， 从井壁地层到环空混相 流体传递的热量为 Q 一 Te 一 TA d L 2 3 超临界二氧化碳具有较好的可压缩性 ， 其密度 在钻具内是连续变化 的， 因此在计算井眼压 力时不 能使用理想气体状态方程， 但可用有 限元法对其进 行求解。假设 井段微单 元 d L内二 氧化碳 密度不 变 ， 则钻具 内流体的压力损失可表示为 舞 2 8 式 中 P为计算井深处的压力， P a ； P m 。 为计算井深处 混合流体的密度 ， k g ／ m。 ； f为摩阻系数 ； 为计算井 深处的流体速度 ， m／ s ； d 。 为钻杆外径 ， m。 对于钻具 内的流体 ， 井深增加 d L 时的压力 可 表示为 d p a P m ixg 1 一 ] d L 2 9 由于钻具内表面的平均粗糙度很小 ， 可将其看 做水力光滑管 ， 此时二氧化碳流体摩擦 系数 的计算 公式为[ ] 厂一 3 0 式中， R 为雷诺数 ， R 一 。 设环空 中包含岩屑等固相成分的二氧化碳为一 第4 0卷第2期 邱正松等． 超临界二氧化碳钻井流体关键技术研究 单相混合流体 ， 则沿环空微单元 d L上的压力 d p 可 表示 为 [ 1 2 1 3 ] 一 ‰g[ 1 ] d L 3 1 粗糙裸 眼井段 流体流动 的摩 阻系数 _ 厂的计算 公式为 f l 1 ． 7 4 -- 2 1 g 2 e ／ d c 。_J 3 2 其 中 一 e p d p q -e L d 将式 3 2 代人式 3 1 ， 积分后 可得环空压力 的 计算公式 T 乏 百2a 3 3 其 中 一 南 挚] L R T。 6 一 P o 式 中 e 为井壁绝对粗糙度， m 为钻柱和套管 的绝 对粗糙度 ， m 为裸眼井段的绝对粗糙度 ， m； L 为 套管鞋井深 ， m； P 为环空 出 口处 的地 面压力 ， P a ； 丁 ， 为环空 出 口处 的地面温度 ， K； R为气体常数 ； G 为地温梯度 ， K／ m； K 为机械钻速 ， m／ s 为岩屑密 度 ， k g ／ m。 ； P 为实际作业井 口的压力 ， P a ； T o为实 际作业井 口的温度 ， K； q为井 口注气量 ， m。 ／ s 。 3 计算实例 利用文献[ 2 ] 中超临界二氧化碳试验井的参数 ， 应用 以上推导的模 型， 分别计算在不同井深处 ， 钻杆 内和环空中的温度 、 压力 和密度等参数 。试验井井 深3 0 0 0 m， 井底温度 1 0 5 o C， 流速 1 ． 7 k g ／ s ， 钻杆 内 径 2 2 ． 9 mm， 钻 杆外 径 3 1 ． 8 mm， 钻 头外 径 8 9 ． 0 mm， 井 口泵 压 3 5 MP a ， 入 口温度 0 o C， 回压 5 MP a ， 设定地层温度梯度为 0 ． 0 3℃／ m。 计算可得 ， 钻杆 内截面积 为 4 ． 6 1 0 _ 。m。 ， 环空截面积为 5 ． 4 1 0 m ， 钻杆 内二氧化碳流速 为 3 ． 8 3 m／ s ， 钻杆 内雷诺数为 1 ． 0 5 4 1 0 。环空 回 压为 5 MP a ， 查 表 可 得 二 氧 化 碳 密 度 约 为 0 ． 1 5 g ／ c m ， 环 空 流 量 为 1 ． 0 5 1 4 1 0 m。 ／ s ， 二 氧化 碳 上返 速度 为 1 ． 9 4 7 m／ s ， 环空 雷诺 数为 1 ． 3 4 1 0 。 二氧化碳平均温度约为 5 2 ． 5℃， 查表可得二氧 化碳的运动黏度为 8 ． 3 2 1 1 0 m ／ s ， 导热系数为 1 ． 6 5 7 2 1 0 w／ m o C ， 动力 黏度为 1 4 ． 9 5 8 1 0 P aS ， 普朗特数 Pr O ． 7 0 3 。 钻柱 的水力直径为 5 7 ． 2 mm， 钻杆和套管的粗 糙度为 0 ． 0 4 5 mm， 井眼的粗糙度为 2 ． 5 mm。 根据人 口的温度和压力 ， 南密度模 型可求得此 时二氧化碳流体密度为 1 ． 1 2 2 5 k g ／ I ， 由人 口流速 可算出二氧化碳流体下行速度为 3 ． 6 7 8 3 m／ s 。 利用对流换热系数的计算公式 1 4 1 5 可分别求得 钻具 内和环 空 中 的对 流换 热 系数 K 一2 3 ． 9 w／ m ℃ ， K 一 1 1 ． 5 9 W／ m。 o C 。将 以上各参 数代人计算模型 ， 即可得到井筒内二氧化碳流体的 温度 、 压力 、 密度等参数 。 3 ． 1 井筒温度计算结果 图 2为超临界二氧化碳钻井 时， 钻杆 内和环空 中的温度分布曲线 。从 图 2可 以看出 钻杆 内二氧 化碳流体的温度随井深的增加而升高， 但 为非线性 关系 ； 在井深 1 7 0 0 m 处 温度为 3 0 5 ． 2 4 K ， 二氧 化碳流体变为超临界状态 ， 温度随井深增加继续升 高 ， 在钻头处达到最高 3 2 3 ． 8 6 K ； 在环空中， 二氧 化碳从井底循环 到地 面的过程 中温度先升 高后 降 低 ， 在井深 2 2 0 0 m 处 温度达 到全井 最高 3 4 2 ． 6 7 K ； 在井深 1 5 0 0 m 处， 环 空 内温度 与地 层温度相 同。从图 2 还可看 出， 在任一井深处地层温度始终 比钻杆内流体的温度高 。 图 2 井简温度分布 Fi g ． 2 W e l l b o r e t e mp e r at u r e di s t r i bu t i o n 石 油 钻 探 技 术 3 ． 2 井简压力计算结果 图 3为超临二氧化碳钻井 时， 钻杆 内和环空中 的压力分布 曲线 。从图 3可看出， 随着井深的增加 ， 钻杆内压力、 环空压力都在升高 ， 但与井深 的关系均 为非线性关系 。这是 因为钻杆 内摩擦系数随井深增 加而增大， 造成压力损耗增加 ， 使单位井深压力增量 减小 。在井深 1 6 0 0 IT I 处 ， 钻具 内二氧化碳变 为超 临界状态 ； 到达钻头位置处 ， 钻具 内流体压力达 到 5 4 ． 4 6 5 8 MP a ， 该高压高密度流体将 有利于射流破 岩。环空压力由井 口回压 、 二氧化碳流体静液柱压 力和流体上返时产生的摩擦损耗 3 部分组成。静液 柱压力 由流体密度决定 ， 而二氧化碳在井 内的密度 是变化 的， 因此静液柱压力也是变化的。摩擦损耗 产生的压力与井 内的摩擦 系数 、 井 内二氧化碳 流体 密度 、 二氧化碳流体返速有关 ， 在计算时除摩擦系数 使用平均值外 ， 二氧化碳流体 的返速 随密度 的变化 而变化 ， 因此摩擦产生 的压耗也是变化的。由于井 底压力随回压的增加而增大， 因此使 用二氧化碳流 体钻井时 ， 可以通过调控井 口回压来控制井底压力， 从而实现控制压力钻井 。 图 3 井筒压 力分布 Fi g ．3 W e l l bo r e pr e s s ur e d i s t r i b ut i o n 3 ． 3井筒流体密度计算结果 图 4为超临界二氧化碳钻井时 ， 钻杆内和环空 中的二氧化碳密度分布曲线 。从 图 4可 以看出 钻 杆 内二氧化碳流体密度随着井 深的增加而降低 ， 这 是因为钻杆内流体 的温度和压力随着井深的增加而 升高， 但温度对流体密度 的影响更大 ， 因此流体密度 在降低 ， 但在 降至 1 ． 0 2 1 9 k g ／ L后 ， 其降低 的幅度 减小 ， 而在井深 2 9 0 0 m处 ， 由于钻头喷嘴的节 流作 用 ， 二氧化碳流体在近钻头处流速降低 ， 二氧化碳流 体受到挤压， 因此造成密度增大； 环空中流体密度随 井深的增加而增大 ， 但两者为非线性关系， 这是 因为 在井深 1 6 0 0 m 以浅 时， 环空二氧化碳流体处于气 态， 密度较低 ， 随着井深 的增加 ， 温度和压力均升高 压力升高速度更快 ， 从而使二氧化碳流体密度也 相应增大； 在 1 6 0 0 ～2 1 0 0 i 1 2 井段 ， 二氧化碳流体 进入超临界状态， 随着井深 的增加 ， 温度和压力升高 压力升高速度更快 ， 二氧化碳流体密度也增大； 在 井深 2 1 0 0 m 处 ， 随着井深的增加 ， 环空压力升高 ， 但温度降低 ， 两者共同作用使二氧化碳钻井流体 密 度增大速度更快 。 ＼ 粕 图 4井筒 内二氧化碳密度分布 Fi g ．4 De n s i t y di s t r i bu t i o n o f c ar bo n d i o x i de i n we l l b or e 4 结论与建议 1 通过建立井筒传热模型， 推导