超临界CO_2钻井井筒压力温度耦合计算.pdf

2 0 1 1年 2月 石油勘探与开发 PE TROLEUM EXPL0RAT1 0N AND DEVE LOP M ENT Vo L 3 8 NO ． 1 9 7 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 1 O l 一 0 0 9 7 0 6 超临界 C O2 钻井井筒压 力温 王海柱 ，沈 忠厚 ，李根 生 度耦合计算 中国石油大 学 北京 油气资源与探 测国家重点实验室 基金项 目国 家重点基础研 究发展规 划 9 7 3 项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 4 ； 国家 自然科 学基金 重点项 目 5 1 0 3 4 0 0 7 摘要 超临界 C Oz 钻 井过 程 中， 井筒温度和压力对 C O 的密度 、 黏度 、 导热 系数、 热容 等物性参数影响较大 ， 这些参数 的变 化对温度和压力产 生反作用 。利 用 S p a n Wa g n e r 基 于亥姆霍兹 自由能 的气体状态参数 计算方法 ， 建立 了超 临界 C O 钻 井 井筒压力 温度耦合 计算模 型， 并 以超 临界 C O 连续油管钻 井为例进 行 了实例分 析。计算 结果表 明， 钻杆 压力和 环空压 力 都随着井深 的增加 而增 大， 钻杆 内的 c 0 z 相态变化点 比环 空深 5 0 m； 钻杆 中温度 略低 于环 空中的温度 ； 随着 井深的增加 ， C 0。 密度缓慢 降低 ， 变化率逐渐减小 ； 距井底 2 0 m 深处 ， 环空 中 C O 密度突然增 大， 钻 杆 中 C O 。 密度也有 所增大。本 文模 型与文献 中采用 P R状态方程的计算结果相差较大 ， 主要原 因是文献 中的模 型没有考 虑井筒中 c 0 物性参 数的变化及其 对温度和压力 的影 响， 本文模型计算精度高 。图 4表 2参 2 5 关 键词 超 临界 C O z ； 钻 井；井筒温度 ；井筒压力 ； 耦合计 算 中图分类号 TE 2 4 2 ． 9 文献标识码 A W e l l bo r e t e m pe r a t u r e a n d pr e s s u r e c o u p l i ng c a l c u l a t i o n o f d r i l l i ng 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 W a ng H a i z hu，She n Zh o ngh ou，Li Ge n s h e ng S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m Re s o u r c e a n d Pr o s p e c t i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ，Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t W e l l b o r e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e h a v e g r e a t i nf l u e n c e o n C02 d e ns i t y，v i s c os i t y，t h e r ma l c o n d uc t i vi t y，he a t c a p a c i t y a n d o t h e r p h y s i c a l p r o p e r t i e s ， t h e c h a n g e o f t h e s e p a r a me t e r s v e i l l r e a c t a g a i n s t t h e we l l b o r e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e ． Th e He l mh o l t z f r e e e n e r g y s t a t e e q u a t i o n o f g a s p u t f o r wa r d b y S p a n a n d W a g n e r wa s a d o p t e d t O b u i l d t h e p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e c o u p l i n g c a l c u l a t i o n mo d e l ，a n d c o i l e d t u b i n g d r i l l i n g wa s t a k e n a s a n e x a mp l e f o r a n a l y s i s ．Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r e s s u r e o f d r i l l pi p e a nd a n nu l a r i nc r e a s e s wi t h t h e we l l d e p t h i nc r e a s i ng，a nd t he s t a t e c ha n g e po i n t i n t he d r i l l p i p e i s 5 0 me t e r s d e e pe r t h a n t ha t i n t h e a n n ul a r ．The t e mp e r a t u r e i n t he dr i l l p i p e i s a l i t t l e l o we r t ha n t h a t i n t he a nn u l a r ．The de ns i t y o f CO2 d e c r e a s e s s l o wl y wi t h t h e we l l d e p t h i nc r e a s i ng，a nd t h e c h a n ging r a t e d e c r e a s e s g r a d ua l l y ．At t h e de pt h o f 2 0 me t e r s t O t he b o t t o m ho l e，t he d e n s i t y o f C O2 i n t h e a n n u l a r i n c r e a s e s a b r u p t l y，a n d t h e d e n s i t y o f C02 i n t h e d r i l l p i p e i n c r e a s e s t o o ． Th e c a l c u l a t i o n e r r o r b e t we e n t he p r o p os e d mo d e l a n d t he P _ R mod e l i s l a r ge ．t he ma i n r e a s o n i s t h a t t h e r e f e r e nc e d mo de l do e s n’ t c o n s i d e r t he p hy s i c a l p a r a me t e r s c h a n ge a n d i t s i nf l u e n c e o n t h e t e mp e r a t u r e a n d pr e s s u r e，a n d t he pr o p os e d mod e l h a s a hi g h c a l c u l a t i n g pr e c i s i o n ． 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；we l l b o r e t e m p e r a t u r e ；we l l b o r e p r e s s u r e ；c o u p l i n g c a l c u l a t i o n 0引言 超临界 c 2 钻井就是利用超临界 C O 2 作为钻井流体 的一种 钻井 方 式 ， 是 2 O世 纪 末 兴起 的一 种 新 型钻 井 技 术 。超 临界 C O 2 具 有密度大 、 黏度低 、 井 眼清洁能力 强等 优点。超临界 C O 。 流体射流容易破碎坚硬的页岩、 大理 岩以及花岗岩 ， 其破岩门限压力比水射流要小得多， 约为 水射流的 4 0 ～6 O ， 并且能够达到较高的机械钻速。 与水射流钻井相比， 在相同的地质环境下钻进 ， 其钻井速 率提高 3 4倍 ， 有时甚至达 6倍 以上。破岩所需 比能 S E 比能 S E为破岩所需水力、 机械能量与破碎剥落的岩 石体积E L 仅为水力钻井时的 2 0 甚至更低_ 1 ] 。 由于超 临界 C O。 钻 井 的独 特 优 势 ， 吸 引 了众 多 科 学家 和工 程 师 的广 泛关 注 。而 目前 只有 美 国进行 了较 为系统的研究 ， 国内中国石油大学 只进 行了一些探 索 性 研 究 。本 文 在 大 量 文 献 调 研 的基 础 上 ， 针对 超 临 界 C O 流体 的特殊性质 ， 对钻井过程 中井筒压力 、 温度分 布规 律进行 研 究 ， 该 研 究 对超 临界 C O 钻井 技 术 的 发 展 与完 善具 有 一定 的意 义 。 1超临界 C O 流体的热物理性质 C Oz 是一种无色无味的常见气体 ， 在大气中的含量 为 0 ． 0 3 ～0 ． 0 4 ， 随着工业化 的快速推进 ， c o 。 在大 气中的含量逐年增大， 已成为影响世界气候变化的主 石油勘探与开发 石油工程 Vo 1 ． 3 8 NO ． 1 要温 室 气 体 。C O 。 临 界 点 比 较 低 ， 临 界 温 度 约 为 3 1 ． 0 4。C， 临界压 力 约为 7 ． 3 8 MP a ， 一般 井 下 7 5 0 IT I 就 能 够达 到 临界 点 ， 因此 钻 井 过 程 中井 筒 中 的 C O 很 容 易 达 到超 临界态 。 超临界流体既不同于气体， 也不同于液体， 具有独特 的物理化学性质， 其密度接近于液体， 黏度与气体接近 ， 扩散系数比液体大， 具有良好的传质性能。另外 ， 超临界 C O 。 的表 面 张 力 为 零 ， 因此 可 以进 入 任 何 大 于 超 临 界 c O 。 分子的空间。在临界温度以下 ， 不断压缩 C 0 2 气体 会有液相出现， 然而压缩超临界 C O 仅导致其密度的增 加， 不会形成液相。在临界点附近， C 0 2 流体的性质有突 变性和可调性， 即压力 和温度 的微小变 化会显 著影 响 C 0 2 流体的性质 ， 如密度、 黏度、 扩散 系数 、 溶剂化 能力 等 3 ] 。C 2 相态图及密度和黏度特性见参考文献1- 6 ] 。 2超临界 C O。 物性计算 S p a n Wa g n e r 算法 采用 亥姆霍 兹 自由能计算 气体状态参数， 据文献报道 ， 温度和压力高达 5 0 0 K、 3 0 MP a时， 密度计算误差能够控制在 0 ． 0 3 ～0 ． 0 5 9 ／ 5 ， 定压热容计算误差控制在 0 ． 1 5 ～1 ． 5 0 ， 在其他温 度和压力条件下计算误差也能控制在 1 ． 5 ～3 ． 0 9 ， 6 ， 比 P R状态方程计算精度高得多。 亥姆霍兹 自由能可以由两个相对独立的变量即密 度 』。 和温度 T 来表示 ， 无量纲亥姆霍兹 自由能 一A J0 ． T ／ RT， 它可以被分为两部分 ， 一部分是理想状态 部分 。 ， 简 称 为理 想 部分 ， 另一 部 分 是残 余 部 分 。无量纲亥姆霍兹 自由能表达式为 ， r 一 西。 ， r ， r 1 其 中 p ／ p 。 r T ／ T 对方程进行 回归， 得到理想部分和残余部分亥姆 霍兹 自由能表 达式 。 理想 部分亥 姆霍 兹 自由能 表达式 为 。 ， r 一 l n 8 a 。 1 a 。 2 r a 。 3 l n r 8 ∑a o i l n E 1 一 e x p -- r 一 。 ] 2 4 残余部分亥姆霍兹 自由能表达式为 7 3 4 一 ∑z 8 d r f ∑z 8 d r ￡z e x p 一 3 9 z ir q e x p E n 一 e 一 r 一 ] 4 2 ∑l △ 。 e x p [ 一 c 一 1 一 D r 一1 ] 3 其 中 A I 1 一r A 一 1 lB 一1 4 由以上 3个基本方程可 以推导 出压缩因子、 定压 热容 、 焦耳一 汤姆逊系数等参数表达式 。 ①压缩 因子 。压 缩 因子 表达 式为 z 一 一 1 杀 5 D R T 。 a 由方程 p Vn RZ T求得体积 ， 则得 到密度 p 一 4 4 ． O 1 ／ 。 ②定 压热 容 。定 压热 容求 解方程 如下 C ， r 一 R 一 I 十 J 十 釜二 1 2 O Or 6 ③焦耳一 汤姆逊 系数。焦耳一 汤姆逊 系数求解方程 如 下 ⋯、p 一 c R 二 二 』 ‘ O O r r 3 2 o 等 ④黏度 、 导热系数。C O 。 气体的黏度和导热系数采 用 Ve s o v i c 等E 。 的计算方法 ， 常温常压下计算结果误差 在 0 ． 3 以内， 高压时能控制在 5 ． 0 9 ／ 5 以内， 能满足工 程计算要求E “ ] 。C O。 气体的黏度和导热系数可 以分 为独立的 3部分来表达， 其通用形式如下式 7 X p， T一 X。 T AX p ， T △ X p ， T 8 黏度表达式为 ff p ， T一 fr o T Aff p， T △。 ff p ， T 9 导热系数表达式 1 O 2 石油勘探与开发 石油工程 V o 1 ． 3 8 N o ． 1 面 积 ， r f l QD P ． d 1 d ⋯ Q 一 在 深度 处 钻 杆截 面流 人井 简 的热 量 ， J ； 在深度 z d z处 钻 杆 截 面 流 出井 筒 的热 量 ， J ； 喷嘴下游温度 ， K。 参考文献 [ 1 ] Ko l l e J J ．C o i l e d t u b i n g d r i 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 d i o x i d e r R ] ．S P E 6 5 5 3 4 ，2 0 0 0 ． [ 2 ] Ko l l e J J ，Ma r v i n M H．J e t a s s i s t e d d r i l l i n g w i t h 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[ R ] ．Wa s h i n g t o n T e mp r e s s T e c h n o l o g i e s I n c ． ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 韩布兴．超临界流体科学 与技术 [ M] ．北 京 中国石 化出版 社， 2 0 0 51 4 O ． Ha n B u x i n g ．S u p e r c r i t i c a l f l u i d s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y [ M ] ． B e i j i n g C h i n a P e t r o c h e mi c a l P r e s s ，2 0 0 5 1 4 0 ． [ 4 ] 彭英利 ， 马承愚．超 临界流体技 术应用 手册[ M] ．北京 化学 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 5 3 7 8 4 0 6 ． Pe n g Yi n g l i ，M a Ch e n gy u． Ap p l i c a t i o n m a nu a l o f s u p e r c r i t i c a l f l u i d t e c h n o l o g y[ M] ．B e i j in g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ，2 0 0 5 3 7 8 4 0 5 ． [ 5 ] 廖传华 ， 黄振仁．超I临界 c o2 流体萃取 技术[ M] ．北 京 化学工 业 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q u a t i o n o f s t a t e An a c c u r a t e s o u r c e o f t h e r mo d y n a mi c p r o p e r t y d a t a [ M ] ． B e r l i n S p r i n g e r Ve r l a g Pr e s s ，2 0 0 01 5 5 6 ． [ 9 ] Ve s o v i c V， Wa k e h a m W A， Ol c h o w y G A，e t a 1 ．Th e t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f c a r b o n d i o x i d e[ J ] ．J ．P h y s ．C h e m．R e f ．D a t a ， 1 99 0，1 9 3 7 6 3 - 8 0 8 ． [ 1 0 ] F e n g h o u r A， Wa k e h a m W A，Ve s o v i c V．Th e v i s c o s i t y o f c a r b o n d i o x id e[ J ] ．J ．P h y s ．C h e m．Re f ．D a t a ，1 9 9 8 ，2 7 1 3 1 4 4 ． [ 1 1 ] 里德 R C，普劳斯尼茨 J M，波林 B E ．气体和液体性质[ M] ．李 芝芬，杨怡生 ， 译．4版．北京 石油工业 出版社 ，1 9 9 4 4 2 5 5 ． Re i d R C，Pr a u s n i t z J M ，Po l i n g B E．Th e p r o p e r t i e s o f g a s e s a n d l i q u i d s [ M] ．L i Z h i f e n ，Ya n g Y i s h e n g ，T r a n s ．4 t h e d ．B e i j i n g P e t r o l e u m I n d u s t r y Pr e s s ，1 9 9 44 2 55 ． L 1 2 ] G u p t a A P，Gu p t a A，L a n g l i n a i s J ．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 xide a s a d r i l l i n g f l u i d f o r d e e p u n d e r b a l a nc e d d r i l l i n g o p e r a t i o n s [ R ] ．S P E 9 6 9 9 2 ， 2 0 0 5 ． [ 1 3 ] 陈来永．倾斜大管径多相流研究及在 电潜泵 井中的应用I- D] ．成 都 西南石油大学 ，2 0 0 3 1 3 - 4 2 ． Ch e n La i y o n g ． Re s e a r c h f o r mu l t i p h a s e f l o w i n i n c l i n e d b i g d i a me t e r a n d a p p l i c a t io n o n t h e we l l u s i n g e l e c t r i c s u b me r s i b l e p u mp[ D] ． Ch e n g d uS o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y，2 0 0 31 3 4 2 ． [ 1 4 ] 约翰芬纳莫尔 E， 弗朗兹尼 J B ．流体 力学及其工程应用[ M] ．钱 翼稷 ，周玉文， 译．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 4 3 9 4 5 5 ． [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 o ] [ 2 1 ] [ 2 2 1 [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] Fi n n e mo r e E J ，Fr a n z ini J B．Fl u i d me c h a n i c s wi t h e n g i ne e r i n g a p p l i c a t i o n s[ M ] ． Q i a n Yij i ，Z h o u Yu we n ，T r a n s ． B e ij i n g Ch i n a M a c h i n e Pr e s s ，2 0 0 64 3 9 45 5 ． 赵衡阳．气体和粉尘爆炸原理[ M] ．北京 北 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t i o n a n d De v e l o p me nt ，2 0 1 0，3 7 1 1 1 1 1 1 5 ． 第一作者简 介 王海柱 1 9 8 1 - ， 男， 河北遵 化人 ， 中国石油 大 学 北 京 在读博士研 究生， 主要 从事超 临界 C O z 钻 井及 多相 流相 关研 究。地 址 北京市昌平区府 学路 1 8号 ， 中国石油大学 北京 油 气资 源与探 测 国 家重 点 实验 室 ， 邮政 编码 1 0 2 2 4 9 。E ma i l wh z 0 0 0 1 1 2 6 ． e o m 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 3 修 回日期 2 0 1 0 1 0 1 3 编辑唐 金华 绘 图 李秀 贤