（油气井工程专业论文）超临界二氧化碳射流结构特性研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：立垃 魄加f 年岁月栌 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔恕逾 指导教师签名： 西牡 日期：为i f 年妇) 厢 日期：加l ，年歹月 庐 摘要 在我国油气资源发展战略中，低压、低渗、低产能油气资源以及稠油、致密气层和 煤层气等非常规油气资源的开发是今后的重要方向。如何针对这些非常规油气资源的有 效开发，形成新的方法、发展新的技术，以有效保护油气层、提高油气采收率和整体开 发效益，就显得更加迫切。采用超临界二氧化碳射流直接破岩钻井既能够实现高效钻进， 又可以有效保护油气层，是一种节能减排的钻完井新技术，具有广阔的应用前景和开发 价值。 本论文首先通过理论推导得到了二氧化碳的密度、粘度表达式，对不同温度、压力 条件下二氧化碳密度、粘度进行计算分析，发现二氧化碳的密度、粘度均随着温度的增 加而减小，随着压力的增加而增大。其次，模拟分析超临界二氧化碳的流动过程，并进 行了试验验证。研究发现，相对于井筒和环空，超临界二氧化碳在井底喷射过程中压力、 温度的变化较为剧烈，井筒入口压力、喷嘴直径越大，射流冲击井底产生的冲击压力、 井底温度越高；射流冲击井底产生的井底温度随着喷射距离的增大而减小，井底冲击压 力随着喷距的增大呈先增大后减小趋势；确定了2 m m 喷嘴，喷距为2 倍喷嘴直径是超临 界二氧化碳射流的最优结构。最后，建立了二氧化碳井下物性计算的物理模型，编制了 二氧化碳井下物性分析软件，分析结果表明，二氧化碳的温度随井深的增加在钻杆中线 性增加，在环空中先线性增加到一定值，然后按抛物线形式先缓慢增加到最大值后逐渐 减小；二氧化碳压力随井深的增加呈线性增加的趋势；二氧化碳的密度在钻杆中随着深 度的增加呈线性减小趋势，在环空中密度随深度的先线性增加，在接近井底附近密度增 加的趋势逐渐加剧；二氧化碳的粘度在环空中随井深的增加呈线性递增趋势，在钻杆中 随着深度的增加先线性减小，在接近喷嘴处附近，减小的趋势变缓；流量、钻具尺寸、 井口回压以及完钻井深等值都对二氧化碳的井下物性变化有较大的影响。 本文对二氧化碳流体基本物性、超临界二氧化碳射流结构特性、井下二氧化碳物性 变化规律进行了较系统的理论分析、试验验证和软件开发，理论研究结果与试验结果基 本吻合，表明本文所用研究方法的正确可行。通过本论文的研究，为超临界二氧化碳射 流破岩钻井技术的发展提供了理论依据。 关键词：超临界流体；二氧化碳；结构特性；数值模拟；试验测试 f s t u d yo n t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e t h u a n gz h i y u a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gr u i h e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a sc h i n a so i la n dg a sr e s o u r c e se x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f t e n a c c o m p a n yw i t hc o m p l e xp e t r o p h y s i c a lp r o p e r t ya n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，n e wt e c h n o l o g y s h o u l db ed e v e l o p e dt oe x p l o r et h e s eu n c o n v e n t i o n a lo i la n dg a sr e s o u r c e s ，s u c ha sl o w p e r m e a b i l i t y ，l o wp r e s s u r e ，l o wv i s c o u so i la n dg a sr e s o u r c e s i nt h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a l e n e r g ys i t u a t i o n ，i ti sv e r yu r g e n tt of o r ma n e wm e t h o d ，d e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g ya n d i m p r o v et h ed e v e l o p m e n to fo i la n dg a se f f i c i e n c y a ss u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ef l u i dh o l d c o n c u r r e n t l yp r o p e r t i e so fg a s sl o wv i s c o s i t y ，e a s yd i f f u s i v i t ya n dl i q u i d sh i 曲d e n s i t y ，g o o d d i s s o l u b i l i t y ，i ti sap o t e n t i a lh i 曲p r e s s u r er o c k b r o k e nm e d i a u s i n gs u p e r c r i t i c a lc a r b o nj e t d i r e c tr o c kf r a g m e n t a t i o nd r i l l i n gn o to n l yc a nr e a l i z ee f f i c i e n td r i l l i n g ，b u ta l s oc a n e f f e c t i v e l yp r o t e c tg a sr e s e r v o i r s t h i sn e wd r i l l i n gm o t h e dh a st h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t a n dd e v e l o p m e n tv a l u e f i r s t l y ，t h ed e n s i t ya n dv i s c o s i t ye x p r e s s i o n so fc a r b o nd i o x i d ew e r ei n f e r e d i ti sf o u n d e d t h a td e n s i t ya n dv i s c o s i t yb o t hi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e m e n to ft h ep r e s s u r ea n dd e c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s e m e n to ft h et e m p e r a t u r et h r o u g ha n a l y s i s i n gd e n s i t ya n dv i s c o s i t ya td i f f e r e n t p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e s e c o n d l y ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw e r ed o n eo nf l o wp r o c e s so f s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ei nt h ep i p l i n e c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：r e l a t i v et ot h ew e l l b o r e a n da n n u s ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ei n j e c t i o np r o c e s sa tt h e b o t t o mo ft o o l sc h a n g em o r ev i o l e n t l y t h el a r g e r e ro fi n c o m ep r e s s u r ea n dn o z z l ed i a m e t e r a r e ，t h el a r g e r e ro fb o t t o mp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew h i c h w e r ec a u s e d b ys u p e r c r i t i c a lc a r b o n d i o x i d ej e t i n ga tt h eb o t t o m t h et e m p e r a t u r ec a u s i n gb ys u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e t i n ga t t h eb o t t o md e c r e a s e sa st h ei n c r e a s e m e n to ft h ei n j e c t i o nd i s t a n c e ，w h i l ep r e s s u r ei n c r e a s e s f i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s c o n f i r m e dt h a t2 m ms p r a yn o z z l ea n d2t i m e so ft h es p r a yn o z z l e i n j e c t i o nd i s t a n c ea r et h eo p t i m u ms t r u c t u r eo fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e t i n g f i n a l l y ， p r o p e r t yo fp h y s i c a lc a l c u l a t i n gm o d eo fc a r b o nd i o x i d ew a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec a r b o n d i o x i d eu n d e r g r o u n dp r o p e r t ya n a l y s i ss o f t w a r ew a sc o m p i l e d i ts h o w st h a tt e m p e r a t u r eo f t h ec a r b o nd i o x i d ei n c r e a s e sl i n e a r l ya st h ew e l ld e p t hi n c r e a s i n gi nt h ed r i l l i n gp i p e ，a n d i n c r e a s e sl i n e a r l yt h e nd e c r e a s e si nt h ea n n u l u s 。p r e s s u r eo ft h ec a r b o nd i o x i d ei n c r e a s e s l i n e a r l ya st h ew e l ld e p t hi n c r e a s i n gi nt h ed r i l l i n gp i p ea n da n n u l u s t h ed e n s i t ya n dt h e ；i v i s c o s i t yi n c r e a s ei nt h ed r i l l i n gp i p ea st h ed e p t hi n c r e a s i n g ，w h i l ei t st u r n i n go u tt h eo p p s i t e r u l ei nt h ea n n u l u s c a r b o nd i o x i d ef l o w ，d o w n h o l ea s s e m b l ys i z e ，w e l lb a c k p r e s s u r eh a d g r e a ti n f l u e n c ep a r a m e t e rd i s t r i b u t i o n s b yn u m e r i c a ls i m u l m i o na n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o nc o m b i n a t i o no fm e t h o d s ，a n a l y z e d t h es u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c si nt e s td e v i c ea n dd r a w nu pc a r b o n d i o x i d eu n d e r g r o u n dp r o p e r t y p r e d i c t i o ns o f t w a r e t h r o u g ht h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hf o r s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ej e tb r o k e nr o c kd r i l l i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o v i d e st h e o r y b a s i s k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i c a lf l u i d ；c a r b o nd i o x i d e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t 1 1 1 目录 第一章绪论1 1 1 国内外研究现状分析1 1 1 1 欠平衡钻井技术发展现状1 1 1 2 连续油管钻井技术发展现状2 1 1 3 超临界流体研究现状2 1 1 4 超临界二氧化碳钻井研究现状4 1 1 5 数值计算方法研究现状7 1 2 论文的研究目标与研究内容。9 1 2 1 研究目标。9 1 2 2 研究内容9 第二章二氧化碳流体基本物性研究1 0 2 1 二氧化碳流体密度特性1o 2 1 1p e n g r o b i n s o n 方程1 0 2 1 2p e n g r o b i n s o n 方程的求解1 2 2 2 二氧化碳流体粘度特性1 4 2 3 本章小结1 6 第三章超临界二氧化碳射流结构特性研究1 7 3 1 超临界二氧化碳射流数学物理模型1 7 3 1 1 数学模型17 3 1 2 物理模型18 3 2 超临界二氧化碳射流试验研究2 3 3 2 1 超临界二氧化碳射流结构特性测试流程2 3 3 2 2 超临界二氧化碳高效破岩试验系统装置。2 3 3 3 3 超临界二氧化碳结构特性测试方法2 8 3 3 超临界二氧化碳射流结构特性分析2 8 3 3 1 喷嘴直径对超临界二氧化碳流场的影响2 9 3 3 2 喷射距离对超临界二氧化碳流场的影响3 2 3 3 3 井筒入口压力对超临界二氧化碳流场的影响。3 4 3 4 本章小结3 7 第四章超临界二氧化碳井筒流动特性研究3 8 4 1 二氧化碳温度分布规律研究3 8 4 1 1 模型建立3 9 4 1 2 模型求解4 0 4 2 二氧化碳压力分布规律研究4 l 4 3 井筒内二氧化碳流动特性分析软件的编制4 4 4 3 1 二氧化碳物性分析计算实例。4 4 4 3 2 二氧化碳物性分析模型程序。4 5 4 4 模型计算结果分析4 8 4 4 1 二氧化碳井下温度分布4 8 4 4 2 二氧化碳井下压力分布51 4 4 3 二氧化碳密度、粘度分布5 4 4 5 本章小结5 6 第五章结论5 7 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 9 参考文献6 0 致谢6 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 我国非常规油气资源储量丰富，分布集中，发展前景广阔，但是非常规油气资源的 开发经常遇到复杂的地质条件和储层特性，需要更多地运用低压、低渗等技术手段进行 勘探开采。在当前的国际能源形势下，为了保证我国的能源安全，形成新的方法、发展 新的技术，有效提高油气开发效率，就显得更加迫切。超临界二氧化碳流体兼具气体的 低粘度和易扩散、液体的高密度和易溶解的特点，是一种极具应用潜力的高压喷射破岩 流体介质，连续管钻井技术具有低成本和钻速高的优点，将超临界二氧化碳射流破岩钻 井技术与连续管欠平衡钻井技术相结合，既可实现高效钻进，又可以有效保护油气层， 是一种节能减排的钻完井新技术，具有广阔的应用前景和开发价值。 1 1 国内外研究现状分析 在现有技术中，欠平衡钻井技术是已实践证明能有效提高非常规油气藏机械钻速和 采收率的技术手段，超临晃流体所具有的优异特性使它成为了一种极具应用潜力的钻完 井欠平衡流体介质，连续管钻井技术具有低成本和钻速高的优点，是实现超临界二氧化 碳射流破岩钻井的有效方式。 1 1 1 欠平衡钻井技术发展现状 欠平衡钻井技术是上世纪九十年代逐渐发展起来的一种钻井新技术，是指在钻进过 程中允许地层流体进入井内，循环出井，并在地面得到控制，主要标志为井底有效压力 低于地层压力。 欠平衡钻井的种类主要包括气体钻井、充气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、淡水或卤 水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井，在美国，欠平衡钻井技术被称为石油钻 井行业的上游新兴技术，已逐渐成为钻井行业关注的焦点，并越来越多地与水平井、多 分支井以及小井眼钻井技术相结合，实现优势互补，提高钻井速掣。目前，欠平衡钻 井技术研究的关键主要集中在井口压力控制、特殊工具的设计、程序的编制、钻井液的 选择等方面。欠平衡钻井技术技术较为先进的国家主要有美国、法国、英国、意大利、 加拿大等，这些欠平衡技术先进的国家主要采用连续油管钻井、边喷边钻、泥浆帽钻井、 立管气体注入、环空气体注入等手段来创造欠平衡的条件 2 1 。 为了实现欠平衡的目的，井内的循环物质可以是气基、液基流体也可以是气液多相 混合流体，在选择钻井液时，应该综合考虑储层流体特性、钻井基液特性以及钻井基液 与储层流体的相互作用等多方面的因素，主要包括储层压力、钻井基液是否具有粘度低、 第一章绪论 毒性低、无腐蚀特性、钻井基液与地层流体的相容性以及储层岩石的湿润性等因素。 欠平衡钻井具有一系列的优点，如避免漏失、减少钻井液对地层的损害、钻进速度 较高、能有效避免压差卡钻、减少油层改造费用、对油气藏数据进行实时控制评价等【3 1 。 一项新技术的在逐渐的成熟与完善的过程中往往会面临一系列的问题与挑战1 4 1 ，同样的， 欠平衡钻井技术也不例外，目前国内外的研究发现欠平衡钻井技术主要面临的问题主要 有钻井成本高、测井和完井存在安全隐患等1 5 1 。 1 1 2 连续油管钻井技术发展现状 自从1 9 6 2 年第一套连续油管钻井装置被美国加利福利亚石油公司和波温石油工具 公司联合研制问世之后，连续油管钻井技术已被投入石油行业至今已经历了五十年的发 展历程，1 9 9 1 年，法国在巴黎盆地首次成功地进行了连续油管钻井的探索性试验，取得 了很好的效果，同年美国在德克萨斯州利用连续油管钻井技术进行了三井次的重钻井作 业，也取得了较好的经济效益，此后，连续油管钻井技术作为极富应用前景的钻井新技 术进入了快速发展和应用时期，目前，连续油管技术已经广泛应用于钻井、完井、修井、 采油、集输等各个领域，解决了许多常规作业技术难以解决的问题，应用效果明显【6 1 。 常用的连续油管钻井按钻井类型可分为现有井定向重钻和直井钻井，按工艺方式 分，有欠平衡钻井、平衡钻井和过平衡钻井三种。目前连续油管钻井广泛用于钻浅直井、 欠平衡钻井、现有井侧钻。在钻井过程中连续油管的其它应用有取心、伽玛射线测量、 下尾管和悬挂器、空气雾化钻井、泡沫或液体钻井、导向工具的有线测量、安放造斜器 在盘 号手0 连续油管钻井技术的优势主要有：( 1 ) 提高了作业的安全性，减少了工作人员伤亡事 故；( 2 ) 连续循环钻井，缩短了钻井周期；( 3 ) 因为没有接头，起下钻速度较快，可以达 到2 4 米分钟，并且可以维持井眼压力和钻井液循环，最大程度地缩短了起下钻的时间， 进一步缩短钻井周别7 】；( 4 ) 操作较为简单，操作人员数量减少，提高了工作效率；( 5 ) 底面设备占地较少，环境污染较低，作业效率和施工效果较高，具有较高的经济效益【8 1 。 1 1 3 超临界流体研究现状 物质随着温度、压力的变化，将会出现固态、液态和气态三种状态，称作物质的三 态。近些年，学者们发现每种稳定的且分子量不太大的物质都有一个固有的临界点，如 图1 1 所示( 气液平衡线的终点即为临界点) 温度和压力高于t c 和p c 的区域称为超临界 相区，也称为物质的第四相态。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 超临界流体是指流体的温度、压力均超过流体临界温度t c 和临界压力p c 状态下的高 密度流体。超临界流体的微观性质、宏观性质与气体和液体相比都有一定的差别，超临 界流体的微观性质表现为超临界流体可以包围住溶质分子实现高密度配位，从而生成深 煤化现象，使得溶质分子相互结合形成联合体【9 1 。气体、液体和超临界流体的宏观性质 如表1 1 所示。 r 趟 温度 图1 1 物质相态变化示意图 f i 9 1 - 1 p h a s ed i a g r a m 表1 - 1 气体、液体和超临界流体的物理性质比较 t a b l e l - 1 p h y s i c a ln a t u r eo fg a s ，l i q u i da n ds u p e r c r i t i c a lf l u i d 流体 7e 体 超临界流体液体 密j ! ：，k 耐 l2 0 0 7 0 01 0 0 0 糊l 俊，p a s l o 。51 0 4l o 。3 扩敞系数，m 2 sl o 一5l o 。75 l o 1 0 从表卜1 中可以看出，超临界流体的密度与液体相近，比气体大两个数量级；粘度 与气体相似，比液体小一个数量级；扩散系数介于液体和气体之间，相对较为接近于气 体；超临界流体的这些特性使其具有气体和液体的两重性，目前，超临界流体技术主要 应用于萃取、高分子科学、制备超细颗粒材料、仪器清洗、化学分析、化学反应及环保 等领域【9 1 。 超临界二氧化碳( s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e 简称s c c 0 2 ) ，是指处于临界温度和 临界压力之上的二氧化碳流体1 1 0 1 。从图1 2 可看到，二氧化碳的临界温度和临界压力( t c = 3 1 1 、p c = 7 4 m p a ) 较低，适合于现场应用。 第一章绪论 一 鱼 - r 趟 一8 0 - 6 0 - 4 1 3- 2 1 3 d2 0 4 06 08 0 温度，。c 图1 - 2 二氧化碳相态图 f i g l - 2 p h a s ed i a g r a mo fc a r b o nd i o x i d e 超临界二氧化碳对分子量较小的有机化合物有着较好的溶解能力，若加入适当的表 面活性剂，超临界二氧化碳可以溶解石蜡、聚合物及重金属等工业原料，如果再加入一 定的极性提携剂可以使得其溶解能力得到进一步提高，因此，使用超临界二氧化碳代替 当前工业中的有机溶剂，可以有效地减少挥发性、剧毒性有机溶剂的使用与排放，具有 广阔的应用前景和开发价值，而且二氧化碳资源较充足，成本低，经济上可行1 1 1 1 。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就达2 0 0 1 0 8 吨：另外 随着氢能源利用技术的发展( 主要用甲烷蒸汽转化，美国计划到2 0 2 0 年氢产量达2 6 5 亿吨年) ，将产生大量的二氧化碳，这为超临界二氧化碳流体的应用提供了很好的物质 保障【1 2 】。超临界二氧化碳的上述优异特性，也引起了石油钻井领域的注意，并就超临界 二氧化碳用于钻井进行了初步的探索性研刭1 3 1 。 1 1 4 超临界二氧化碳钻井研究现状 将超临界二氧化碳用于破岩是一项极具挑战性的工作，近些年来国内外专家学者进 行了一些探索性试验工作，初步验证了可行性1 1 4 1 。中国石油大学( 华东) 王在明等人利 用模拟实验装置( 见图1 3 ) 进行了一系列实验，掌握了第一手宝贵的资料，研究表明： ( 1 ) 随着钻井深度的逐渐增加，钻杆中二氧化碳的温度和压力逐渐增加，二氧化碳逐 渐变为超临界状态，从而在井底形成超临界射流破岩；( 2 ) 超临界二氧化碳具有低粘度 特性，在井眼内容易实现紊流，从而使得井底岩屑净化效果得到提高；( 3 ) 环空上返过 程中，从井底到井口随着井深的逐渐减小，二氧化碳压力和温度逐渐降低，其状态也从 4 加 9 8 t 6 5 4 3 2 l 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 超临界态转换为气态，密度逐渐降低，从而可以维持较小的环空压力和的井底压力，达 到欠平衡的目的。 图1 - 3 超临界二氧化碳钻井液循环模拟装置示意图 f i g l 一3 s c - c 0 2d r i l l i n gf l u i dc i r c u l a t i o ns i m u l a t o r 美国路易斯安娜州立大学对使用超临界二氧化碳进行欠平衡钻井作业的可行性研 究发现，井底条件下有利于实现二氧化碳的超临界状态，在欠平衡钻井中超临界二氧化 碳的应用效果比氮气好，其密度可达2 0 0 - - 一8 0 0k g m 3 ，较高的钻井液密度可以给井下动 力钻具提供足够的推动力，也有利于增加井下射流冲击力，从而增加钻进速度。美国 t e m p r e s s 公司提出了超临界二氧化碳连续油管钻井专利( 专利号：6 3 4 7 6 7 5 ，工作示意 图见图1 5 ) ，2 0 0 0 年在5 5 m p a 1 9 3 m p a 的不同射流压力下，对坚硬的页岩进行的破岩 室内研究证实，超临界二氧化碳射流破岩的门限压力较低，相比于水射流，能获得更好 的破岩钻井效果，图1 - 4 是在不到一半的常规水射流压力条件下，超临界二氧化碳射流 和水射流破岩对比图，可以发现超临界二氧化碳射流破岩深度更深，范围更广。试验发 现，通过调整井口回压，可以有效地调节二氧化碳的井下压力，实现超临界二氧化碳钻 井液在井底过平衡、平衡和欠平衡三种状态的转变【”l 。目前关于超临界二氧化碳的钻井 技术研究主要集中在技术可行性方面，对超临界二氧化碳射流破岩机理等基础理论的探 索还没有开展。 第一章绪论 1 9 3 m p a 常规水射流破岩 图l _ 4 曼柯斯页岩射流破岩效果对比 f i g l 一4 r o c k - b r o k e ne f f e c tc o m p a r i s o no fm a n c o ss h a l e 相关实验研究证实超临界二氧化碳钻井具有显著优势的同时，也发现了其所诱发的 问题，主要有：( 1 ) 超临界二氧化碳溶解于水后，会对钻具和套管造成腐蚀；( 2 ) 超临 界二氧化碳的低粘度特性，不利于携带岩屑；( 3 ) 超临界二氧化碳经过喷嘴和节流阀时 会产生较大的温度降，形成局部应力，不利于设备的稳定。这些问题如不能得到有效解 决，将阻碍超临界二氧化碳钻井技术的发展。 釜、八 冷却器艇；现 厂、 ”叫 l j i ，一+ 一? q i - “一罗1 一_ - o 蝴 l e女砂器 f 。 | 篱 井口 l lj l - 一放喷管 一一一一一一“一彩 r 造斜器 ， 钻头柔性钻杆 生产套管 钻头：k 矿 i 图1 - 5 超临界二氧化碳钻井液工作示意图 f i g l 一5s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ed r i l l i n gf l u i do p e r a t i n gs k e t c hm a p 国内外专家学者对上述问题已经有所认识，并开展了针对性研究，而且相关领域技 术的进步，也为我们解决上述问题提供了条件，具体来讲有：( 1 ) 目前有关二氧化碳腐 蚀钻具和管件的问题已有较多研究，成熟的材质和工艺正逐渐进入现场，该问题对超临 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 界二氧化碳钻井技术的发展已不构成严重阻碍；( 2 ) 有关提高空气和欠平衡钻井液携岩 能力的研究已经比较成熟，增粘剂和增稠剂的成功研发应用为提高超临界二氧化碳携带 岩屑能力提供了参考；( 3 ) 航天器、深海钻井等领域在处理巨大温差方面形成的技术， 为解决超临界二氧化碳流体的温差问题提供了解决途径。 在超临界二氧化碳流体应用于钻井的数值模拟研究方面，路易斯安娜州立大学的 f a a l a d w a n i 于2 0 0 7 年提出了p v t 模型( 即钻井液物性参数模型) ，该模型能测定一 些重要的参数，如粘度、密度、压缩性，以及他们随着深度变化的规律。k a b i r 在1 9 9 6 年提出了钻井过程中超临界二氧化碳单相流动和地层出水以后两相流的循环流动和热 传导模型( 见图1 6 ) ，能够计算分析出管路中c 0 2 流体的温度随深度的变化规律。路易 斯安娜州立大学提出的钻杆和环空流动模型，需要运用p v t 模型里面得到的密度和粘 度值来计算静水压力、油管和套管中每个高度下的摩擦压力损失，并且还能提供井眼压 力，该模型还能计算一些钻井参数如岩屑输送比( c t r ) 和喷射冲击力等。 1 1 5 数值计算方法研究现状 计算流体力学技术，简称c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术，是上个世纪五六 十年代逐步形成发展的一种新技术，随着计算方法的快速发展以及计算机的普及，计算 流体技术近些年来取得了迅速地发展。数值模拟具有低成本，短周期，获得数据比较完 整等相对于实验研究比较独特的优点，对工业设计、建材筹备、设备改造以及其他商业 领域能够起到重要的分析指导作用，因而计算流体技术的用途越来越广泛【1 6 1 。 本论文理论研究的主要软件平台是f l u e n t 数值模拟软件，在该平台的基础上进行二 次开发，完成数值模拟研究工作。f l u e n t 是2 0 世纪7 0 年代由美国f l u e n ti n c 公司开发 的可用于可压缩和不可压缩复杂流体的模拟分析软件，该软件于1 9 8 3 年正式推出，它 概括总结了丰富的物理模型、演算推导了先进的数值方法和强大的前后处理功能，对每 一种具体的流体流动针对其物理特点提出了适合于它的单独的数值解法，从而使得在计 算运行过程中程序的运行速度、数值的稳定性以及计算的精度可以达到最佳。f l u e n t 软 件采用完全的非结构化网络和控制体积法设计求解器，作为一个通用求解器，它适用于 低速不可压流动、超高速不可压流动以及低速和超高速可压流体等各种复杂的流场。 f l u e n t 丰富的物理模型能够精确地能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂 的物理现象。 利用f l u e n t 软件进行数值模拟，减少了研究者在编程、计算方法、前后处理等方面 7 第一章绪论 投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法 选用，参数的设定，因而提高了工作效率，获得更好的应用效果f 9 】。 f l u e n t 的软件各软件模块包括l 专用的c f d 前置处理器( g 州b i t ) 、基于非结构 化网格的通用c f d 求解器( f l u e n t5 4 ) 、基于有限元方法的通用c f d 求解器( f i d a p ) 、 针对粘弹性流动的专用c f d 求解器( p o l y f l o w ) 、针对搅拌混合问题的专用c f d 软件 ( m i x s i m ) 、专用的热控分析c f d 软件( i c e p a k ) 。其中，专用的c f d 前置处理器是f l u e n t 公司自行研发的前处理软件，用来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模 型能力之前处理器，本文也将使用此软件建立模型的几何形状及网格的划分。 l 建立控制方程一 图1 - 6f l u e n t 计算流程 f i g l - 6 t h ew o r kp r o c e s so ff l u e n t 鉴于f l u e n t 软件在无粘流和湍流模拟方面的优势，本论文主要采用f l u e n t 软件对钻 柱与环空中超临界二氧化碳的流动特性进行数值模拟，分析超临界二氧化碳射流的结构 特性，研究井筒内二氧化碳压力、温度的分布规律。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 论文的研究目标与研究内容 1 2 1 研究目标 通过本论文研究，建立超临界二氧化碳射流的基本物理模型和数学模型，模拟二氧 化碳流体在钻井工具流道和环空中的流动过程以及在井底的喷射过程，探索超临界二氧 化碳射流结构特性的分布和变化规律，最终形成一套完整的超临界二氧化碳射流结构特 性数值模拟的研究方法。 1 2 2 研究内容 在调研学习国内外研究成果的基础上，本文拟开展以下几方面的工作： ( 1 ) 二氧化碳基本物性研究； ( 2 ) 超临界二氧化碳射流结构特性的数值模拟研究； ( 3 ) 超临界二氧化碳射流结构特性的试验验证研究； ( 4 ) 超临界二氧化碳物性分析软件的编制。 9 第二章二氧化碳流体基本物性研究 第二章二氧化碳流体基本物性研究 为了开展超临界二氧化碳射流结构特性研究，需要深入分析二氧化碳流体的基本特 性，并以此为基础探索射流破岩钻井过程中流体基本特性的变化，但现有的超临界二氧 化碳密度和粘度的相关数据较少，不能满足理论和应用研究的需要，因此需要找到准确 的二氧化碳密度描述方法，基于这种认识，本文对二氧化碳流体基本特性进行了较为系 统的探索，为后续研究奠定基础。 2 1 二氧化碳流体密度特性 b u n d e r 方程能够计算二氧化碳的密度，由于其计算过程中涉及到的参数数目过多， 并且需要进行大量的试验数据的拟合工作，因此在工程应用中具有相当大的局限性【1 7 i 。 状态方程作为计算流体性质的基础，在各个工程领域有着广泛的应用，但是，在目前的理 论水平上要建立一个严格的、使用没有限制的状态方程难度很大【1 8 1 。因此，在实践中发 展了大量的p v t 经验状态方程，其中能展开为体积的三次多项式形式的经验状态方程 称为立方型状态方程1 1 9 1 。立方型状态方程1 1 1 1 的特点是包含参数较少、解析求解简单、计 算结果精度高等特点，特别使用于工程计算。 1 9 8 3 年v a rd er w a a l s 发表了第一个用于计算汽一液平衡计算方程，其通式如下 p = 旦v - b 一v 2 + 型n b 三v l + c o b 2 ( 2 - 1 ) p 2 一。l 一 ( 2 。1 ) 随着计算技术的不断发展，近些年出现了大量各种形式的状态方程。分析各种方程 可知，合适的温度求解函数对状态方程的准确性起到至关重要的影响。近代，r e d l i c h 和k w o n g 建立了第一个有实际意义的状态方程，即r k 方程【2 0 】。s o a v c 在p r 方程的基础上， 对温度求解方程进行修正从而使得r k 方程被工程界广泛接受和应用【2 1 1 。但是，该方程 在计算临界压缩因子和密度时都会出现较大的偏差，而p e n g r o b i n s o n 立方状态方程方程 能够明显的弥补这一不足，故采用p e n g r o b i n s o n 方程来计算二氧化碳的密度。 2 1 1p e n g r o b i n s o n 方程 p e n g r o b i n s o n 状态方程形式如下 一p = 旦一而铡而 2 - 2 m v - b ， = 一一二o 二一 lj 一 肌y ( 聊y + 6 ) + 6 ( 肌v 一们 式中： 6 ：0 0 7 7 - 8 0 r t c ( 2 3 ) d = 一 【2 3 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 口( 丁) ：0 4 5 7 2 1 4 r 厂2 t c 一( t ) a ( t ) 为一个关于温度的函数 石= l + 聊( 1 一而) m 是偏心因子的函数 m ：0 3 7 4 6 4 + 1 5 4 2 2 6 缈一0 2 6 9 9 2 缈2 对于二氧化碳流体：缈= 0 2 2 5 ，p c = 7 3 8 m p a ，互= 3 0 4 1 k ，代入( 2 - 6 ) ，可得： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) m ：o 3 7 4 6 4 + 1 5 4 2 2 6 x0 2 2 5 0 2 6 9 9 2x0 2 2 5 2 = 0 7 0 7 9 8 ( 2 7 ) 于是 口( 丁) ：0 4 5 7 2 1 4 r 2 _ t c 2 a ( t ) = 3 9 6 3 0 6 7 7 * 1 + 0 7 0 7 9 8 ( 1 一矿) 2 ( 2 - 8 ) 、7 p 、， j b = 0 0 7 7 8 8 3 1 4 x 3 0 4 1 3 7 3 7 7 = 2 6 6 6 7 ( 2 - 9 ) 则，p e n g r o b i n s o n 方程可