（石油与天然气工程专业论文）深水钻井井筒温度压力的影响因素分析及数值模拟.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 深水钻井井筒温度压力的影响因素分析及数值模拟 石油与天然气工程 王维斌( 签名) 韩继勇( 签名) 龙风乐( 签名) 铉勇 摘要 近年来，海洋油气资源的开发势头迅猛、产量不断攀升，而且作业水深不断在增加， 出现了从浅滩向深海扩展的局面。与此同时，各种各样的技术难题不断出现，亟待解决。 其中海洋深水钻井方面的问题体现的尤为突出，已经成为目前国内外研究的热点。 海洋深水钻井过程中存在诸如：地层低温、地层高压，以及钻井液窄密度窗口等问 题，而且经常伴随着井涌、井漏等事故的发生，急需建立一种科学的预测井筒内温度以 ； 及压力的方法，从而对井筒内温度以及压力进行准确的预测，以此来降低钻井成本，减 少钻井事故的发生。本论文从分析影响深水钻井井筒温度压力因素出发，建立了深水钻 井井筒内温度以及压力的计算模型，与其它模型不同的是，此模型将钻井液的密度、钻 井液的粘度等因素考虑成温度以及压力的函数，并在计算过程中引入了岩屑的影响，摩 擦生热和压降生热的影响，并针对温度以及压力进行了耦合计算，使计算模型更加贴近 实际状况，从而获得的计算结果也更加较准确。 根据计算模型，开发了针对深水钻井井筒温度以及压力耦合计算的数值模拟程序系 统。此程序系统能实时、准确的预测循环过程中井筒内钻井液的温度以及压力分布、地 层的温度分布；静止过程中井筒内的温度以及压力分布、地层温度分布；这些相应的结 论对深水钻井、固井、井控、套管层次的设计等都具有重要的意义。 本论文中，还对井筒内影响温度以及压力的因素进行了敏感性分析，得出了影响温 度以及压力的重要因素与非重要因素的相关结论，并针对海洋深水钻井作业提出了合理 化的建议。 关键词：深水钻井；耦合计算；数值模拟；敏感性分析 英文摘要 s u b j e c t ： a na n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ee f 代c to fd r i l l i n gf l u i d s p h y s i c a l p r o p e r t i e s o nt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei n d e e p w a t e r d r i i l i n g s p e c i a l i t y ： p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a s e n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gw e i b i n ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ： h a n j i y o n g ( s i g n a t u r e ) l o n gf e n g l e ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i i lr e c e n ty e a r s ，o f r s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c ed e v e l o p m e n tb yl e a p sa 1 1 db o u n d s ，t h e o u t p u tr i s i n g ， a 1 1 dt h eo p e r a t i o n sc o n t i n u et oi n c r e a s ei nd e p t h 。t h e r eh a sb e e ne x t e n d e d 行o m t h es h a l l o wt od e e p - s e as i t l l a t i o n a tt h es 锄et i m e ，av a r i e t yo ft e c l u l i c a lp r o b l e m sc o n t i n u e t oa p p e a rt h a tm u s tb er e s o l v e d i nw h i c ha s p e c t so fd e e p w a t e rd r i l l i n gi sp a r t i c u l a r l yf e n e c t e d i np r o m i n e n t ，h a sb e c o m eah o tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d e x i s ti nt h ep r o c e s so fd e e p w a t e rd r i l l i n g ，s u c ha s ：f o 珊a t i o nt e m p e r a t u r e ，f o m a t i o n p r e s s u r e ， 嬲w e l la st h ed r i l l i n gn u i dd e n s i t y ，n 舢ww i n d o w ，a i l ds oo n ，a i l do r e n a c c o m p a l l i e db yc h u n gw e l l ， w e l ll e a k a g ea 1 1 do t h e ri n c i d e n t s ，a i lu r g e n tn e e dt oe s t a b l i s h as c i e n t i f i cf o r e c a s to ft h et e m p e r a t u r ea n dt 1 1 ew e l l b o r ct l l ep r e s s u r em e t h o d ，a i l dt h u s 也e t e m p e r a t u r ea 1 1 dp r e s s u r ew i t h i nm ew e l l b o r ea c c u r a t ef o r e c a s t s ， i 1 1o r d e rt or e d u c ed r i l l i n g c o s t sa n dr e d u c e 嘶l l i n ga c c i d e n t i nt h i sp a p e r ，t h ei m p a c tf r o mt l l ea i l a l y s i so fd e 印w a t e r d r i l l i n gw e l l b o r et e m p e r a t u r ea 1 1 dp r e s s u r ef a c t o r s ，s t a r t i n gt oe s t a _ b l i s had e e p w a t e rd r i l l i n g w e l l b o r et e m p e r a t u r ea 1 1 dp r e s s u r ew i t h i n 也ec o m p u t a t i o n a lm o d e l ，a n du n l i k eo t l l e r m o d e l s ，t h i sm o d e lw i l lb et h ed e n s i t ) ro fd r i l l i n gf l u i d ，d r i l l i n gn u i dv i s c o s i t ) ri n t o c o n s i d e r a t i o ns u c hf k t o r sa sa 如n c t i o no ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ， a n di i lt h ep r o c e s so f c a l c u l a t i n gt h ei m p a c to fm ei n t r o d u c t i o no fd e b r i s ， 也e 缸c t i o nh e a ta n dp r e s s u r ed r o p e f f e c t so f h e a t ，a n df o r t h et e m p e m t l l r ea n dp r e s s u r ec o u p l i n gc a l c u l a t i o nc 跚i e do u tt om a k e c o m p u t i n gm o d e lc l o s e rt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h er e s u l t st 1 1 u so b t a i n e da r em o r ea c c u r a t e a c c o r d i n gt om ec a l c u l a t i o nm o d e ld e v e l o p e df o rt h ed e e p w a t e rd r i 】l i n gw e l l b o r e t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o u p 】i n gc a l c u l a t i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r 锄s y s t e m t h j sp r o g r a ms y s t e mi nr e a l t i m e ， a c c u r a t ep r e d j c t j o nc y c l eo fw e l l b o r en u i dt e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ， f o 姗a t i o no ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ；s t i l l i nt h ep r o c e s so f l l l 英文摘要 b o r e h o l et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ， f o 锄a t i o n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ； 印p r o p r i a t ec o n c l u s i o n so ft h e s ed e e p w a t e rd r i l l i n gw e l l s ，c e m e n t i n g ， w e l lc o n t r o l ， c a s i n g 一1 e v e ld e s i g n ，a n d s oh a sa ni n l p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i i lt h i sp a p e r ， i ti sa l s ot h ei m p a c to nw e l l b o r et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ew i 也i nt h e f a c t o r so ft h es e n s i t i v i t ) ，a n a l y s i s ， a a e c t i n gt h et e m p e r a t u r ea i l dp r e s s u r eo b t a i n e da 1 1 i m p o r t a n tf a c t o ra n dn o n i m p o r t a n tf a c t o ri nm e r e l e v a n tc o n c l u s i o n s ，a 1 1 dd e e p w a t e rd r i l l i n g o p e r a t i o n sf o r t h er a t i o n a l i z a t i o no ft h er e c o m m e n d a t i o n sm a d e k e yw o r d s ：d e e p w a t e rd r i l l i n g ，7 r e m p e r a t u r e ， p r e s s u r e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p a r a m e t r i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i s l v 主要符号表 主要符号表 温度： 直径： l 一环空内钻井液温度， 以一温度不受扰动的井径，m m 乃一地层温度，九一隔水管隔热层外径，m m 乙一钻柱内钻井液温度，4 ，一隔水管隔热层内径，m m 一钻柱内表面温度，d 肋一钻柱外径，m m 毛一钻柱外表面温度，d 所钻柱内径，i i u i l 乙一隔水管外表面温度， d ，。一隔水管外径，m m 咒一隔水管内表面温度，以一隔水管内径，m m 瓦一海水温度， d 。一地层段井壁内径，n 珊 对流换热系数： 密度： 一钻柱内表面对流换热系数，w ( n 1 2 k )p 卢一钻柱内钻井液密度，c m 3 k 一钻柱外表面对流换热系数，w ( m 2 k ) 成一环空内钻井液密度，眺m 3 一地层段井壁表面对流换热系数，w ( m 2 k ) 户厂一地层岩石密度，眺m 3 一隔水管内表面对流换热系数，w ( m 2 - k ) 忍，d 一隔水管外表面对流换热系数，w ( 1 n 2 k ) 比热容： 导热系数： c ，一钻柱内钻井液比热容，j ( 蚝k )缸一钻柱导热系数，w ( m k ) c 。一环空内钻井液比热容，j ( k g k ) 兄，一隔水管导热系数，w ( m k ) c 厂一地层岩石比热容，j ( k g k )允，一地层岩石导热系数，w ( m k ) c ，一隔水管隔热层比热容，j ( 蚝k ) 一钻井液导热系数，w ( m k ) 砧一海水导热系数，w ( m k ) v j i 五一隔水管隔热层导热系数，w ( m - k ) 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名：秕荔 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 全球经济发展到今天，随着陆上石油资源的开采，储量递减，石油能源供应日趋紧 张，人们开始向海洋索取更多的石油资源。同时也带来了越来越多的技术问题等待我们 解决，例如深海钻井技术，这些年被人们重视起来。因为深海钻井情况复杂、难度高， 需要我们对海水和地层的状况有所了解。其中，研究深海钻井过程中井筒内的温度场与 压力场是必不可少的一项工作。 研究深海钻井过程中井筒内的温度场和压力场有十分重要的作用。井筒内温度关系 和压力关系到井壁稳定、套管和钻柱强度设计、套管下入能力、注水泥质量的高低等方 面。因此，准确掌握井筒内及井底的温度以及压力分布是保证安全钻进的基础。 要研究温度场与压力场，必将关系到钻井液。随着钻井深度的增加，温度以及压力 变化很大，这样温度以及压力对钻井液的密度、粘度、导热系数和比热容的影响就不能 不考虑在内。因此，研究井筒内的温度场和压力场，钻井液的密度、粘度、导热系数和 比热容随温度以及压力的变化不得不考虑在内。 因此，从传热学以及流体力学的基本原理出发，建立一套在深水钻井条件下的井筒 温度压力的计算方法，准确预测深水钻井过程中井内的温度以及压力值并掌握其分布和 变化规律，对深水钻井作业的安全、快速进行意义重大。 一般来讲，井愈深，井下压力和温度越高，在技术上难度也就更大，这一点突出体 现在海洋钻井的过程中。世界上的很多地区，诸如美国、北海等地方，有的储层压力超 过1 0 0 m p a 、井底温度超过2 0 0 的地层已被开采。在我国南海的莺琼盆地等地也都存 在着不同程度的高温、高压下的钻井与完井问题。其中主要的问题包括： ( 1 ) 过高的地层压力 一般来讲，高压钻井应采用较高的钻井液密度，以维持井筒液柱压力在孔隙压力之 上，并保持在一个合适的密度范围之内。然而，有的地区地层压力系数和地层破裂压力 系数相近，钻井液安全密度范围较小，有时小于钻井液循环压耗，这时钻井过程中井涌 和井漏可能同时发生；除此之外，因为井很深，钻井液密度的变化导致的井底压力降低 往往与起钻时所引发的抽吸压力共同作用，使得井底压力在起钻过程中进一步降低，可 能导致井涌、井喷等事故的发生。因此，需要建立准确的当量密度模型，确保钻井液静 西安石油大学硕士学位论文 压和动压计算的准确，达到控制钻井液性能和钻井参数的目的，确保高温高压井的施工 安全。 ( 2 ) 过高的地层温度 对于陆地上较浅的井段，温度的变化对钻井作业的影响可以忽略不计。而深水钻井 往往遇到很高的地层温度，过高的温度使钻井液密度不能按常数来处理，而是温度以及 压力的函数。文献川中给出了一个例子：一种不含加重材料的合成油基钻井液在井口测 得密度为0 7 9 c m 3 ，在井底4 9 7 6 m 处，温度达2 0 l 时，密度变成了0 6 8 9 c m 3 ，井底 密度比井口密度减小1 4 。因此，能否确定钻井液的物性随井深的变化规律及其对井下 温度、压力的影响，关系到高温高压并的施工成败。除此之外，深井中存在的井壁稳定 性问题与井筒内的流体温度和井壁温度也有着密切的联系。井内流体温度和井壁温度对 以下几方面有着重要影响【2 1 ：钻井液的流变性、密度、化学稳定性；固井水泥浆的 流变性、初凝时间、水泥环的强度；油层渗透率的温度敏感性和热应力敏感性，油层 保护剂和暂堵剂的热稳定性；注水过程中的热应力诱发裂缝；热采过程中油管和水 泥环的强度( 包括界面胶结强度) ；采油过程中的析气和析蜡；热应力对井壁稳定 性的影响：水力和酸化压裂。此外，井口装置和采油装置的设计、管道的防腐、修井 和井控施工( 动态压井) 、井下测试工具的设计和测井解释都需要准确预测井内流体温 度。因次，井内流体温度和井壁温度的研究对钻井、固井、油层保护、压裂、热采、注 水开采都有实际意义。 大量的油气资源富集在海底，目前我们对海底油气资源的勘探开发还处在初期阶 段。这些年人们开始更多的关注深水、超深水钻井技术问题。目前，水深5 0 0 m 以下划 分为常规作业，5 0 0 m 2 0 0 0 m 划分为深水作业，2 0 0 0 m 以上划分为超深水作业，但是这 种界限的划分会随着技术的进步而改变。 海水越深，钻井的难度越大，其中主要的问题包括： ( 1 ) 低温带来的难题 海水的温度一般在3 5 左右，有些地区更低，海水的低温会影响海底泥线以下 约4 5 0 m 的岩层，具有低于正常地温梯度下的温度。低温给钻井可能带来的主要难题为： 增加井控难度； 钻井液柱压力增高； 降低固井质量； 形成天然气水合物； ( 2 ) 浅部水层的井涌 因为海底浅部地层渗透率因地质年龄轻等原因而较高，所以会使高压层内的地层水 第一章绪论 以相当高的流速流向低压区造成浅部水层的井涌，这样会导致一些诸如固井困难等钻井 难题的发生。 ( 3 ) 泥浆狭窄密度窗口 深水区域上覆岩层比路上岩层压力要低，这是从海水代替相当一部分造成的。地层 在这种低的上覆岩层压力下压实，趋向于较低的破裂压力，而孔隙压力没有很大的变化， 这就使得孔隙压力与破裂压力之间的差变小，也就是窄密度窗口。窄密度窗口的存在表 示过平衡泥浆密度窗口很小，就会导致套管层次的增加。为解决窄密度窗口引起的套管 层次增加的问题，这些年出现了双梯度钻井技术。如果井比较深，可能还会有高温、高 压环境存在，这样钻井液在海底，处在低温状态，而在井底，处在高温高压状态。低温、 高温、高压在一口井中同时存在，低温、高压造成钻井液的密度增加，高温造成其密度 减小。同时低温、高温、高压还会影响钻井液的流变性。在深水钻井过程中，必须考虑 各种因素对钻井液物性的影响，否则可能会在计算井底压力、温度时出现不同程度的误 差，可能造成一系列钻井问题出现。 热效应会改变井壁应力，而井壁应力的改变对地层的破裂压力梯度影响很大，这是 现阶段大量研究的结果【4 】。钻深井过程中，上部地层温度远低于下部地层温度，钻井液 循环过程中使下部井壁围岩温度降低，上部井壁围岩温度升高。下部井壁围岩因为遇冷 后紧缩作用，下部围岩的切向应力就会减小，从而变得较为稳定；上部井壁围岩因为受 热膨胀作用，上部围岩切向应力增大，如果膨胀应力和原地应力引起的井壁围岩重新分 布应力和超过岩石强度时，井壁可能发生失稳破坏。温度升高l 度，中硬度的岩石会产 生0 4 兆帕的压应力，对坚硬岩石会产生l 兆帕的压应力。在一口4 0 0 0 米至5 0 0 0 米深 的井中，循环和停止循环的温差会导致2 5 兆帕至5 0 兆帕的温差应力产生。所以深井井 壁稳定研究必须计入温度变化在井壁上引起的附加变温应力【5 1 。研究钻井过程中井筒内 的温度以及压力，对于提高钻井技术，保证安全施工，避免问题发生，有重要的实践指 导作用。 海上的高压低温井，钻井液的性质会随着井深方向而发生较大的变化，不能把它们 按常规量处理，计算出的井底压力和温度会出现很大的误差，这个误差可能会引发钻井 施工事故及安全问题。所以，建立一套钻井液物性与温度以及压力变化关系的计算方法， 得出井筒内温度以及压力是十分必要的，对提高海上钻井工程安全程度以及保证钻井质 量都具有一定实践意义。 3 西安石油大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 钻井液导热系数的研究现状 导热系数五的定义为： 五= 一兰lw ( m k ) a t | 加 它表示物质导热能力的大小，其物理意义是单位温度梯度作用下物体内产生的热流 密度值。它是衡量物质导热能力的重要参数，是物质的固有属性之一，其值与材料的几 何形状无关，主要决定于材料的成分、内部结构、密度、温度、压力和含湿量等。当物 质的种类一定时，影响导热系数的因素主要是温度以及压力。在一般工程应用的压力范 围内，可认为导热系数仅与温度有关。如温差不甚大，可取其在该温度范围内的平均值 作为定值计算。 导热系数的实验研究： 现在，测量物质的导热系数的方法主要有：稳态测量方法和非稳态测量方法；稳态 测量方法主要包括：热流计法，保护热板法，圆管法等；非稳态测量方法主要包括：热 线法，热带法，常功率热源法，激光闪射法。 稳态测量方法中，热线法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料， 例如各种保温材料；保护热板法适用于干燥材料，例如保温材料等，一般采用双试件保 护平板结构；圆管法可用于测量固体的导热系数，也可用于测量液体的导热系数。 非稳态测量方法中，热线法适用于测量不同形状的各向同性的固体材料和液体。热 带法测量原理类似于热线法，与热线法相比，其薄带状的电加热体能更好地与被测固体 材料接触，故热带法比热线法更适合于测量固体材料的热物性，此法可用于测量液体、 松散材料、多孔介质及非金属材料。常功率热源法主要用于测量固体的导热系数。激光 闪射法是一种用于测量高导热材料与小体积固体材料的技术，只适用于各向均匀、不透 光的固体材料。 根据以上内容，测量钻井液的导热系数的方法，可以用稳态法，也可以用非稳态法。 但是稳态法所用时间长，非稳态法所用时间短，且测量精度高。因此测量钻井液的导热 系数也应该用非稳态法。 经文献调研，现在还没有人发表过钻井液导热系数的研究的文章，但是有不少人研 4 第一章绪论 究了电解质水溶液、纳米流体、生物流体、甘油水溶液、天然气水合物、混合制冷剂 等物质的导热系数的实验方法和理论解析法。钻井液的性质与上面所说的各种流体大同 小异，其导热系数的测定和计算方法应该与他们相似，但是导热系数和比热容随温度以 及压力的变化规律却不一定相同。下面列举出以上几种流体的导热系数的研究。 1 9 9 6 年，浙江大学周其云研制了一套溶液导热系数测定仪，利用对比法来测定聚合 物溶液的导热系数。测量方法是稳态法，基本原理是傅立叶导热定律： d ：朋丝 一 出 2 0 0 2 年9 月，徐敏，张军，刘青等采用热针法测定了嵌段共聚物s b s l 4 0 l ，s b s 4 4 0 2 及无规共聚物s b r 环己烷溶液的导热系数，采用热敏电阻丝作为加热元件和测温元件， 测量方法是瞬态法。测量方法是单丝法，热丝既作为加热单元又作为测温单元。基本原 理是： 允= ( q 4 万) ( l nf 丁) 2 0 0 4 年9 月，蔡岸，刘震炎，奚同庚等研究了一种能同时测量纳米流体导热系数五、 导温系数口。和比热c 。的非稳态多功能测试新方法，它结合了单丝法准确测量导热系数 和双丝法准确测量导温系数的优点。测量方法是双丝法，一根热丝作为加热丝，另一根 热丝作为测温丝。两根热丝的长度可以相同也可以不同。测量原理同上。 2 0 0 5 年1 月，张海峰，何立群，高大勇采用微珠状热敏电阻作为点热源和测温元件， 在一维点源脉冲传热模型的基础上建立一种同时测量生物流体热扩散系数、导热系数和 热容的瞬态方法。与双丝法相比，传热模型不同，但是方法近似。测量原理是：求解点 热源的径向导热模型得出的计算公式。 2 0 0 5 年9 月，王玉刚，吴江涛，刘志刚研制了高精度瞬态双热线法导热系数测量装 置及数据采集系统。该系统适用的压力和温度范围分别为o 3 0 m p a 和2 0 0 4 7 0 k 。该 系统得优点是能够测量不同压力下流体的导热系数和比热。而且精度较高。 根据以上内容，测量导热系数的试验装置按测量方法分，有稳态法和非稳态法；两 者相比，非稳态法测量时间短，测量精度高。而非稳态法主要有单丝法、双丝法和微珠 法。 导热系数的理论预测： 1 9 8 9 年1 1 月，陈则韶，藤井哲，藤井丕夫等研究获得了推算二元和玎元有机混合 液体导热系数的较准确公式。 5 西安石油大学硕士学位论文 以= 国。 + 国：五一p + i a 如| _ o 5 ) 缈。缈：( 如一 ) 式中q 、彩2 分别表示二元混合液中成分l 和2 的质量比率，a 、五分别表示成分l 和成分2 的导热系数。c 称之为混合液常数，归结了影响混合液导热系数的一些次要因 素，与混合液的纯成分液有关。可试用纯成分液体的固有因子c ，c ，的算术平均值来合 成，即 其中 c = ( q + c ) 2 q = ( 6 。丁+ + 6 2 ) m m o ，r = ( 瓦一丁) ( 瓦一乙) 刀元混合液的导热系数的推广推算式为： 以= 窆w ，五一兰窆w ，_ ( + l l o 5 i ) ( 乃一 ) ，( t 丑) 1 9 9 6 年2 月，王克强根据液体微观结构的特点和热传导机理发展了一种计算液体导 热系数的新方法。 两式组合得 _ ；l l = b p p 邶= 口+ 6 丁+ c r 2 屯掣3 = 口o + 口i 丁+ 口2 r 2 2 0 0 1 年9 月，王克强，王爱琴，冯瑞英根据液体结构的特点，通过建立液体混合物 导热系数的理想模型，发展了计算混合液体导热系数的新方法。他认为对于刀元混合物， 液体中分子( 或分子簇) 的排列方式有三种，方式之一是”并联”，方式之二是”串联”， 方式之三是”混联”。 对于方式一，相当于平面壁的并联传热，故丸耐为 九甜= w f 丑 对于方式二，相当于多层平面壁的串联传热，故丸耐为 、? 丸? = w i f 扎 对于方式三，液体分子( 或分子簇) 的排列既有”串联”，又有”并联”，对于理想混 6 第一章绪论 合液体，我们认为分子( 或分子簇) 的各种排列方式的几率相同( 等几率假设) ，故以耐 为： 啦叫+ 酬 根据以上内容，预测混合物导热系数的方法大致上可分为两大类，第一类是根据纯 组分的导热系数进行预测，第二类是根据纯组分的物性数据( 如熔点、沸点、液体体积、 临界参数等) 和纯组分的导热系数进行预测。显然，后者在实际应用中受到一定限制。 根据纯组分导热系数预测混合物导热系数的方法有： f i l i p p o v 方法、j a f n i e s o n 方法、指 数关联式、童景山方法( 7 7 型) 、陈则韶方法等。 1 2 2 钻井液比热容的研究现状 比热容：物体温度升高l 度所需要的热量称为该物体的热容量，简称热容。单位质 量物质的热容量称为该物质的比热容( 质量热容) 。用c 表示，单位为j ( k g k ) 。它 是反映液体性质的重要物理参量之一，通常的测量方法有电热法、冷却法、混合法等多 种方法。 至今，对钻井液比热容，只有何世明，徐壁华，何平等在西南石油学院学报上 发表过”水泥浆与泥浆比热的室内研究”的文章，对钻井液的比热容进行了初步研究。井 下循环温度是影响注水泥能否成功的关键因素之一，要准确计算循环温度，除了建立与 井下实际情况吻合的模型外，还必须准确给出水泥浆、泥浆的热物性数据。首先根据测 量液体比热的电流量热器法原理自制了测量装置，然后分别测量了1 5 种水泥浆、5 个密 度的两类泥浆在7 个温度范围下的比热，最后分别分析了水泥浆与泥浆的组份、密度以 及温度的变化对水泥浆和泥浆比热的影响。结果表明：在相同密度温度条件下，水泥浆、 泥浆组份不同时，其比热不同；同组份的水泥浆和泥浆，在任何温度下，水泥浆、泥浆 比热随密度减小而增大；对任何水泥浆、泥浆，其比热随温度升高而增大； 除此之外，对液体比热容的研究主要有： 1 9 9 4 年，蒋林华，徐佩珠采用冷却法讨论了盐水比热容的测定方法。建立在用一已 知比热容的液体和另一被测液体相比较的基础上，经过试验的比较测量得出被测液体的 比热。测量原理是牛顿冷却定律。 1 9 9 4 年，赵小明，赵冠春利用精密自动绝热比热容实验装置，测量了丁苯橡胶合成 7 西安石油大学硕士学位论文 过程中高分子凝聚物的比热容。实验原理是： c p = q ( 疋一1 ) 所】 测量出的是( 五+ 瓦) 2 处的比热容。实验要求量热器系统绝热。 1 9 9 6 年，阎向宏，张亚萍得出了利用实验曲线计算液体比热容的方法，可以有效地 消除因为量热筒的散热造成的测量误差。 2 0 0 0 年，王平将两个相同的电量热器串联，两个电量热器系统向外界散失的热量能 互相抵消，从而可把两个电量热器系统看作绝热系统，较准确的测出比热。 2 0 0 1 年，王文周发表了”对电流量热器法测定液体比热容实验的改进”的文章。考虑 两个量热器的电阻不相等，推导出液体比热容的计算公式。 2 0 0 4 年9 月，赵小明，陆世豪，刘志刚用准稳态法测量液体比热容，它不需要测量 样品达到完全热平衡，只需满足准稳态条件，就可获得相应状态下的比热容。 2 0 0 6 年3 月，刘竹琴，白泽生用温差电偶测量液体的比热容。利用温差电偶测量液 体的比热容，既改进了传统的实验方法和仪器，又提高了实验的准确度和稳定性。 能够看出，对钻井液比热的研究，现在还不全面，何世明，徐壁华，何平的研究，只考 虑到了温度的变化对钻井液的导热系数的影响，但是没有考虑到压力的影响。因此，对 钻井液比热容的实验研究还有待于进一步的加强。 本论文主要研究内容是：研究深水钻井过程，采取数值法，分析深水钻井过程中井 筒内的温度以及压力关系，研究可能因素对温度以及压力的影响。准确计算井筒内的温 度以及压力，以期达到有助于对固井、井控、套管层次设计等设计指导意义。论文中， 以目前通常采用的隔水管系统为例进行研究和分析。 隔水管钻井系统示意图如下： 第一章绪论 图1 1 隔水管示意图 f i g 卜l & s e rd n l l i n gs y s t 锄 1 2 3 目前钻井过程压力场研究的现状 常规钻井过程中，预测井底静液柱压力时用到的钻井液密度p 按常量来考虑。可是 在深水钻井过程中，压力高、温度低，钻井液的密度受温度以及压力的影响情况比较大， 此时p 不能再按常量来考虑，否则计算出来的井底压力结果必定和实际情况相差很大， 井涌或井漏的情况就有可能发生。为了解决上述问题，应当制定合理的钻井液密度，研 究确定方法，尽可能较为正确地计算深水钻井时井筒内的压力。 影响井筒内的温度以及压力的因素有许多，诸如地温梯度、环境温度、水泥浆性能、 井身结构、钻井液性能、循环参数这些因素。如果希望准确计算井筒内的压力，那么应 当对井筒内的温度进行耦合计算。计算过程中，钻井液的物性按变量来处理。除此之外， 9 西安石油大学硕士学位论文 还应当有准确计算井筒内摩擦压降的方法。 压力场的计算主要包括两个方面：当量静态密度和当量循环密度。 ( 1 ) 当量静态密度计算方法 通常，计算井底静液柱压力的公式为： p = p 妒 ( 1 - 1 ) 式中，p 为井底压力，m p a ；夕为钻井液密度，c m 3 ；日为井深，k m 。 浅井中，户可以视为常数。实际上钻井液是多相流体，既具有可压缩性，又具有热 膨胀性，即一方面p 会随压力升高而增大，又会随温度升高而减小，所以，在深井中， p 不能视为常数。h o b e r o c k 【1 4 】等的研究结果表明，在井深6 l o o m 处( 温度1 9 l ，压力 1 0 3 4 m p a ) 纯水流体密度从常温常压下的1 0 0 0 k m 3 降至9 3 6 k m 3 ，而某种水基钻井液 密度从常温常压下的1 6 2 0 k m 3 降至1 5 3 0 k m 3 。此时，井底钻井液液柱压力实际值要 比p 当作常数求得的值减少2 1 4 m p a ，这样大的误差足以给井控带来严重问题，甚至可 能导致井喷事故的发生。 因此讲，计算深井井筒内的压力时，密度p 不能按常量计算，否则，有可能导致危 险的发生。而要准确计算井筒内的压力，只需要准确计算当量密度以。当量密度以又 分为当量静态密度和当量循环密度。可以通过分段求解后叠加，求出肠后， 利用公式鼬= 肠+ 等可求得肠，其中卸是摩擦压降。 g h 为准确计算井底静态压力及循环压力，必须首先建立在高温高压条件下，钻井液密 度的较准确预测模型。随着深度的增加，井筒内的温度不断升高，压力不断增大。温度 的升高造成钻井液的密度减小，压力的升高造成钻井液的密度增大。因此讲，两者对钻 井液密度的影响是相反的。现场实测数据表明，在高温高压井中，井底的钻井液的密度 与地面上的钻井液的密度有明显的不同。k e e l a n a d a m s o n 【i 】等人特别提到了高温高压对 钻井液密度的影响，认为这种影响足以使高温高压井的井眼稳定出现问题；m c m o r d i ee t a l 【1 7 】研究了温度以及压力对水基、油基钻井液的密度的影响，实验数据表明：钻井液的 密度的变化是温度以及压力的函数，而且与初始密度无关；相同状况下，相同密度的油 基钻井液和水基钻井液，油基钻井液受温度以及压力的影响更大。h o b e r o c ke ta l 【1 4 】给出 了预测水基、油基钻井液密度的组分模型，密度为2 1 5 7 c m 3 的油基钻井液，升温到 2 0 4 ，1 0 3 4 m p a ，钻井液的密度改变了o 1 8 c m 3 。如果在计算井底压力时这个变化不 1 0 第一章绪论 记入在内，可能会导致井控问题，为了井控安全、防漏失，必须考虑温度以及压力对钻 井液的密度的影响。k u t a s o v 提出了确定井下钻井液密度的经验模型，并回归了模式 中的经验系数。 归纳起来，上述对钻井液密度随温度以及压力的变化的模型研究可分为两种方法， 也就是的”复合模型”和”经验模型”。 ”复合模型”认为钻井液是从水、油、固相、加重物质和添加剂等所组成，而每种组 分的性能随温度以及压力而改变的情况是不同的。在确定了这些单一组分的随温度、压 力变化规律后，便可以获得预测钻井液密度变化的”复合模型”。以h o b e r o ck ( 1 4 】等人的模 型为代表，其模型如下： p ( p ，r ) = p d ，七p 。l l w j rps s 七p c c 其中【1 9 】 z ，兀，z ，z 参比条件下油、水、固相、添加剂的体积分数； 成，成，参比条件下的油、水的密度； 岛，以温度压力为( p ，r ) 条件下的油、水的密度： p ( p ，r ) 温度压力为( p ，丁) 条件下的钻井液的密度； 用经验方程来表征公式( 1 - 2 ) 中的见，风。如下： 见24 + 4 丁+ 4 尸。风2 届+ 岛丁+ 岛户 其中： 4 = 7 2 4 0 3 2 。 4 = - 2 8 4 3 8 3 l 旷， 4 = 2 7 5 6 6 0 1 0 ， 如果水相是盐水【2 0 】，则： 几= ( 1 + 口) ( 1 + 6 ) 属= 8 6 3 1 8 6 岛= 一3 3 1 9 7 7 1 0 3 尾= 2 3 7 1 7 0 1 0 5 ( 1 2 ) 西安石油大学硕士学位论文 其中： 口：一2 2 5 9 7 1 0 9 r 3 + 1 7 2 6 8 1 0 6 r 2 5 9 0 l r 6 ：一8 9 7 7 l 1 0 1 1 p 2 一1 2 8 8 4 1 0 - 6 p 2 丁2 7 3 5 l o m p r 1 8 7 9 2 1 0 _ 6 r + 0 0 0 1 3 4 1 9 这种模型使用起来较为复杂，需要对钻井液的不同成分( 水、油、固相等) 分别进 行实验，掌握其规律才能应用。 ”经验模型”是根据大量的实验数据分析获得的经验模型，因而有不同的数学表达 式，使用精度也各有不同。该模型只需对所用钻井液进行有限的几组试验，以确定模式 中的常数。其中具有代表性的为： 管志川【2 1 1 ： 告_ 1 1 ( p 嘣) 嘞( 卜瓦) ( 1 - 3 ) 鄢捷年【2 2 】： p ( 丁，p ) = 风p 。r 一2 6 。6 7 卜6 + 。r p ( 1 4 ) 汪海阁【2 3 】： p ( r ，p ) = ，p 4 p 一巾卜6 7 一瑶卜。r 一) 2 ( 1 5 ) 张金波【2 4 】： p = 风扣，n ( 1 6 ) 其中： r ( p ，丁) = 厂p ( p p o ) + y 刀( p p o ) 2 + y r ( r 一瓦) + y 仃( r 一瓦) 2 + y p r ( p p 。) ( 丁一瓦) 以上各式中，p ( r ，p ) 为温度丁、压力p 时的钻井液密度；风为温度、压力仇时 的钻井液密度；口、6 、c ，y p ，厂印，7 7 ，厂玎，厂p r 为钻井液特性常数。 在实际应用中【2 5 1 ，一般情况下，确定钻井液密度有两种方法：第一种方法：根据地 层孔隙压力破裂压力值，使钻井液密度保持和地层孔隙压力相平衡，再加一个附加值 卸，附加值可用系数表示，也可用绝对值表示。使用绝对值表示：油井为1 5 m p a 3 5 m p a ，气井为3 0 m p a 5 o m p a 。用系数表示为油井0 0 5 0 1 0 ，气井为0 0 7 0 1 5 。 第二种方法：考虑影响钻井液密度的一些因素，经过详细计算求出钻井液密度，再加一 第章绪论 个附加值。影响钻井液密度的因素有环空流动阻力、环空岩屑量、温度、压力以及抽吸 压力等。 ( 2 ) 当量循环密度计算方法【1 5 】 摩擦压降是流动期间钻井液与流动管壁相接触所造成的压力损耗。因为钻井液的流 动，管壁表面可形成边界层，即钻井液的粘度特性造成与流动方向相垂直的流速发生变 化。钻井液流速的这一变化表现为产生动量损耗和流动阻力。从此造成的压降与流动管 壁的长度、钻井液密度、钻井液流速的平方成正比，与管壁的直径成反比。用公式表示 为： 以：丝生址( 1 7 ) j d 式中，p 为钻井液密度；u 为钻井液流速：址为流动管壁的长度；d 为管柱直径； 在非圆管柱流动条件下，可用当量直径以= 4 4 只替代直径。为范宁摩擦系数，可以 定义为因为流体流动而施加在流动管壁上的力与流动管壁的特征面积和单位体积流体 动能之积的比值。 为了计算摩擦压降，必须确定流态是层流还是紊流。可根据下式计算出的雷诺数来 确定。 吒：竺坐型 ( 1 8 ) 。 式中： d 管柱直径或当量环空当量直径； 6 钻井液平均流速； p 钻井液密度； 心表观粘度； 其中：宾汉流体的表观粘度可用式( 2 4 8 ) ，( 2 4 9 ) 计算。 雷诺数等于或小于2 1 0 0 时为层流。雷诺数大于2 1 0 0 时为紊流。如果流型为层流， 可根据从宾汉塑性模型推导出的下列式子来计算摩擦压降。 管柱中的摩擦压降： 1 3 西安石油大学硕士学位论文 嵋= 净割址 9 ) 嵋= 南+ 赤卜 式中，吐环空内径；d ：环空外径； 方酬。c 鼬扔乩3 9 5 m p ，：塑生缸( 1 1 2 ) j d 除此之外，褚元林【1 6 1 等针对直井钻进过程中环空内岩屑的运移特点，对环空中固液 褚元林认为：匀速段固液两相流压降卸。主要包括流体本身产生的摩擦压降卸。，固相 颗粒运动引起的摩擦压降卸，以及固相颗粒自重引起的压降卸曲，即： 卸。= 卸+ 卸。+