天然气水合物钻井液冷却系统设计研究

天然气水合物钻井液冷却系统是天然气水合物钻井的关键技术装备之一,鉴于此,对天然气水合物钻井中钻井液冷却及温控系统进行了设计研究。系统整体采用模块化设计、一体化橇装结构,并采用闭式循环强制传热技术,系统核心部件换热器设计为人字形板式换热器,温度自动控制模块基于单片机进行设计。同时基于平均温差法完成换热器的热负荷和换热面积的理论计算。试验中系统能够实现钻井液冷却并在-4~4℃的范围之内动态恒温控制,能防止钻井液过冷冻结而堵塞换热器。设计的天然气水合物钻井液冷却系统可有效解决天然气水合物钻井中由于钻井液温度升高导致的井壁坍塌和天然气水合物分解的技术难题。     

钻井液冷却系统概念设计

针对钻井液在钻进过程中的持续高温,导致钻井液出现高温降解、高温交联、高温解吸附等现象,介绍了一种在地面对井下返回的高温钻井液进行快速降温的钻井液冷却系统。该系统能保证钻井液在合适温度下保持稳定的性能,以确保正常钻进。     

钻井液特性对近井地带水合物分解的影响

针对钻井液的扰动会导致水合物储层中水合物的分解和井壁失稳问题,开发了用于模拟水合物储层钻井过程中水合物分解和井壁坍塌的流—固—热耦合三维模型,研究了钻井液特性对近井地带水合物分解的影响。结果表明:欠平衡钻井作业会导致严重的水合物分解,而过平衡钻井可以较好地减缓水合物的分解及由此导致的井壁失稳状况;钻井液温度也是影响水合物稳定性的重要因素,当钻井液温度从17.25℃增加到21.25℃时,水合物的最终分解范围增加近2倍;钻井液盐度的增加虽然有利于井筒安全控制,但会加剧水合物的分解。研究成果为水合物地层钻井液的配制提供了参考。     

钻井施工过程中对钻井液性能的影响

在钻井作业过程中,钻井液可以有效提高钻井作业效率。为了解决钻井过程中钻井液性能的问题,结合我国钻井液的现状,我们将首先对钻井液的主要作用进行详细分析。从这个角度出发,我们分析了钻井结构对钻井液性能的影响,并奠定了基础,以进一步促进钻井液的研究。研究表明:在钻井作业过程中,钻井液可以在井底的润滑和清洁中发挥作用,但是钻井作业的构造可能会对钻井液的性能造成一定的损害。流体有待进一步改善,因此,提出在研究中对钻进液的再次改进。     

温度和压力对钻井液流变性的影响

本文详细论述了温度和压力对钻井液流变性影响的机理、试验结果及实际应用。文中列举了温度、压力、剪切应力、剪切速率等之间的关系，以及试验中所用的各种模型，并举例说明了各种模型在实际钻井作业中的应用。     

钻井过程中钻井液循环温度数值模拟

准确的预测钻井液循环温度对钻井作业安全、快速钻进具有十分重要意义。文章根据热力学第一定律及传热学的基本原理,考虑了钻井液传热受流动影响,建立了钻井液与地层之间的二维非稳态循环温度数学模型,模型通过优选钻井液流变模式,精确计算钻井液流变参数,并采用无条件稳定的全隐式有限差分法求得模型的数值解,提高了预测精度。最后用现场实测数据与模型计算数据进行了对比分析,验证了该模型的可行性和准确性。该模型可用于计算实际循环条件下的管柱内钻井液、管壁、环空钻井液与地层的温度分布,为准确预测钻井安全密度窗口和钻井液设计提供基础数据。     

钻井液施工配合激进钻井提速技术的研究与应用

钻井液技术作为钻井作业的关键配套技术,其在钻井提速方面有着独特的地位和作用。本文通过对钻井液影响机械钻速的原理分析,提出了钻井液性能参数中的密度、黏度、切力、滤失性能及施工排量等配合激进钻井模式提速的优化思路,以期对钻井时效的提高提供借鉴和指导。     

深水钻井条件下合成基钻井液流变性

目前合成基钻井液体系在深水钻井中应用比较广泛,其低温流动性也成为深水钻井中较受关注的问题。通过测定线性α-烯烃合成基钻井液在不同组成时的黏度-温度特性,研究了乳化剂种类、有机土加量、油水比以及钻井液密度等对合成基钻井液低温流动性影响,探讨了基油种类和黏度对油包水钻井液的黏度-温度特性影响。实验结果表明,乳化剂种类是影响线性α-烯烃合成基钻井液低温流动性的最主要因素,其次是有机土加量和油水比,而加重材料对合成基钻井液低温增稠程度影响较小;基油低温黏度是影响深水合成基钻井液体系黏度的重要因素。线性α-烯烃合成基钻井液较矿物油和气制油基钻井液具有更优的低温流动性,可以应用于深水钻井作业。     

深水钻井井筒全瞬态传热特征

深水钻井作业期间的井筒温度是深水钻井设计和安全钻井的重要基础数据。基于深水钻井液循环时井筒与地层和海水的传热机理,建立了全瞬态深水钻井液循环温度计算模型,模型与Holmes实验井实测温度吻合程度较高。利用一口深水模拟井数据,分析了水深、水温、隔水管保温层等因素对钻井液循环温度的影响。研究表明,深水井筒温度随井深变化幅度小,一般不超过30℃;水深相差500 m时,一般会使井底温度相差约5℃,但基本不影响钻井液出口温度;隔水管保温层对井筒温度影响大,而季节变化对深水钻井液的循环温度基本没有影响。     

基于ABAQUS的温度对钻井液漏失影响规律

深层油气储层高温、高压、高应力特点给钻井工程带来极大挑战，其中钻井液漏失是常见的钻井复杂工况之一，严重制约其勘探开发进度。为研究在深层钻井过程中温度对钻井液漏失的影响规律，以ABAQUS软件平台为基础，建立了考虑钻井液动态循环的热-流-固全耦合漏失有限元模型，分析了不同钻井液温度条件下的井周应力分布、地层温度场变化、漏失裂缝延伸规律和钻井液漏失规律。研究结果表明：当钻井液温度低于地层温度时，会产生“冷却”效应，导致地层遇冷收缩，井周应力降低；低温循环会降低漏失排量阈值，且相同排量下，低温循环漏失发生得更早。然而，低温钻井液对于地层温度场的影响仅存在于近井区域。短期内，诱导裂缝宽度和长度依然由钻井液排量主导，仅在近井区域的裂缝宽度上表现出了“冷却”效应的影响。建立的热-流-固全耦合模型可以描述动态钻井过程中温度对钻井液漏失规律的影响，可为高温地层钻井设计和现场施工提供研究方法和参考数据。