孫小輝， 孫寶江， 王志遠(yuǎn)， 王金堂

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

超臨界CO2鉆井井筒水合物形成區(qū)域預(yù)測

孫小輝， 孫寶江， 王志遠(yuǎn)， 王金堂

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

為了保證超臨界CO2鉆井安全并快速鉆進(jìn)，需要解決井筒內(nèi)水合物生成的問題。為此，在分析水合物形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了超臨界CO2鉆井井筒水合物形成區(qū)域預(yù)測模型，并給出了模型的定解條件和數(shù)值求解方法。通過設(shè)計算例進(jìn)行了計算分析，結(jié)果表明：環(huán)空內(nèi)水合物形成區(qū)域的臨界井深，隨注入溫度或水合物抑制劑加量增大呈二次多項式非線性下降；隨井口回壓增大先呈對數(shù)函數(shù)增大、后呈二次多項式關(guān)系增大，增大的幅度逐漸變小。分析結(jié)果可為超臨界CO2鉆井防治水合物形成提供理論參考。

超臨界二氧化碳鉆井 水合物 抑制劑 數(shù)學(xué)模型 溫度場 壓力場

超臨界二氧化碳(SC-CO2)鉆井是一種高效、環(huán)保的鉆井方式，具有破巖快、井眼清潔能力強(qiáng)、保護(hù)儲層和易實現(xiàn)控壓鉆井等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。近年來，國內(nèi)外的噴射破巖試驗發(fā)現(xiàn)SC-CO2鉆井破巖門限壓力低、機(jī)械鉆速高[3-4]，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，作為一種新型鉆井方式，SC-CO2鉆井仍有許多問題有待解決，井筒水合物形成區(qū)域的預(yù)測和控制便是關(guān)鍵內(nèi)容之一。

鉆井過程中，水合物的形成會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題，SC-CO2鉆井更是如此。通常條件下，SC-CO2鉆井時處于欠平衡狀態(tài)，地面注入的低溫高壓CO2在循環(huán)過程中遇到一定量的地層水，會在井筒中形成CO2水合物，給鉆井參數(shù)設(shè)計和井控安全帶來較大的挑戰(zhàn)。為了有效控制水合物的形成，需要進(jìn)行水合物形成區(qū)域的預(yù)測。關(guān)于水合物形成的預(yù)測，國內(nèi)外學(xué)者相繼建立了不同條件下的水合物相態(tài)預(yù)測模型：J.H.van der Waals等人[5]最早提出預(yù)測水合物相態(tài)的VDW-P方法；隨后，W.R.Parrlsh、Heng-Joo Ng和G.D.Holder等人[6-8]修正了Langmuir常數(shù)計算式，并將VDW-P方法應(yīng)用到多元?dú)怏w中；針對CO2水合物，P.Englezos、P.R.Bishnoi和K.Nasrifar等人[9-11]修正了相應(yīng)的熱力學(xué)方程。

在SC-CO2鉆井中，CO2流體通常存在相態(tài)的轉(zhuǎn)變和熱物性參數(shù)的變化[3]，流體溫度場和壓力場的計算十分復(fù)雜，因此預(yù)測井筒內(nèi)CO2水合物的形成區(qū)域比較困難。為此，筆者建立了SC-CO2鉆井井筒水合物形成區(qū)域預(yù)測模型，通過求解模型的數(shù)值解，對SC-CO2鉆井井筒水合物的形成區(qū)域進(jìn)行分析。

1 水合物形成區(qū)域預(yù)測模型的建立

低溫和高壓是水合物形成的2個必要條件[12-13]，預(yù)測水合物形成區(qū)域時需要對SC-CO2鉆井流體的溫度場和壓力場進(jìn)行準(zhǔn)確計算，并結(jié)合CO2水合物的相平衡規(guī)律進(jìn)行判斷。井筒水合物形成區(qū)域預(yù)測模型包括鉆桿和環(huán)空內(nèi)流體溫度場方程、多相流壓力場方程、水合物熱力學(xué)方程及其他輔助方程。

1.1 SC-CO2鉆井溫度場方程

CO2鉆井流體循環(huán)過程中，主要通過熱傳導(dǎo)和熱對流2種方式與周圍地層進(jìn)行熱量傳遞。在考慮鉆桿和環(huán)空中CO2流動特性和熱物性參數(shù)變化的基礎(chǔ)上，利用能量守恒原理，得到SC-CO2鉆井的流體溫度場方程[1,14]。

鉆桿內(nèi)流體溫度場方程為：

(1)

環(huán)空內(nèi)流體溫度場方程為:

(2)

式中：h為井筒任意深度，m；tDP和tA為鉆桿和環(huán)空內(nèi)流體的溫度，℃；kE，kDP和kA分別為地層、鉆桿和環(huán)空內(nèi)的傳熱系數(shù)，J/(m2·s·℃)；dDP和dIC為鉆桿內(nèi)徑和套管內(nèi)徑，m；cDP和cA為鉆桿和環(huán)空內(nèi)流體的比熱容，J/(kg·℃)；tE為地層巖石的溫度，℃；tD為無因次溫度[15]；qw為地層的出水速率，kg/s；qm為巖屑的生成速率，kg/s；qs為CO2的注入速率，kg/s。

1.2 SC-CO2鉆井環(huán)空壓力場方程

為了得到環(huán)空內(nèi)流體的速度和壓力分布，需要對環(huán)空內(nèi)多相流的連續(xù)性方程和動量守恒方程進(jìn)行耦合求解。

連續(xù)性方程為：

(3)

式中：i表示不同的流體組分，分別為水(w)、液態(tài)二氧化碳(lc)、氣態(tài)二氧化碳(gc)、超臨界二氧化碳(sc)、巖屑(m)；ρi為i組分的密度，kg/m3；vi為環(huán)空流體i組分的平均流速，m/s；Ei為i組分的體積分?jǐn)?shù)；qi為i組分的質(zhì)量流速，kg/s。

動量守恒方程為：

(4)

式中：f為摩阻系數(shù)；pf為流體壓力，Pa；A為環(huán)空截面積，m2；g為重力加速度，m/s2；α為井斜角，rad；D為當(dāng)量直徑，m；ρ為環(huán)空流體各組分的平均密度，kg/m3。

1.3 水合物的熱力學(xué)方程

對SC-CO2鉆井井筒內(nèi)的水合物形成區(qū)域進(jìn)行預(yù)測時，需要將水合物形成的熱力學(xué)條件和井筒流體的溫度壓力場結(jié)合起來。基于熱力學(xué)平衡理論，對水合物晶格體系中的水相、氣相以及晶格間的相平衡關(guān)系進(jìn)行描述，得到水合物形成的熱力學(xué)方程，對水合物形成的熱力學(xué)條件進(jìn)行計算。

根據(jù)G.D.Holder提出的理論，富水相和空水合物晶格中水的化學(xué)勢差為：

(5)

利用式(5)計算得到不同體系的CO2水合物相平衡曲線，并與文獻(xiàn)[7，19-23]中的試驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，利用模型計算出的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差較小。

1.4 其他輔助方程

對超臨界CO2鉆井井筒水合物形成區(qū)域預(yù)測模型進(jìn)行求解時，需要其他輔助方程，包括噴嘴方程[24]、CO2熱物性參數(shù)計算方程[25-26]、流體摩阻系數(shù)方程[27]、SC-CO2對換熱系數(shù)方程[28]、巖石溫度場方程[29]等。利用以上輔助方程，對水合物形成區(qū)域預(yù)測模型中的未知量進(jìn)行求解，使方程組封閉。

2 模型求解

2.1 方程組的定解條件

地面條件下注入鉆桿內(nèi)的鉆井液溫度為已知量，溫度場方程的第一邊界條件為：

tDP(0)=ts

(6)

鉆頭噴嘴出口處的流體溫度與井底處環(huán)空流體的溫度相等，溫度場方程的第二邊界條件為：

tout=tA(H)

(7)

地面條件下鉆井液流量和井口回壓為已知量，壓力場方程的第一邊界條件為：

(8)

井底處巖屑的生成速率以及地層水的侵入速率可以測量，壓力場方程的第二邊界條件為：

(9)

2.2 數(shù)值求解流程

對于SC-CO2穩(wěn)態(tài)流動，空間域為整個鉆柱及環(huán)空節(jié)點(diǎn)，采用中心差分方法，對井筒水合物預(yù)測模型中的各個方程進(jìn)行離散。以壓力場方程為例，其差分方程為：

(10)

具體求解流程如下：

1) 已知井口注入溫度和地層溫度梯度，假設(shè)鉆桿內(nèi)溫度分布；

2) 已知井口回壓和鉆桿內(nèi)溫度分布，計算環(huán)空內(nèi)的壓力分布、物性參數(shù)和溫度分布；

3) 計算噴嘴壓降，由井底向地面計算鉆桿內(nèi)的壓力分布和物性參數(shù)；

4) 計算噴嘴溫降，利用“追趕法”求解鉆桿溫度場差分方程組成的三對角方程組，得到鉆桿內(nèi)的溫度分布；

5) 重復(fù)進(jìn)行2)、3)、4)步，直至循環(huán)前后鉆桿和環(huán)空內(nèi)各點(diǎn)溫度和壓力的計算誤差滿足要求為止;

6) 計算不同條件下CO2水合物的相平衡條件，結(jié)合井筒內(nèi)流體溫度壓力分布，判斷井筒內(nèi)水合物的形成區(qū)域。

3 計算結(jié)果分析

通過算例對SC-CO2鉆井井筒水合物的形成區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，并討論不同條件下井筒水合物形成區(qū)域變化規(guī)律以及不同的水合物抑制方案。算例采用連續(xù)油管進(jìn)行SC-CO2側(cè)鉆，參考文獻(xiàn)[28]中試驗井的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[28]中試驗井SC-CO2鉆井的主要參數(shù)為：CO2注入速率為1.5kg/s,注入溫度-20 ℃，地面溫度為20 ℃，溫度梯度為3.0 ℃/100m，井口回壓5MPa，循環(huán)時間為10h，側(cè)鉆點(diǎn)井深為1 800.00m，側(cè)鉆井深為2 000m，造斜率為4°/30m，地層導(dǎo)熱系數(shù)為2.3W/(m·℃),地層比熱容為837.0J/(kg·℃)，噴嘴直徑為3.175mm。該試驗井的井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 SC-CO2鉆井井筒溫度壓力場分析

圖3為計算得到的SC-CO2鉆井井筒的溫度壓力分布曲線。由圖3可以看出，隨著井深增加，鉆桿和環(huán)空內(nèi)的溫度逐漸升高，但升高幅度逐漸減緩，沿井筒呈二次多項式的非線性分布；鉆桿和環(huán)空內(nèi)的壓力隨井深增加逐漸增大，沿井筒近似呈線性分布。鉆桿內(nèi)流體溫度隨井深增加而升高的幅度高于環(huán)空內(nèi)溫度升高的幅度，井口處兩者溫度差為-18.2 ℃，溫度差隨井深增加逐漸趨于零。鉆桿內(nèi)的壓力整體大于環(huán)空壓力，兩者的差值從井口至井底由2.4MPa升至4.3MPa。當(dāng)溫度大于31.1 ℃、壓力大于7.37MPa時，CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)。由圖3還可看出，鉆桿和環(huán)空內(nèi)CO2的相變點(diǎn)分別在井深620.40m和808.20m。

分析可知，井深較淺的環(huán)空區(qū)域和鉆頭噴嘴處CO2的溫度較低，可能會生成水合物。圖3中水合物相態(tài)曲線左側(cè)區(qū)域與環(huán)空流體溫度曲線右側(cè)區(qū)域相互交叉的范圍(藍(lán)色陰影區(qū)域)，即井深0～302.30m為環(huán)空內(nèi)水合物形成區(qū)域的臨界井深，噴嘴處無水合物形成。其中，水合物相態(tài)曲線為環(huán)空內(nèi)流體壓力下對應(yīng)的水合物相平衡曲線，不同環(huán)空流體壓力分布對應(yīng)不同的水合物相態(tài)曲線。

3.2 SC-CO2鉆井環(huán)空水合物形成區(qū)域預(yù)測

3.2.1 不同溫度和壓力條件下的水合物形成區(qū)域

水合物的形成與環(huán)境溫度、壓力密切相關(guān)。調(diào)節(jié)注入溫度和井口回壓可以改變井筒內(nèi)流體的溫度場、壓力場，實現(xiàn)抑制水合物形成的目的。

圖4為計算得到的不同注入溫度下的環(huán)空水合物形成區(qū)域的臨界井深變化曲線。由圖4中可以看出，環(huán)空內(nèi)形成水合物的臨界井深隨注入溫度升高變淺，水合物形成臨界井深與注入溫度呈二次多項式關(guān)系，增加注入溫度，水合物形成臨界井深變淺幅度逐漸增大。當(dāng)注入溫度升至5 ℃時，水合物形成臨界井深為0m。這是因為不同的注入溫度對應(yīng)的水合物相態(tài)曲線不同，注入溫度越高，環(huán)空內(nèi)各點(diǎn)流體的密度和壓力越低，對應(yīng)的水合物形成溫度越低。但隨注入溫度升高，環(huán)空內(nèi)各點(diǎn)的溫度也升高，因此，隨注入溫度升高，水合物形成區(qū)域變小。

圖5為計算得到的不同井口回壓下的環(huán)空水合物形成區(qū)域的臨界井深變化曲線。由圖5可以看出，井口回壓小于5MPa時，增大井口回壓，水合物形成的臨界井深增大的幅度較大；井口回壓大于5MPa時，增大井口回壓，水合物形成的臨界井深增大的幅度較小。井口回壓為3，5和7MPa時，水合物形成的臨界井深分別為128.10，302.30和317.80m。這是因為，井口回壓越大，環(huán)空流體壓力越高，水合物形成的臨界溫度越高，即更容易形成水合物。

3.2.2 加入熱力學(xué)抑制劑的水合物形成區(qū)域

圖6為計算得到的加入不同量抑制劑條件下環(huán)空水合物形成的臨界井深變化曲線。由圖6可看出，環(huán)空內(nèi)水合物形成的臨界井深隨抑制劑加量增大呈二次多項式的非線性下降，抑制劑加量增大水合物形成的臨界井深減小幅度逐漸變小。這是因為，添加熱力學(xué)抑制劑，可以改變CO2水合物相的化學(xué)位，使水合物的形成條件向更低的溫度或更高的壓力變化，從而達(dá)到抑制水合物形成的目的。注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2的NaCl和物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.2的甲醇，環(huán)空內(nèi)水合物形成的臨界井深分別為81.8和0m，相比之下甲醇的抑制效果更好。

3.3 鉆頭噴嘴處的水合物預(yù)測

SC-CO2流體通過鉆頭噴嘴時，由于存在節(jié)流效應(yīng)，會引起較大的溫降和壓降，可能會在鉆頭噴嘴下游形成水合物，影響正常鉆進(jìn)。

圖7為計算得到的為不同質(zhì)量流速下的鉆頭噴嘴(3個直徑為3.175mm的噴嘴)處水合物形成區(qū)域預(yù)測結(jié)果，陰影區(qū)域為水合物形成區(qū)域。CO2流經(jīng)鉆頭噴嘴處出現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，流體溫降和壓降隨質(zhì)量流速的增加逐漸增大。SC-CO2質(zhì)量流速為2.5kg/s，噴嘴處的溫降和壓降分別達(dá)到32.5 ℃和11.7MPa，質(zhì)量流速上升至5.0kg/s時，噴嘴處的溫降和壓降分別達(dá)到56.7 ℃和32.4MPa。其他條件不變，隨著質(zhì)量流速增加，噴嘴下游溫度降低，會導(dǎo)致水合物形成，圖7中開始有水合物形成的臨界質(zhì)量流速為2.8kg/s。

圖8為計算得到的質(zhì)量流量為1.5kg/s時不同噴嘴直徑下的鉆頭噴嘴(3個噴嘴)處水合物形成區(qū)域預(yù)測結(jié)果。由圖8可見，開始有水合物形成的臨界噴嘴內(nèi)徑為2.7mm。其他條件不變，鉆頭噴嘴直徑越小，節(jié)流前后溫降和壓降越大，越容易在噴嘴下游形成低溫條件導(dǎo)致水合物形成。

4 結(jié)論及建議

1) 結(jié)合CO2水合物相態(tài)曲線及SC-CO2鉆井井筒溫度壓力分布規(guī)律，建立了SC-CO2鉆井井筒水合物形成區(qū)域預(yù)測方法，實現(xiàn)了對SC-CO2鉆井井筒CO2水合物形成規(guī)律的數(shù)值模擬。

2) 隨著井深增加，鉆桿和環(huán)空內(nèi)的溫度逐漸升高，升高幅度逐漸減小，沿井筒呈二次多項式形式分布；隨井深增加，鉆桿和環(huán)空內(nèi)壓力逐漸增大，沿井筒近似為線性分布。

3) 環(huán)空內(nèi)水合物形成區(qū)域的臨界井深，隨注入溫度升高逐漸減小，減小幅度逐漸增大；隨著抑制劑加量增大逐漸減小，減小幅度逐漸變??；隨著井口回壓增大，先呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系增大，后呈二次多項式函數(shù)關(guān)系增大，增大幅度逐漸變小。

4)SC-CO2鉆井過程中，適當(dāng)增大注入溫度、降低井口回壓、添加水合物抑制劑以及優(yōu)化鉆頭噴嘴尺寸，可以有效抑制井筒內(nèi)水合物的形成。

5)SC-CO2鉆井水合物防治問題的研究尚處于探索階段，為進(jìn)一步提高預(yù)測精度，建議考慮水合物形成和分解過程對井筒氣液組分變化以及溫度壓力的影響。

[1] Al-Adwani F A,Langlinais J,Hughes R G.Modeling of an underbalanced drilling operation utilizing supercritical carbon dioxide[R].SPE 114050,2008.

[2] 霍洪俊，王瑞和，倪紅堅，等.超臨界二氧化碳在水平井鉆井中的攜巖規(guī)律研究[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(2)：12-17. Huo Hongjun,Wang Ruihe,Ni Hongjian,et al.Cuttings carrying pattern of supercritical carbon dioxide in horizontal wells[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(2):12-17.

[3] Kolle J J.Coiled-tubing drilling with supercritical carbon dioxide[R].SPE 65534,2000.

[4] 邱正松，謝彬強(qiáng)，王在明，等.超臨界二氧化碳鉆井流體關(guān)鍵技術(shù)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2012,40(2)：1-7. Qiu Zhengsong,Xie Binqiang,Wang Zaiming,et al.Key technology on drilling fliud of supercritical carbon dioxide[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(2):1-7.

[5] van der Waals J H,Platteeuw J C.Clathrate solutions[J].Advances in Chemical Physics,1959,2:1-57.

[6] Parrlsh W R,Prausnltz J M.Dissociation pressures of gas hydrates formed by gas mixtures[J].IEC Chemical Process Design and Development,1972,11(1):26-33.

[7] Ng Heng-Joo,Robinson D B.Hydrate formation in systems containing methane,ethane,propane,carbon dioxide or hydrogen sulfide in the presence of methanol[J].Fluid Phase Equilibria,1985,21(1/2):145-155.

[8] Holder G D,Angert P F.Simulation of gas production from a reservoir containing both gas hydrates and free natural gas[R].SPE 11105,1982.

[9] Englezos P.Computation of the incipient equilibrium carbon dioxide hydrate formation conditions in aqueous electrolyte solutions[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,1992,31(9):2232-2237.

[10] Bishnoi P R,Dholabhai P D.Equilibrium conditions for hydrate formation for a ternary mixture of methane,propane and carbon dioxide,and a natural gas mixture in the presence of electrolytes and methanol[J].Fluid Phase Equilibria,1999,158/159/160:821-827.

[11] Nasrifar K,Moshfeghian M.Computation of equilibrium hydrate formation temperature for CO2and hydrocarbon gases containing CO2in the presence of an alcohol,electrolytes and their mixtures[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2000,26(1/2/3/4):143-150.

[12] 宮智武，張亮，程海清，等.海底天然氣水合物分解對海洋鉆井安全的影響[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(4)：19-24. Gong Zhiwu,Zhang Liang,Cheng Haiqing,et al.The influence of subsea natural gas hydrate dissociation on the safety of offshore drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(4):19-24.

[13] 宋中華，張士誠，王騰飛，等.塔里木油田高壓氣井井下節(jié)流防治水合物技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(2)：91-96. Song Zhonghua,Zhang Shicheng,Wang Tengfei,et al.Downhole throttling technology for gas hydrate prevention in deep gas wells of Tarim Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(2):91-96.

[14] 王海柱，沈忠厚，李根生.超臨界CO2鉆井井筒壓力溫度耦合計算[J].石油勘探與開發(fā)，2011，38(1)：97-102. Wang Haizhu,Shen Zhonghou,Li Gensheng.Wellbore temperature and pressure coupling calculation of drilling with supercritical carbon dioxide[J].Petroleum Exploration and Development,2011,38(1):97-102.

[15] Hasan A R,Kabir C S.Heat transfer during two-phase flow in wellbores:part I:formation temperature[R].SPE 22866,1991.

[16] Wang Weihua,Wen Hao,He Xianfeng,et al.Design and development of database system on the physical properties and phase equilibria of gas hydrates[J].Computers and Applied Chemistry,2005,22(6):35-40.

[17] Patwardhan V S,Kumar A.A unified approach for prediction of thermodynamic properties of aqueous mixed-electrolyte solutions:part I:vapor pressure and heat of vaporization[J].AIChE Journal,1986,32(9):1419-1428.

[18] 查麗，梁德青，何松.CO2水合物在電解質(zhì)溶液中的相平衡預(yù)測[J].工程熱物理學(xué)報，2012，33(7)：1105-1108. Zha Li,Liang Deqing,He Song.Prediction of CO2hydrate phase equilibria in aqueous electrolytes solutions[J].Journal of Engineering Thermophysics,2012,33(7):1105-1108.

[19] Adisasmito S,Frank R J,Sloan E D Jr.Hydrates of carbon dioxide and methane mixtures[J].Journal of Chemical and Engineering Data,1991,36(1):68-71.

[20] Vlahakis J G,Chen H S,Suawandi M S,et al.The growth rate of ice crystals:the properties of carbon dioxide hydrate,a review of properties of 51 gas hydrates[M].US Department of the Interior,1972.

[21] Nasrifar K,Moshfeghian M.A model for prediction of gas hydrate formation conditions in aqueous solutions containing electrolytes and/or alcohol[J].The Journal of Chemical Thermodynamics,2001,33(9):999-1014.

[22] Dholabhai P D,Kalogerakis N,Bishnoi P R.Equilibrium conditions for carbon dioxide hydrate formation in aqueous electrolyte solutions[J].Journal of Chemical and Engineering Data,1993,38(4):650-654.

[23] Bozzo A T,Hsiao-Sheng C,Kass J R,et al.The properties of the hydrates of chlorine and carbon dioxide[J].Desalination,1975,16(3):303-320.

[24] Daugherty R L,Franzini J B,Finnemore E J,et al.Fluid mechanics with engineering applications[M].New York:McGraw-Hill,1985.

[25] Span R,Wagner W.A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region from the triple-point temperature to 1 100 K at pressures up to 800 MPa[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data,1996,25(6):1509-1596.

[26] Vesovic V,Wakeham W A,Olchowy G A,et al.The transport properties of carbon dioxide[J].Journal of Physical and Chemical Reference Data,1990,19(3):763-808.

[27] Wang Zhiyuan,Sun Baojiang,Wang Jintang,et al.Experimental study on the friction coefficient of supercritical carbon dioxide in pipes[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2014,25(6):151-161.

[28] Bruch A,Bontemps A,Colasson S.Experimental investigation of heat transfer of supercritical carbon dioxide flowing in a cooled vertical tube[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(11/12):2589-2598.

[29] 何淼，柳貢慧，李軍，等.多相流全瞬態(tài)溫度壓力場耦合模型求解及分析[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(2)：25-32. He Miao,Liu Gonghui,Li Jun,et al.Solution and analysis of fully transient temperature and pressure coupling model for multiphase flow[J].Petroleum Drilling Techniques,2015,43(2):25-32.

[編輯 劉文臣]

The Prediction of Hydrate Formation Regions in the Wellbore during Supercritical Carbon Dioxide Drilling

Sun Xiaohui, Sun Baojiang, Wang Zhiyuan, Wang Jintang

(SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofpetroleum(Huadong),Qingdao，Shandong, 266580,China)

In order to improve the safety and efficiency of SC-CO2drilling (supercritical carbon dioxide drilling), it is necessary to deal with the formation of CO2hydrate in the wellbores. Based on the hydrate formation mechanism analysis, a model for predicting the formation region of CO2hydrate in the wellbore was built up, and the definite conditions and numerical resolution methods were proposed. Computational analysis was carried out by designing examples. It was shown that hydrate formation in the annulus decreased non-linearly in quadratic polynomial relations with the increasing of injection temperature or inhibitor dosage. And with the increasing of wellhead back pressure, hydrate formation increased with increasing rate reducing gradually (first in logarithmic relations and then in quadratic polynomial relations). The research achievements could provide a theoretical reference for hydrate prevention during SC-CO2drilling.

supercritical carbon dioxide drilling; hydrate; inhibitor； mathematical model; temperature field; pressure field

2015-03-10；改回日期：2015-10-20。

孫小輝(1990—)，男，山東東營人，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，在讀碩士研究生，主要從事油氣井工程與流體力學(xué)方面的研究。

孫寶江，sunbj@upc.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金項目“頁巖氣儲層超臨界二氧化碳壓裂裂縫中支撐劑輸送機(jī)理研究”(編號：51104172)、國家自然科學(xué)基金項目“非常規(guī)天然氣儲層超臨界二氧化碳壓裂工程基礎(chǔ)研究”(編號：U1262202)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(編號：15CX06020A)聯(lián)合資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201506003

TE21;TE249

A

1001-0890(2015)06-0013-07

聯(lián)系方式：(0532)86981927，sxh049306@163.com。