王江帥 任茜鈺 鄧嵩 汪海閣 崔猛 徐守坤 徐明華 李軍 殷文

摘要：為了準(zhǔn)確掌握井筒鉆井液與地層頁(yè)巖油置換條件下的環(huán)空流體溫度分布規(guī)律，基于流體流動(dòng)與傳熱理論，充分考慮置換后環(huán)空混合流體流動(dòng)方式和熱物性參數(shù)的變化，建立頁(yè)巖油鉆井環(huán)空流體溫度分布預(yù)測(cè)模型，探究置換條件下環(huán)空流體溫度分布規(guī)律，并分析置換位置、置換流體類型、置換速率對(duì)環(huán)空流體溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：置換條件下的環(huán)空流體溫度高于正常循環(huán)條件下的溫度；置換發(fā)生在井底時(shí)，環(huán)空流體溫度分布曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)，而置換發(fā)生在非井底時(shí)，曲線存在明顯拐點(diǎn)，且拐點(diǎn)位置與置換點(diǎn)位置一致；與低比熱容的地層頁(yè)巖油相比，高比熱容的地層水與井筒鉆井液發(fā)生置換時(shí)環(huán)空流體溫度更高；當(dāng)?shù)貙禹?yè)巖油侵入速率大于井筒鉆井液漏失速率時(shí)，置換速率越大，置換后的環(huán)空流體溫度越高，反之越低。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖油鉆井； 環(huán)空流體溫度； 置換位置； 置換流體類型； 置換速率

中圖分類號(hào)：TE 21?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-5005（2024）03-0084-07?? doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.03.009

Distribution of annular fluid temperature due to fluid displacement between wellbore and formation during shale oil drilling

WANG Jiangshuai1，2， REN Qianyu1，2， DENG Song1，2， WANG Haige2，3， CUI Meng2，3， XU Shoukun1，2， XU Minghua1，2， LI Jun4，5， YIN Wen1，2

（1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China;2.CNPC-CZU Innovation Alliance， Changzhou 213164， China;3.CNPC Engineering Technology R & D Company Limited， Beijing 102206， China;4.College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China; 5.China University of Petroleum-Beijing at Karamay， Karamay 834000， China）

Abstract： The temperature distribution of annular fluid during shale oil drilling with oil-based drilling fluid can be affected by the fluid displacement condition between wellbore and near-wellbore rock formation. In this study， a prediction model of the annular fluid temperature distribution in shale oil wells was established based on fluid flow and heat transfer theory. The influence of the fluid displacement on the flow mode of the annular mixed fluid and the thermal physical parameters of the fluid were considered in the model. Based on the model， the annular fluid temperature distribution under different displacement conditions was investigated. In addition， the influence of the displacement location， fluid type， displacement flow rate on the annular fluid temperature were analyzed. The results show that， when fluid displacement occurs， the fluid temperature in the annulus is higher than that under the normal drilling fluid circulation condition. If the fluid displacement occurs at the bottom of the well， there will be no obvious inflection point on the annular fluid temperature distribution curve. While the displacement occurs at other locations， there will be an obvious inflection point on the curve， and the location of the inflection point on the temperature disdribution curve is well corresponded to the displacement occurrence location. Furthermore， compared with shale oil with low specific heat， the annular fluid temperature will be higher when drilling fluid is displaced by formation water with high specific heat. In addition， when the intrusion rate of the formation fluids is greater than the leakage rate of the drilling fluid in wellbore， the higher the displacement rate， the higher the annulus fluid temperature.

Keywords： shale oil drilling; annular fluid temperature; displacement position; displacement fluid type; displacement rate

裂縫型頁(yè)巖油儲(chǔ)層井周裂縫發(fā)育［1-3］，井筒-地層平衡壓力體系穩(wěn)定性差，導(dǎo)致鉆井過(guò)程中井筒油基鉆井液與地層頁(yè)巖油易發(fā)生置換［4-6］。置換發(fā)生后，環(huán)空流體組分、密度、排量、熱物性參數(shù)等均會(huì)改變，導(dǎo)致頁(yè)巖油井井筒溫度場(chǎng)隨之變化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于井筒溫度預(yù)測(cè)模型的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。一方面針對(duì)不同的鉆井方式，如常規(guī)鉆井［7］、控壓鉆井［8］、雙層管雙梯度鉆井［9］、注空心球雙梯度鉆井［10］、深水多梯度鉆井［11-12］、深水變梯度鉆井［13-14］等，另一方面針對(duì)不同的井筒工況，如正常循環(huán)工況［15］、溢流工況［16-17］、漏失工況［18-19］、注采工況［20-21］等，均分別建立了與之適用的井筒溫度預(yù)測(cè)模型，并掌握了不同鉆井方式、不同工況條件下的環(huán)空流體溫度分布規(guī)律。然而，置換發(fā)生時(shí)井筒鉆井液漏失與地層流體侵入現(xiàn)象共存，此時(shí)井筒置換位置處流體流動(dòng)方式和置換位置上部環(huán)空流體的熱物性參數(shù)等均發(fā)生顯著變化，現(xiàn)有的井筒溫度預(yù)測(cè)模型不再適用。為此，筆者基于流體流動(dòng)與傳熱理論，建立考慮井筒-地層置換效應(yīng)的頁(yè)巖油鉆井環(huán)空流體溫度分布預(yù)測(cè)模型，探究置換條件下環(huán)空流體溫度分布規(guī)律，進(jìn)一步分析置換位置、置換流體類型、置換速率對(duì)環(huán)空流體溫度的影響。

1 頁(yè)巖油鉆井井筒溫度預(yù)測(cè)模型

1.1 井筒流體流動(dòng)與傳熱的物理模型

如圖1所示，在裂縫型頁(yè)巖油儲(chǔ)層鉆進(jìn)過(guò)程中，由于井周裂縫發(fā)育導(dǎo)致井筒內(nèi)的油基鉆井液漏入地層，同時(shí)地層內(nèi)的頁(yè)巖油會(huì)侵入井筒，井筒-地層之間的流體置換現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。在置換位置處，井筒流動(dòng)傳熱方式由“定質(zhì)量”流動(dòng)傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)椤白冑|(zhì)量”流動(dòng)傳熱，并且由于地層頁(yè)巖油的侵入導(dǎo)致置換位置上部環(huán)空流體熱物性參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著改變。這種流體置換會(huì)打破井筒-地層原有的平衡溫度場(chǎng)，最終導(dǎo)致環(huán)空流體溫度發(fā)生改變，需要重構(gòu)井筒-地層溫度場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)新的平衡。

1.2 基本假設(shè)

在常規(guī)模型［7，9］的基礎(chǔ)上，考慮井筒-地層置換效應(yīng)，創(chuàng)新構(gòu)建適用于頁(yè)巖油鉆井的環(huán)空流體溫度分布預(yù)測(cè)模型。假設(shè)：

（1）同一深度位置處環(huán)空流體溫度徑向上保持一致；

（2）根據(jù)溫度場(chǎng)擾動(dòng)半徑有限理論，距井眼中心3.05 m以外的區(qū)域?yàn)樵嫉販兀?2］，并引入綜合導(dǎo)熱率，重構(gòu)3.05 m以內(nèi)的近井地帶將其簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合導(dǎo)熱體；

（3）鉆井過(guò)程中鉆頭與巖石、管柱與井壁摩擦、流體流動(dòng)等均會(huì)產(chǎn)生熱量；

（4）考慮巖屑、地層頁(yè)巖油進(jìn)入環(huán)空對(duì)流體流動(dòng)方式和熱物性參數(shù)的影響。

1.3 井筒溫度預(yù)測(cè)模型

與常規(guī)井筒溫度預(yù)測(cè)模型不同，建立井筒-地層置換條件下頁(yè)巖油鉆井井筒溫度預(yù)測(cè)模型時(shí)，須考慮不同位置處的流體流動(dòng)與傳熱方式，可細(xì)分為3種（圖2）。其中第1種為鉆桿內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱方式（圖2（a）），第2種為非置換位置處環(huán)空流體流動(dòng)與傳熱方式（圖2（b）），第3種為置換位置處環(huán)空流體流動(dòng)與傳熱方式（圖2（c））。

基于熱力學(xué)第一定律，分別針對(duì)以上3種方式建立鉆桿內(nèi)流體、環(huán)空流體的熱傳導(dǎo)控制方程。

1.3.1 鉆桿內(nèi)

鉆桿內(nèi)流體熱傳導(dǎo)控制方程為

Qp，in-Qp，out-qp+Sh=Qp，change.（1）

其中

Qp，in=cqmpTp，LΔt，Qp，out=cqmpTp，L+ΔLΔt，qp=πRpλpMΔLΔt， Qp，change=cρpSpΔLΔT，M=Ta，L-Tp，LHp，ΔT=Tp，L+ΔL-Tp，L.

式中，Qp，in為流體在鉆桿內(nèi)流動(dòng)，流入微元體時(shí)所攜帶的熱量，J；Qp，out為流體在鉆桿內(nèi)流動(dòng)，流出微元體時(shí)所攜帶的熱量，J；qp為微元體內(nèi)的流體由鉆桿向環(huán)空方向傳導(dǎo)的熱量，J；Qp，change 為在鉆桿內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體流經(jīng)這一微元體前后自身熱量的變化值，J；c為井口注入的鉆井液的比熱容，J/（kg·℃）；qmp為井口注入的鉆井液的質(zhì)量流量，kg/s；Tp，L為流體在鉆桿內(nèi)流動(dòng)，流入微元體時(shí)的溫度，℃，Tp，L+ΔL為流體在鉆桿內(nèi)流動(dòng)，流出微元體時(shí)的溫度，℃；L為當(dāng)前微元體所處的深度，m；ΔL為微元體的步長(zhǎng)，m；Δt為井筒流體循環(huán)時(shí)間，s；Rp為鉆桿的外直徑，m；λp為鉆桿的導(dǎo)熱率，W/（m·℃）；ρp為井口注入的鉆井液的密度，kg/m3；Sp為鉆桿內(nèi)面積，m2；Ta，L為當(dāng)前微元體入口位置處對(duì)應(yīng)的環(huán)空溫度，℃；Hp為鉆桿的厚度，m。

對(duì)式（1）進(jìn)一步整理可得

Tp，L+ΔL=（cqmpΔt+cρpSpΔL+πRpλpHpΔLΔt）Tp，L-πRpλpHpΔLΔtTa，L+ShcρpSpΔL+cqmpΔt.（2）

1.3.2 環(huán)空未置換位置

環(huán)空未置換位置處流體流動(dòng)熱傳導(dǎo)控制方程為

Qa，in-Qa，out-qa+qp+Sh=Qa，change.（3）

其中

Qa，in=caqmaTa，L+ΔLΔt，Qa，out=caqmaTa，LΔt，qa=πRtfλfNΔLΔt， Qa，change=caρa(bǔ)SaΔLΔTa，N=Tf，L+ΔL-Ta，L+ΔLDtf，?ΔTa=Ta，L-Ta，L+ΔL.

式中，Qa，in為流體在環(huán)空流動(dòng)，流入微元體時(shí)所攜帶的熱量，J；Qa，out為流體在環(huán)空流動(dòng)，流出微元體時(shí)所攜帶的熱量，J；qa為微元體內(nèi)的流體由環(huán)空向地層方向傳導(dǎo)的熱量，J；Qa，change 為在環(huán)空流動(dòng)時(shí)，流體流經(jīng)這一微元體前后自身熱量的變化，J；ca為從井底返出的攜帶巖屑的混合鉆井液的比熱容，J/（kg·℃）；qma 為從井底返出的攜帶巖屑的混合鉆井液的質(zhì)量流量，kg/s；Ta，L+ΔL為流體在環(huán)空流動(dòng)，流入微元體時(shí)的溫度，℃；Tf為原始地溫，℃；Rtf為等效綜合導(dǎo)熱體的外直徑，m；λf為綜合導(dǎo)熱率，W/（m·℃）；Dtf為綜合導(dǎo)熱體的厚度，m；ρa(bǔ)為從井底返出的攜帶巖屑的混合鉆井液的密度，kg/m3；Sa為環(huán)空面積，m2。

對(duì)式（3）進(jìn)一步化簡(jiǎn)整理可得

Ta，L=（caqmaΔt+caρa(bǔ)SaΔL+πRtfλfΔLΔtDtf+πRpλpΔLΔtHp）Ta，L+ΔLcaqmaΔt+caρa(bǔ)SaΔL-πRtfλfΔLΔtDtfTf，L+ΔL- πRpλpΔLΔtHpTp，L+ΔL-ShcaqmaΔt+caρa(bǔ)SaΔL.（4）

1.3.3 環(huán)空置換位置

環(huán)空置換位置處流體流動(dòng)熱傳導(dǎo)控制方程為

Qa，in-Qa，out1-Qa，f+Qf，a-qa+qp+Sh=Qa，change1.（5）

其中

Qa，out1=ca1qma1Ta，LΔt，Qa，f=caqma，fTa，L+ΔLΔt，?Qf，a=cfqmf，aTf，L+ΔLΔt，Qa，change1=ca1ρa(bǔ)1SaΔLTa，L-caρa(bǔ)SaΔLTa，L+ΔL.

式中，Qa，out1為流出環(huán)空置換位置處微元體時(shí)，鉆井液、巖屑和頁(yè)巖油的混合流體所攜帶的熱量，J；Qa，f為從環(huán)空流入地層的鉆井液和巖屑所攜帶的熱量，J；Qf，a為從地層流入環(huán)空的頁(yè)巖油所攜帶的熱量，J；Qa，change1 為在環(huán)空置換位置處流動(dòng)時(shí)，流體流經(jīng)這一微元體前后自身熱量的變化，J；ca1為鉆井液、巖屑和頁(yè)巖油的混合流體的比熱容，J/（kg·℃）；ρa(bǔ)1為鉆井液、巖屑和頁(yè)巖油的混合流體的密度，kg/m3；cf為從地層流入環(huán)空的頁(yè)巖油的比熱容，J/（kg·℃）；qma，f為從環(huán)空流入地層的鉆井液和巖屑的質(zhì)量流量，kg/s；qmf，a為從地層流入環(huán)空的頁(yè)巖油的質(zhì)量流量，kg/s；qma1為置換位置上部鉆井液、巖屑和頁(yè)巖油的混合流體的質(zhì)量流量，kg/s。

對(duì)式（5）進(jìn)一步化簡(jiǎn)整理可得

Ta，L=（caqmaΔt+caρa(bǔ)SaΔL-caqma，fΔt+πRtfλfΔLΔtDtf+πRpλpΔLΔtHp）Ta，L+ΔLca1qma1Δt+ca1ρa(bǔ)1SaΔL+（cfqmf，aΔt-πRtfλfΔLΔtDtf）Tf，L+ΔL- πRpλpΔLΔtHpTp，L+ΔL+Shca1qma1Δt+ca1ρa(bǔ)1SaΔL.（6）

1.4 輔助方程

混合流體密度、質(zhì)量流量和比熱容的計(jì)算，頁(yè)巖油鉆進(jìn)過(guò)程中巖石在井底被破碎，此時(shí)巖屑與注入鉆井液在井底形成混合狀態(tài)。此外，由于井筒-地層置換效應(yīng)的影響，部分鉆井液漏入地層，同時(shí)地層頁(yè)巖油侵入井筒，導(dǎo)致置換位置上部環(huán)空混合流體的熱物性參數(shù)發(fā)生顯著變化。其密度、質(zhì)量流量和比熱容的計(jì)算式分別為

ρa(bǔ)=ρpQp+ρcQcQp+Qc ，ρa(bǔ)1=ρp（Qp-ΔQp）+ρcQc+ρfQfQp-ΔQp+Qc+Qf ;（7）

qma=qmp+qmc=ρpQp+ρcQc，qma1=ρa(bǔ)1（Qp+Qc-ΔQp）+ρfQf;（8）

ca=cpqmp+ccqmcqmp+qmc ，ca1=caρa(bǔ)1（Qp+Qc-ΔQp）+cfρfQfρa(bǔ)1（Qp+Qc-ΔQp）+ρfQf .（9）

式中，ρc為井底巖屑的密度，kg/m3；ρf為侵入井筒的流體密度（侵入流體可能為地層頁(yè)巖油或地層水等），kg/m3；Qp為井口注入的鉆井液的排量，m3/s；Qc為井底巖石破碎為巖屑的速率，m3/s；cc為巖屑的比熱容，J/（kg·℃）；qmc為巖屑的質(zhì)量流量，kg/s；ΔQp為置換時(shí)漏入地層的鉆井液流量，m3/s；Qf為置換時(shí)侵入井筒的地層流體流量，m3/s。

綜合導(dǎo)熱率的計(jì)算，在假設(shè)條件（2）中將半徑3.05 m以內(nèi)的近井地帶簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合導(dǎo)熱體，該綜合導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱率采用幾何平均法對(duì)套管、水泥環(huán)、地層各部分進(jìn)行加權(quán)平均，具體的計(jì)算公式為

λf=kcasingtcasing+kcementtcement+kf（Dtf-tcasing-tcement）Dtf，L≤Dshoe;kf，L>Dshoe.（10）

式中，L為當(dāng)前微元體的深度，m；Dshoe為上層套管鞋的深度，m；kcasing為套管的導(dǎo)熱率，W/（m·℃）；tcasing為上層套管的厚度，m；kcement為固井水泥環(huán)的導(dǎo)熱率，W/（m·℃）；tcement為固井水泥環(huán)的厚度，m；kf為地層的導(dǎo)熱率，W/（m·℃）。

熱源項(xiàng)的計(jì)算，鉆井過(guò)程中鉆頭與巖石、管柱與井壁摩擦、流體流動(dòng)等均會(huì)產(chǎn)生熱量，具體的計(jì)算公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)［9］和［19］。

2 模型求解

針對(duì)建立的頁(yè)巖油鉆井井筒溫度預(yù)測(cè)模型，采用可快速收斂的迭代求解法，求解流程如下：

（1）首先，假設(shè)初始環(huán)空流體溫度分布與遠(yuǎn)井地帶的原始地層溫度分布一致，即T0a，L=Tf，L，然后將初始環(huán)空流體溫度

T0a，L代入公式（2）中可得到鉆桿內(nèi)每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的流體溫度，即Tip，L；

（2）計(jì)算環(huán)空混合流體的熱物性參數(shù)，針對(duì)環(huán)空未置換位置將前述的Tip，L代入公式（4）中，針對(duì)環(huán)空置換位置將前述的Tip，L代入公式（6）中，從而得到環(huán)空每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)更新后的流體溫度Tia，L;

（3）將更新后的Tia，L代入公式（2）中可再次得到鉆桿內(nèi)每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)更新后的流體溫度Ti+1p，L;

（4）針對(duì)環(huán)空未置換位置將更新后的Ti+1p，L代入公式（4）中，針對(duì)環(huán)空置換位置將更新后的Ti+1p，L代入公式（6）中，從而再次得到環(huán)空每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)更新后的流體溫度Ti+1a，L;

（5）在多次迭代和更新后，當(dāng)前后兩次的計(jì)算結(jié)果滿足判定條件時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，迭代終止；否則，應(yīng)繼續(xù)迭代更新，直至滿足要求，

∑D/ΔLjTi+1a，j∑D/ΔLjTia，j-1<10-E .

式中，D為模擬井的總井深，m；i和j分別為時(shí)間節(jié)點(diǎn)和空間節(jié)點(diǎn)；E為可用來(lái)控制所建模型的誤差極限，無(wú)量綱。

3 實(shí)例分析

基于上述建立的頁(yè)巖油鉆井井筒溫度預(yù)測(cè)模型和模型求解算法，結(jié)合某頁(yè)巖油井的鉆井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及熱物性參數(shù)，開(kāi)展環(huán)空流體溫度分布數(shù)值模擬，分析井筒-地層置換條件下模擬結(jié)果。該井井深為5400 m，鉆桿外直徑為0.127 m，鉆桿厚度為0.008 m，套管鞋深度為3000 m，套管厚度為0.010 m，地層導(dǎo)熱率為2.25 W/（m·℃），鉆桿導(dǎo)熱率為43 W/（m·℃），鉆井液排量為30 L/s，鉆井液、巖屑、頁(yè)巖油比熱容分別為3310、930、2380 J/（kg·℃），鉆井液、巖屑、頁(yè)巖油密度分別為910、2650、1520 kg/m3。

3.1 井筒-地層置換條件下環(huán)空流體溫度分布

其他條件不變的情況下，設(shè)定井筒-地層之間的置換現(xiàn)象發(fā)生在井底位置處，地層流體侵入環(huán)空的速率為10 L/s，環(huán)空鉆井液漏入地層的速率為2 L/s，圖3為不同工況下的井筒溫度分布情況。

從圖3可以看出，井筒-地層置換條件下環(huán)空流體溫度高于正常循環(huán)條件下的環(huán)空流體溫度。這是因?yàn)楫?dāng)置換發(fā)生在井底位置時(shí)，地層頁(yè)巖油溫度高于環(huán)空流體溫度（即正常循環(huán)條件下的環(huán)空溫度），地層頁(yè)巖油侵入環(huán)空的速率大于環(huán)空鉆井液漏入地層的速率，因此有更多的熱量被帶入井筒內(nèi)，導(dǎo)致置換條件下環(huán)空流體溫度升高。

此外，從圖3還可以看出，以深度2500 m為分界點(diǎn)，2500 m以下置換條件下的環(huán)空流體溫度較高，2500 m以上正常循環(huán)條件下的環(huán)空流體溫度較高。這是因?yàn)橹脫Q后的井底流體溫度較高、混合流體排量較大，高溫流體向上流動(dòng)過(guò)程中流速較大，導(dǎo)致其與地層之間的熱交換時(shí)間變短，流體溫度會(huì)迅速降低，在2500 m左右與正常循環(huán)條件下的流體溫度達(dá)到一致；從2500 m往上流動(dòng)過(guò)程中，高速流體散熱較快，因此2500 m以上置換條件下的環(huán)空流體溫度要低于正常循環(huán)條件下的環(huán)空流體溫度。需要說(shuō)明的是，分界點(diǎn)的位置并不固定，其取決于具體的模擬工況和參數(shù)選取。

3.2 置換位置對(duì)環(huán)空流體溫度分布的影響

在其他參數(shù)不變，計(jì)算不同置換點(diǎn)位置條件下環(huán)空流體溫度，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：當(dāng)置換發(fā)生在井底時(shí)，環(huán)空流體溫度分布曲線沒(méi)有明顯拐點(diǎn)；當(dāng)置換點(diǎn)位置處于上部井段時(shí)，環(huán)空流體溫度分布曲線上均存在一個(gè)明顯拐點(diǎn)，且拐點(diǎn)位置與井筒-地層置換位置一致。這是因?yàn)榘l(fā)生置換時(shí)，置換位置處井筒-地層之間發(fā)生“變質(zhì)量”流動(dòng)傳熱與傳質(zhì)，地層內(nèi)的高溫流體侵入井筒，導(dǎo)致環(huán)空流體溫度上升，因此置換位置上、下兩部分的環(huán)空流體溫度呈現(xiàn)較大的溫度差，從而導(dǎo)致拐點(diǎn)出現(xiàn)。

3.3 置換流體類型對(duì)環(huán)空流體溫度分布的影響

由于氣體的侵入將導(dǎo)致井筒內(nèi)呈現(xiàn)氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)氣液相間傳熱將變得更為復(fù)雜，且傳熱系數(shù)隨井深動(dòng)態(tài)變化，考慮到本文中模型是針對(duì)液相侵入而建立，因此研究地層頁(yè)巖油和地層水兩種類型的流體對(duì)井筒溫度分布的影響規(guī)律。其他參數(shù)不變，地層頁(yè)巖油和地層水比熱容分別為2380和4380 J/（kg·℃），計(jì)算環(huán)空流體溫度并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，相比于低比熱容的地層頁(yè)巖油，高比熱容的地層水與井筒鉆井液發(fā)生置換時(shí)，環(huán)空流體溫度將更高。這是因?yàn)榈貙恿黧w類型不同，地層水的比熱容大于頁(yè)巖油的比熱容，井筒-地層發(fā)生置換效應(yīng)時(shí)，結(jié)合公式（5）可以得出井底位置處地層內(nèi)的高溫流體會(huì)將更多熱量帶入環(huán)空，導(dǎo)致環(huán)空流體溫度升高。

3.4 置換速率對(duì)環(huán)空流體溫度分布的影響

其他參數(shù)不變，固定地層流體侵入環(huán)空的速率，通過(guò)改變環(huán)空鉆井液漏失速率來(lái)實(shí)現(xiàn)不同置換速率（漏失速率和侵入速率的絕對(duì)差值）條件下的環(huán)空流體溫度模擬計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，置換發(fā)生在井底時(shí)，一方面，當(dāng)?shù)貙禹?yè)巖油侵入速率大于井筒鉆井液漏失速率時(shí)，置換速率越大，置換后的環(huán)空流體溫度越高，反之越低，這是因?yàn)橹脫Q發(fā)生在井底時(shí)，置換速率越大，表明地層高溫流體侵入環(huán)空所帶入的熱量越多，導(dǎo)致環(huán)空流體溫度越高；另一方面，隨置換速率的增大，置換條件下環(huán)空溫度分布曲線與正常循環(huán)條件下環(huán)空溫度分布曲線的交點(diǎn)（即分界點(diǎn)）會(huì)向上移動(dòng)，井下的高溫區(qū)范圍越廣，不利于井下工具的安全高效作業(yè)與持久耐用。此外，地層頁(yè)巖油侵入速率不變時(shí)，井筒鉆井液漏失速率越大，環(huán)空流體溫度越低。

頁(yè)巖油鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)井筒-地層置換現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，建議盡可能控制置換速率，縮小井下的高溫區(qū)范圍，為保障井下工具的安全高效作業(yè)與持久耐用提供有益幫助。

4 結(jié) 論

（1）頁(yè)巖油鉆井過(guò)程中井筒油基鉆井液與地層頁(yè)巖油之間的置換現(xiàn)象對(duì)環(huán)空流體溫度具有顯著影響，模擬發(fā)現(xiàn)置換條件下的環(huán)空流體溫度高于正常循環(huán)條件下的溫度。

（2）置換發(fā)生在井底時(shí)，環(huán)空流體溫度分布曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)，而置換發(fā)生在非井底時(shí)，曲線存在明顯拐點(diǎn)，且拐點(diǎn)位置與置換點(diǎn)位置一致；與低比熱容的地層頁(yè)巖油相比，高比熱容的地層水與井筒鉆井液發(fā)生置換時(shí)，環(huán)空流體溫度更高；當(dāng)?shù)貙禹?yè)巖油侵入速率大于井筒鉆井液漏失速率時(shí)，置換速率越大，置換后的環(huán)空流體溫度越高，反之越低。

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（編輯 李志芬）

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油-常州大學(xué)創(chuàng)新聯(lián)合體項(xiàng)目（2021DQ06）；常州大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（ZMF22020060）；江蘇省高等學(xué)校基礎(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究面上項(xiàng)目（22KJD430001）

第一作者及通信作者：王江帥（1993-），男，講師，博士，研究方向?yàn)閺?fù)雜地層井筒安全控制鉆井、油氣人工智能、非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)新材料。E-mail：wjs125126@163.com。

引用格式：王江帥，任茜鈺，鄧嵩，等.基于井筒-地層置換效應(yīng)的頁(yè)巖油鉆井環(huán)空流體溫度分布［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（3）：84-90.

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