水合物鉆井液微觀結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)分形模型研究

韓博，李承中，范勇，姜淼

(1．中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津320222;2．福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025; 3．中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津300133)

水合物鉆井液微觀結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)分形模型研究

韓博1，李承中1，范勇2，姜淼3

(1．中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津320222;2．福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025; 3．中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津300133)

在水合物勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鉆井液除常規(guī)作用外，還必須具有抑制水合物分解與再生成的作用。鉆井液的這些宏觀作用由其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)所決定，而水合物的分解和生成與介質(zhì)的傳熱過(guò)程有關(guān)。由于鉆井液微觀結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)相似，故其傳熱過(guò)程也相似。利用多孔介質(zhì)的性質(zhì)及其傳熱理論，系統(tǒng)分析了水合物鉆井液微觀結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)的異同，探討了水合物在鉆井液中的分解特性。接著闡述了分形理論，對(duì)鉆井液微觀結(jié)構(gòu)的傳熱分形模型進(jìn)行了研究。最后得出鉆井液中水合物分解的傳熱過(guò)程，建立了鉆井液微觀結(jié)構(gòu)的一維熱傳導(dǎo)分形模型，并得出有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形表達(dá)式。

水合物鉆井液微觀結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)分形

Han Bo，Li Cheng－zhong，F(xiàn)an Yong，Jiang Miao．A fractal model of heat conduction for the drilling fluid microstructures in hydrate formation［J］．Geology and Exploration，2012，48(4):0829－0834．

1 引言

在水合物地層鉆進(jìn)中，井壁附近水合物的分解和環(huán)空中水合物的分解與再形成，很可能會(huì)引起井壁失穩(wěn)坍塌以及環(huán)空堵塞等復(fù)雜情況，從而影響鉆井的順利進(jìn)行。

鉆井液作為鉆井過(guò)程的一個(gè)重要組成部分，其各組分所形成的微觀結(jié)構(gòu)在解決鉆井問(wèn)題中起著重要的作用，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化對(duì)其中水合物分解的傳熱過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究油氣勘探和油氣輸送中水合物的形成和分解，主要是利用高壓微差示掃描量熱儀(DSC)對(duì)水合物抑制性評(píng)價(jià)和水基、油基鉆井液以及輸油管道中乳狀液中水合物形成和分解的影響因素等進(jìn)行研究，較少結(jié)合鉆井液微觀結(jié)構(gòu)研究其對(duì)水合物形成和分解的影響。然而含聚合物的水基鉆井液通常具有一定的微觀結(jié)構(gòu)，主要包括大分子聚合物等形成的網(wǎng)絡(luò)骨架和中小分子量物質(zhì)(水、鹽類以及小分子聚合物等)組成的流動(dòng)填充兩部分。在一定條件下形成的這些網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，既對(duì)溶液本體有支撐作用，又吸附和包裹著大量水分子，從而產(chǎn)生形變阻力，而含中、小分子物質(zhì)(鹽和抑制劑等)的水以填充形式存在于這些網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)中。這些微觀骨架結(jié)構(gòu)對(duì)鉆井過(guò)程中進(jìn)入其中的水合物分解的傳熱起著重要的作用。因此，有必要對(duì)鉆井過(guò)程中鉆井液微觀結(jié)構(gòu)對(duì)水合物分解的傳熱影響進(jìn)行研究。

由于鉆井液的微觀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)與一般多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)相似。而多孔介質(zhì)的傳熱理論研究的比較多，并引進(jìn)了分形理論。根據(jù)多孔介質(zhì)的傳熱與分形理論對(duì)鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中的傳熱特性進(jìn)行分析。因此，文中利用多孔介質(zhì)的傳熱與分形理論，分析了含聚合物的無(wú)固相水基鉆井液中天然氣水合物的分解機(jī)理，最后建立鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中的熱傳導(dǎo)分形模型。

2 一般多孔介質(zhì)的傳熱理論

一般多孔介質(zhì)是由固體顆粒物質(zhì)組成的骨架結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)分隔成的大量密集的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)(林瑞泰，1995)。概括來(lái)講:

(1)一般多孔介質(zhì)是固體顆粒膠結(jié)成的骨架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充滿流體(液體、氣體或氣液混合物)，是一個(gè)由固相、液相、氣相組成的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體。

(2)多孔介質(zhì)中固體骨架結(jié)構(gòu)具有一定的孔隙度，并且有一些孔隙是相通的，流體在其中能夠流動(dòng)。

(3)整個(gè)多孔介質(zhì)均有固體骨架結(jié)構(gòu)分布，每個(gè)單元均可代替多孔介質(zhì)。

2．1 多孔介質(zhì)的傳熱過(guò)程

與單一均質(zhì)物體中的熱傳遞過(guò)程相比，多孔介質(zhì)的傳熱過(guò)程要復(fù)雜得多(施明恒等，1994)，通常來(lái)講，它主要有以下幾部分:

(1)固體骨架之間的導(dǎo)熱過(guò)程;

(2)多孔孔隙中流體的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱過(guò)程; (3)固體骨架與流體之間的對(duì)流換熱過(guò)程;

(4)固體骨架之間、固體骨架與孔隙中氣體之間的輻射過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)多孔介質(zhì)溫度較低時(shí)，其輻射換熱可以忽略不計(jì)。

2．2 鉆井液微觀結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)

由于鉆井液是由多組分物質(zhì)組成的混合物，它的微觀結(jié)構(gòu)從某種程度上可以被看作是一種與添加納米顆粒的懸浮液(王補(bǔ)宣，2009)相似的多孔結(jié)構(gòu)，可以用同樣的參數(shù)進(jìn)行描述。鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)只不過(guò)是由高分子聚合物所形成的鏈狀結(jié)構(gòu)懸浮在鉆井液中，其微觀結(jié)構(gòu)與一般的多孔介質(zhì)有以下不同(張凌等，2011):

(1)最明顯的不同就是鉆井液的微觀骨架結(jié)構(gòu)是由高分子聚合物水化后所形成的網(wǎng)絡(luò)骨架，而一般多孔介質(zhì)是由固體膠結(jié)或支撐形成多孔結(jié)構(gòu)。鉆井液的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)比多孔介質(zhì)中的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)尺寸相差懸殊，不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)鉆井液網(wǎng)絡(luò)骨架內(nèi)部充填流體，處于動(dòng)平衡狀態(tài)，當(dāng)鉆井液流經(jīng)鉆頭時(shí)，由于受到相對(duì)較大的剪切作用而發(fā)生拉伸、斷裂等解構(gòu)現(xiàn)象，流經(jīng)環(huán)狀空間中時(shí)可能會(huì)發(fā)生重構(gòu);而一般的多孔介質(zhì)骨架結(jié)構(gòu)通常處于穩(wěn)定的固態(tài)，不會(huì)因流體的流動(dòng)而發(fā)生明顯變化。

(3)鉆井液網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，主要是由水化后的聚合物強(qiáng)度決定，并且受剪切作用影響明顯;而一般多孔介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，決定于充填其中的物質(zhì)。

此外，充填在鉆井液網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)孔隙之中的流體也是鉆井液的重要組成部分，其中水是重要的流動(dòng)介質(zhì)，它的存在狀態(tài)為自由、半自由、不自由三種狀態(tài)(田琴等，2003;譚幗馨等，2005)。水中所溶解的無(wú)機(jī)鹽、高分子聚合物等對(duì)水合物分解的傳熱特性都起著重要的作用。

因此，當(dāng)含水合物的巖屑進(jìn)入具有一定微觀結(jié)構(gòu)的鉆井液時(shí)，巖屑上的水合物就會(huì)被為這些微觀結(jié)構(gòu)所包裹，發(fā)生相互作用，而使其中水合物的分解與常見(jiàn)的室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)中的水合物分解特性存在不同。

3 鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中水合物分解特點(diǎn)分析

天然氣水合物的分解涉及到固(水合物)、液(水)和氣三相狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。在水合物的分解過(guò)程中，影響較大的因素是溫度、壓力、水合物粒子表面積以及分解推動(dòng)力等，并且水合物的分解是從表面逐層進(jìn)行的。Jamaluddin A K M等(Jamaluddin A K M et al．，1989)認(rèn)為水合物表面粗糙度隨反應(yīng)活化能的不同也會(huì)對(duì)分解速率產(chǎn)生不同的影響。Goel N等(Goel N et al．，2001)認(rèn)為水合物的表面積和表面壓差(水合物的平衡壓力和水合物與氣體的交界面的氣相壓力之差)是影響水合物分解速率的主要因素。而鉆井液微觀結(jié)構(gòu)與含流體的多孔介質(zhì)比較相似，但多孔介質(zhì)體系中水合物分解的反應(yīng)表面積很難確定。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液的溫度一般都高于0℃，進(jìn)入鉆井液中的水合物分解受到鉆井液內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)骨架和填充其中的流體的限制，其分解模型不同于由本征反應(yīng)速率控制的水合物顆粒分解模型。而且，在水合物分解過(guò)程中，鉆井液中各組分所形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)會(huì)將熱量傳遞到水合物表面，水合物周圍水中所含的鹽類會(huì)因?yàn)闈舛炔钸M(jìn)入分解生成的水而產(chǎn)生鹽侵現(xiàn)象，鹽離子的進(jìn)入使水合物反應(yīng)體系中溶液與冰之間的熱傳遞阻力減小，有利于熱量的傳遞。此外，加入鹽類和乙二醇、增加初始溫度(恒定外部壓力)、降低外部壓力、增加邊界傳熱效率等都會(huì)加速水合物的分解。

鉆井液各組分所組成的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)其中水合物的分解產(chǎn)生影響，但是不同體系中水合物反應(yīng)的差別是由傳熱傳質(zhì)的差別造成的，因此，要了解和掌握鉆進(jìn)過(guò)程鉆井液中水合物的分解動(dòng)力學(xué)特性，就需要結(jié)合鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)水合物分解傳熱特性加以探討分析，進(jìn)而對(duì)其相關(guān)模型加以完善。

4 鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中水合物分解的一維熱傳導(dǎo)分形模型

由于鉆井液所形成的微觀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)極不規(guī)則，利用平均體積法進(jìn)行研究不能正確的反應(yīng)實(shí)際情況。因此，引入分形幾何學(xué)理論來(lái)研究鉆井液的微觀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。

4．1 分形

分形是由美國(guó)著名的數(shù)學(xué)家Mandelbrot于1975年首先提出的(張濟(jì)忠，1995)，用來(lái)研究自然界中存在的無(wú)序不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。由于分形可以描述自然界中存在的大量不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此得到了世界各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注，并且逐步形成了分形幾何學(xué)理論體系(施明恒等，2001)。分形幾何學(xué)理論能夠解釋非線性現(xiàn)象并證實(shí)任意分散結(jié)構(gòu)的客觀規(guī)律。分形理論直接從非線性復(fù)雜系統(tǒng)本身著手，認(rèn)為空間維數(shù)可以不是整數(shù)，從而突破了傳統(tǒng)歐氏幾何理論的局限。

Katz A J等(KATZ A J et al．，1985)利用分形幾何理論來(lái)分析多孔介質(zhì)的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。Wu J．S．和Yu B．M．(Wu J．S．et al．，2007)于2007年基于多孔介質(zhì)的分形特征和毛細(xì)管的孔喉模型建立了一個(gè)通過(guò)多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力的分形模型。Yu(Yu B．M．et al．，2008)于2008年做出了一個(gè)評(píng)論，并試圖在分形多孔介質(zhì)中的流動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用分形幾何學(xué)理論技術(shù)總結(jié)該理論、方法、數(shù)學(xué)模型、研究成果和開(kāi)放式問(wèn)題。Wang B．X．等(Wang B．X．et al．，2003)基于納米粒子群和它的徑向分布的表述有效的中間近似值和分形理論，提出建立有效“納米流體”熱傳導(dǎo)的分形模型。Shou D．H．等(Shou D．H．et al．，2010)在2010年對(duì)粘性滲透性通過(guò)纖維介質(zhì)提出了一個(gè)差異分形模型，并且該無(wú)非量綱滲透性的模型表述了孔隙度和分形維數(shù)的函數(shù)。很多研究人員(Zhang L．Z．et al．，2008;Ono Y．et al．，2009;Cai J．et al．，2010)已經(jīng)關(guān)注將分形幾何學(xué)理論應(yīng)用到不規(guī)則的多孔介質(zhì)。

目前研究多孔介質(zhì)傳質(zhì)傳熱的較多，王補(bǔ)宣、施明恒等(王補(bǔ)宣，1994;施明恒，2001)對(duì)多孔介質(zhì)中傳質(zhì)傳熱進(jìn)行了深入的理論分析與研究，并且建立了多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)傳熱模型。因此可將鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)看作多孔介質(zhì)進(jìn)行傳熱理論分析研究。

4．2 分形模型

對(duì)于不規(guī)則物體，其尺寸大小M(L)與長(zhǎng)度L有關(guān)，通過(guò)文獻(xiàn)(Feder J．，1988)中的相似定律: M(L)～LDF，其中DF是物體的分形維數(shù)，如果兩個(gè)物體的分形維數(shù)相等，那么這兩個(gè)物體是自相似的; M(L)可以是一條線的長(zhǎng)度或者一個(gè)面的面積或者一個(gè)立方體的體積或者是一個(gè)物體的質(zhì)量;L是長(zhǎng)度尺度?？紫兜臄?shù)量與孔隙半徑有關(guān)，如參考文獻(xiàn)(Yu B．M．et al．，2002)所示的相似定律:

式中:rc是孔隙半徑;rmax是最大孔隙半徑。二維空間1＜DF＜2，三維空間2＜DF＜3?？紫兜目倲?shù)，從最小半徑rmin到最大半徑rmax，由方程(2)可得:

從方程(2)，還可得到:

式中:－dN＞0。方程(4)表示從半徑rc到半徑rc+drc的孔隙數(shù)量。方程(4)除以方程(3)可得:

式中:f(rc)是孔隙分布的概率密度函數(shù)，其滿足f(rc)≥0。方程(5)的積分形式是:

在概率論中，概率密度函數(shù)應(yīng)該滿足下面的關(guān)系:

方程(7)表明，若方程(6)成立，有且僅有:

方程(8)可看成是一個(gè)評(píng)判多孔介質(zhì)是否具有分形理論特征的標(biāo)準(zhǔn)。通常在多孔介質(zhì)中=0，方程(8)近似成立。

從rmin到rc的累積概率可由下式得到:

由方程(9)可知，當(dāng)rc=rmin時(shí)，F(xiàn)(rc)=0，當(dāng)rc=rmax，F(xiàn)(rc)≈1。

分形維數(shù)與多孔介質(zhì)之間的關(guān)系如下表示:

式中:d是歐幾里德維數(shù)，在二維和三維空間分別是d=2和d=3。方程(10)表明當(dāng)DF=d時(shí)，孔隙度φ=1，反之亦然。此式是合理的，當(dāng)DF=d，空間完全被孔隙所占據(jù)并且所有孔隙形成一個(gè)統(tǒng)一的孔隙空間。當(dāng)最小半徑rmin與最大半徑rmax已知時(shí)，分形維數(shù)DF是孔隙度φ的函數(shù)?？紫抖圈赵酱螅中尉S數(shù)DF越大。

4．3 鉆井液微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的分形模型

前人對(duì)多孔介質(zhì)中的傳熱過(guò)程一般都通過(guò)容積平均法計(jì)算固體骨架結(jié)構(gòu)和流體所占份額，再進(jìn)行導(dǎo)熱計(jì)算，所得的結(jié)果與實(shí)際相差較大(張東輝，2003)。這幾年來(lái)，由于分形的引入，可以將容積平均法的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)改變?yōu)榉中螌?dǎo)熱系數(shù)來(lái)計(jì)算，可以比較真實(shí)的反應(yīng)導(dǎo)熱過(guò)程。

由于鉆井液各組分形成的微觀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，熱量在其中的傳遞也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。熱量既可以能夠大分子聚合物形成的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳導(dǎo)，也可以通過(guò)其中液體的流動(dòng)與溶解在液體中的小分子物質(zhì)的熱傳導(dǎo)以及與骨架結(jié)構(gòu)的對(duì)流進(jìn)行傳熱。如果網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)與其中的液體存在溫差，那么它們之間還存在導(dǎo)熱和對(duì)流。水合物分解的氣體和水進(jìn)入鉆井液中也攜帶著熱量。因此，鉆井液內(nèi)部熱量的傳遞與其中的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。

為了便于分析，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)與內(nèi)部流體之間存在熱平衡，鉆井液中流體的熱量傳遞可以看作通過(guò)鉆井液多孔骨架結(jié)構(gòu)中氣相和液相混合物的當(dāng)量傳導(dǎo)進(jìn)行。即:鉆井液中的傳熱主要由微觀骨架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱、流體的導(dǎo)熱以及這兩者之間互相導(dǎo)熱之和組成(不考慮對(duì)流和輻射傳熱)。如圖1所示，整個(gè)鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中熱量的傳遞可以簡(jiǎn)化為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)與充填其中的流體組成整個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程。熱量的傳遞主要通過(guò)鉆井液的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行定量分析。鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)不同，環(huán)空溫度也不同，因此監(jiān)測(cè)鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于環(huán)空鉆井液溫度的預(yù)測(cè)具有重要的作用。導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)質(zhì)上反映了鉆井液在徑向和軸向上導(dǎo)熱熱阻的大小(文乾彬等，2008)。

如圖1所示，整個(gè)體系的導(dǎo)熱系數(shù)可由孔隙中流體的導(dǎo)熱系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)骨架的導(dǎo)熱系數(shù)組成。傳熱過(guò)程可等效抽象成如圖2所示一維熱傳導(dǎo)過(guò)程。將傳熱過(guò)程假設(shè)為熱量通過(guò)平行的分形曲線路徑在微觀骨架結(jié)構(gòu)與其中的孔隙中流體進(jìn)行傳遞。熱量的計(jì)算公式為:Q=ktSgradT，式中:Q為熱量;k為導(dǎo)熱系數(shù);S為熱量傳遞橫截面面積;t為時(shí)間;gradT為溫度梯度。

與多孔介質(zhì)不同，圖1所示鉆井液中的固相為內(nèi)部各組分形成的微觀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，因此采用經(jīng)驗(yàn)公式L(a)=L0a1－d(施明恒等，2002)來(lái)計(jì)算微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部分形曲線的長(zhǎng)度，式中:L(a)是曲線的長(zhǎng)度，a為比例尺度，L0是曲線兩端之間的直線距離，d是曲線的分形維數(shù)。

假設(shè)鉆井液微觀骨架形成的孔隙度為φ，則通過(guò)孔隙中流體傳遞的熱量面積為φS，通過(guò)固體傳遞的熱量面積為(1－φ)S，這里S是熱量傳遞鉆井液的橫截面面積。鉆井液的導(dǎo)熱通道可簡(jiǎn)化成通過(guò)流體相和固相的并聯(lián)通道。

鉆井液微觀結(jié)構(gòu)的總導(dǎo)熱熱阻為:

由此可得鉆井液微觀結(jié)構(gòu)有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形表達(dá)式為:

式中:kl、ks分別為鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中液相、固相的導(dǎo)熱系數(shù);ke為鉆井液的有效導(dǎo)熱系數(shù)。式(12)就是利用分形理論推出的與鉆井液微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)的有效導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系式。分形維數(shù)與孔隙度的關(guān)系可利用式(10)進(jìn)行計(jì)算。

分形模型的建立還可以根據(jù)SEM圖片，經(jīng)過(guò)CorelDRAW、autoCAD等軟件轉(zhuǎn)化為矢量圖，再經(jīng)過(guò)Heat transfer軟件進(jìn)行建模分析。

4．4 鉆井液各組分與微觀結(jié)構(gòu)有效導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由式(12)可知，鉆井液微觀結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱系數(shù)與分形維數(shù)、孔隙度、比例系數(shù)以及各組分的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。

鉆井液微觀結(jié)構(gòu)中高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)骨架與其中充填的流體、流體中的離子等各自的導(dǎo)熱系數(shù)不同，影響著鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。鉆井液中聚合物起著導(dǎo)熱作用，這部分用固相組分的導(dǎo)熱系數(shù)表示，導(dǎo)熱系數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)與孔隙度有關(guān)。它們組成的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔隙度可通過(guò)微觀圖像，利用分形維數(shù)與孔隙度的關(guān)系式求得。充填于微觀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)中的水分子、無(wú)機(jī)鹽分子等小分子物質(zhì)一部分被吸附在聚合物表面，成為網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的一部分;其余的以流體的形式在網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)中流動(dòng)，可以通過(guò)熱傳導(dǎo)或?qū)α鲗?dǎo)熱的形式傳遞熱量，流體中無(wú)機(jī)鹽離子可促進(jìn)熱量的傳遞，這部分可用流體的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。

5 結(jié)論

(1)鉆井過(guò)程中鉆井液內(nèi)含水合物巖屑的熱量傳遞可以分為三個(gè)部分進(jìn)行分析:①熱量通過(guò)鉆井液中網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)方式傳遞至水合物巖屑表面;②熱量通過(guò)充填于鉆井液網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)孔隙中的自由水、鹽類小分子以及其它中小分子等流體以對(duì)流傳熱的方式傳至水合物巖屑表面;③熱量從水合物巖屑表面以熱傳導(dǎo)的方式向內(nèi)傳遞。微觀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)決定著傳熱速率。

(2)根據(jù)多孔介質(zhì)的分形理論，可以將鉆井液微觀結(jié)構(gòu)的孔隙度與分形維數(shù)建立聯(lián)系，DF=d－根據(jù)多孔介質(zhì)的分形傳熱理論，將鉆井液微觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)模型，推導(dǎo)出鉆井液微觀結(jié)構(gòu)有效導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系式:ke=，影響有效導(dǎo)熱系數(shù)的因素有微觀結(jié)構(gòu)的孔隙度、分形維數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。

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A Fractal Model of Heat Conduction for the Drilling Fluid Microstructure in Hydrate Formation

HAN Bo1，LIN Chong－zhong1，F(xiàn)AN Yong2，JIANG Miao3
(1．China Water BEIFANG Investigation，Design＆Research Co．，Ltd，Tianjin320222; 2．FUJIAN academy of building research，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian350025; 3．China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co．，Ltd，Tianjin300133)

In the process of the exploration and development of natural gas hydrate，drilling fluid should have the function of restraining the disassociation and regeneration of hydrate，besides the conventional functions．The macro－functions of drilling fluid are decided by its inner structure，and the disassociation and regeneration of hydrate are related to the heat transfer course of the media．As the microstructures of drilling fluid are similar to porous media，their heat transfer process is also similar．Using the heat transfer properties and theory of porous media，this paper analyzed the similarities and differences between drilling fluid and porous media，discussed the disassociation properties of hydrate in the drilling fluid，and studied the heat conduction fractal model for the drilling fluid microstructure．In conclusion，we obtained the heat conduction process of hydrate disassociation，established a one－dimensional heat conduction fractal model of drilling fluid microstructures，and got the fractal expression of effective coefficient for heat conduction．

hydrate，microstructure of drilling fluid，heat conduction，fractal

book=7,ebook=267

TK124

A

0495－5331(2012)04－0829－6

2011－11－17;

2012－02－08;［責(zé)任編輯］郝情情。

韓博(1984年—)，男，2011年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲碩士學(xué)位，助理工程師，現(xiàn)從事水利水電地質(zhì)勘察工作。E-mail:hanbo1984@126．com。