基于相變蓄熱原理的深井鉆井液降溫實驗研究

劉均一，陳二丁，李光泉，袁 麗

（1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257100；2.中石化石油工程技術服務有限公司，北京100029）

深部油氣鉆探開發過程中，面臨著越來越多的 高溫、超高溫問題[1-3]，塔里木盆地順北、順南地區的井底溫度一般在180～260℃，鉆井液各組分在高溫下極易發生分散、聚結、降解和交聯等反應，造成鉆井液流變濾失性能劇變，甚至導致鉆井作業無法正常進行[4-5]。高溫超高溫環境也會影響鉆井工具、隨鉆測量和測井等儀器設備的使用壽命[6-7]。此外，干熱巖高溫井的井底溫度多在200℃以上，甚至超過300℃[8]。因此，深層油氣、干熱巖等高溫高壓極端惡劣環境對鉆井液、井下儀器設備帶來了嚴峻考驗，限制了深層油氣、地熱清潔資源的勘探開發。

為了提高深井鉆井作業的效率和安全，國內外主要采用自然冷卻、混合低溫介質冷卻和冷卻裝置強制冷卻等地面降溫方法，通過降低井筒返出鉆井液的溫度來降低鉆井液的循環溫度，并在高溫深井、地熱井和凍土帶等得到了應用[9-11]。但上述地面降溫方法只是通過降低鉆井液入口處溫度來間接降低井筒鉆井液循環溫度，且存在設備投入大、能耗高和冷卻介質消耗大等問題，無法完全滿足深井高溫鉆井液的降溫要求。

相變材料（phase change material，PCM）是通過自身相態的變化對熱能進行存儲，從而對材料周圍環境溫度進行調節的一種新型功能材料，廣泛應用于航天、軍事、建筑和制冷等領域[12]。目前，相變材料在鉆井工程中的研究與應用主要集中在低水化熱水泥漿方面[13]，未見相變材料在鉆井液中的研究與應用。因此，筆者首次將相變材料應用于鉆井液中，在評價相變材料的蓄熱控溫特性的基礎上，通過鉆井液降溫性能模擬實驗驗證了利用相變材料的相變蓄熱特性降低井筒鉆井液循環溫度的可行性，為深井高溫鉆井液降溫提供了新的技術思路。

1 相變材料特性評價與分析

在一定的相變溫度下，相變材料能夠在不同的相態之間相互轉變，轉變時吸收或釋放大量的相變潛熱。根據相變類型，相變材料可分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料和液-氣相變材料等4類，其中，固-氣、液-氣相變材料在相變過程中產生氣體，造成材料體積大幅變化，實際應用較少。相變過程具有以下特征：1）相變潛熱較大，比顯熱儲存材料（如水泥、巖石等）單位體積儲熱能力高40倍以上；2）在相變過程中保持介質溫度幾乎不變；3）清潔環保，可重復利用[14]。

1.1 優選原則

基于上述特征，將相變材料引入鉆井液中，探索利用其在相變過程中吸收相變潛熱并保持溫度穩定（相變蓄熱）的特性，實現降低井筒鉆井液循環溫度的目標。鉆井施工過程中，將一定量的相變材料添加到鉆井液中，隨鉆井液循環進入井筒，當鉆井液循環溫度達到相變溫度后，相變材料發生相態轉變，吸收大量的相變潛熱，將能量儲存在相變材料中，達到降低鉆井液循環溫度的目的；鉆井液上返過程中，溫度降低，相變材料發生可逆相態變化，釋放出井下儲存的熱量，達到降低鉆井液溫度的目的。

將相變材料作為鉆井液降溫用處理劑，需要滿足以下原則：1）與鉆井液配伍性好，相變前后對鉆井液流變性、濾失性等無不利影響；2）熱吸收能力強，相變潛熱大，且具有合適的相變溫度，能夠滿足深井高溫鉆井液的降溫要求；3）具有良好的化學穩定性和熱穩定性，在井下多次相變蓄熱/放熱過程中不發生分解、老化、相分離等問題；4）相變材料粒徑屬于微納米級別，且相變可逆性好，可反復使用，能夠隨鉆井液循環使用，而不被鉆井固控系統篩除。此外，相變材料還應來源豐富，成本可接受，使用安全，滿足無毒、不易燃等要求。

基于上述優選原則，優選了3種相變材料，測試了上述相變材料的熱物性，并評價了其相變蓄熱控溫特性，為后續鉆井液降溫模擬實驗提供了參考。

1.2 熱物性評價

利用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC），采用DSC-3型差示掃描量熱儀，測試了3種相變材料的相變溫度、相變潛熱等熱物性參數。1#相變材料是一種基于石蠟/膨脹石墨的復合相變材料，屬于固-液相變材料；2#相變材料是一種以異戊四醇、新戊二醇為主要組分的固-固相變材料；3#相變材料是一種以相變材料赤蘚糖醇為囊芯、高分子共聚物為囊壁的微膠囊，屬于固-液相變材料。

測試方法：1）溫度以 10℃/min 的升幅從 30℃升至 200℃；2）200℃ 恒溫 10min；3）溫度以 10℃/min的降幅從 200℃ 降至 30℃；4）30℃ 恒溫 10min；5）溫度以 10℃/min 的升幅從 30℃ 升至 200℃，得到DSC曲線。根據ICTA標準化委員會規定，DSC曲線向上為放熱峰，向下為吸熱峰，前基線延長線與峰前沿最大斜率處切線的交點即為熔點，取熔化再結晶的結晶峰作為特征峰進行分析，即可獲得相變溫度、相變潛熱等熱物性參數[15]。3種相變材料的熱物性參數測試結果見表1。

表1 相變材料的熱物性參數測試結果Table1 Test results of the thermophysical parameters of phase change materials

從表1可以看出，1#相變材料的相變溫度為145℃，相變潛熱為 90.3J/g，具有熱導率大、環境友好和安全等特點，但相變潛熱相對較低；2#相變材料的相變溫度為120℃，相變潛熱280.4J/g，相變溫度適中，相變潛熱較高，且成本較低、使用壽命長、環境友好；3#相變材料的相變溫度為132℃，相變潛熱126.2J/g，既具有相變材料的相變蓄熱作用，還能避免相變材料對工作介質的不利影響，但存在微膠囊耐溫穩定性不足、成本高等問題。1#—3#相變材料的D90均小于 35μm，可通過平均孔徑為 75μm 的200目振動篩篩布，滿足鉆井液循環利用要求。此外，3 種相變材料的成本為 35000～50000 元/t，稍高于目前常用的抗高溫鉆井液處理劑，但上述3種相變材料并非專用于鉆井液領域，后續可通過研發低成本的鉆井液降溫專用相變材料來提高其經濟性。

1.3 蓄熱控溫特性評價

利用自制的高溫高壓鉆井液沉降穩定性評價實驗裝置，以高溫導熱油為加熱介質，測試得到3種相變材料的蓄熱控溫特性曲線。測試方法為：1）將純加熱介質的溫度逐步升至200℃，每隔1min記錄一次溫度，得到純加熱介質的升溫曲線；2）在純加熱介質中加入12.0%的相變材料，混合均勻后循環加熱，每隔1min記錄一次溫度，得到相變材料的蓄熱控溫特性曲線。

3種相變材料的蓄熱控溫特性曲線如圖1所示。分析可知，隨著加熱時間增長，純加熱介質的溫度逐步升高，約 20min后升至 200℃；加入 1#相變材料后，隨著加熱時間增長，加熱介質的溫度逐步升高，溫度約升至145℃（相變溫度）時，材料發生相態轉變，吸收大量的相變潛熱，保持加熱介質的溫度恒定，形成了一個約4min的 “相變恒溫平臺” ；加入2#和3#相變材料后，也得到了類似的蓄熱控溫特性曲線，形成了一定時長的 “相變恒溫平臺” 。

進一步分析圖1可知，相變恒溫平臺的溫度是由相變材料的相變溫度決定的，1#—3#相變材料的恒溫平臺的溫度分別約為145，120和130℃。恒溫平臺的保持時長與相變材料的相變潛熱直接相關，2#相變材料的相變潛熱最大，恒溫平臺保持時間最長（約 16min）；3#相變材料的相變潛熱次之，保持時長約 6min。

2 配伍性評價

圖1 1#—3#相變材料的蓄熱控溫特性曲線Fig.1 Heat storage characteristic curves of phase change materials1#-3#

相變材料作為鉆井液降溫用處理劑，必須與常用鉆井液具有良好的配伍性。因此，選用了常用的抗高溫水基鉆井液HT-MUD-1，其配方為2.0%膨潤土+0.8%HT-POLY+1.5%HT-FR+2.0%HT-LSA+3.5%HT-SEAL+0.5%HT-CSP+1.0%HT-LUBE+重晶石（密度1.50kg/L），其中，聚合物HT-POLY用作增黏、提切劑；抗高溫抗鹽降濾失劑HT-FR用于提高鉆井液的濾失造壁性能；低熒光瀝青HT-LSA和成膜封堵劑HT-SEAL主要用于增強鉆井液的封堵防塌性能；降黏劑HT-CSP用于調整鉆井液的黏度和切力；聚合醇類潤滑劑HT-LUBE可以增強鉆井液的抑制性與潤滑性。通過實驗測試了鉆井液HT-MUD-1加入相變材料前后的流變性、濾失性等基本性能，結果見表2。其中，HT-MUD-2配方為：HT-MUD-1+12.0%1#相變材料；HT-MUD-3配方為：HT-MUD-1+12.0%2#相變材料；HT-MUD-4配方為：HT-MUD-1+12.0%3#相變材料。

表2 鉆井液流變性、濾失性測試結果Table2 Test results of the rheological and filtration properties of drilling fluids

從表2可以看出，抗高溫水基鉆井液HT-MUD-1加入1#—3#相變材料后，老化前后的黏度、切力均略有增大，API濾失量、高溫高壓濾失量和濾餅厚度都變化不大，說明1#—3#相變材料與鉆井液的配伍性良好，加量達到12.0%時鉆井液的流變性、濾失性仍滿足鉆井施工要求，可以作為鉆井液降溫用處理劑。其中，3#相變材料對鉆井液的流變性、濾失性的影響最小，這是因為其是相變微膠囊材料，避免了相變材料與鉆井液直接接觸；但 “額外” 的微膠囊壁傳熱過程，也降低了相變材料的相變潛熱等，影響了相變材料的相變蓄熱作用效果。因此，建議研發專用于鉆井液降溫的高導熱、高強度和低成本相變微膠囊材料。

3 基于相變材料的鉆井液降溫實驗

研究表明，隨著工作環境溫度升高，相變材料發生可逆的相態轉變，可吸收大量熱量，形成較寬的相變恒溫平臺，達到 “相變控溫” 效果。因此，利用自制的鉆井液循環模擬實驗裝置，將相變材料加入到抗高溫鉆井液中，評價相變材料在鉆井液環境中的降溫性能，并驗證利用 “相變蓄熱原理” 降低井筒鉆井液循環溫度的可行性。

3.1 鉆井液循環模擬實驗

自制鉆井液循環模擬實驗裝置的基本結構如圖2所示。實驗時，用真空泵將鉆井液泵入到模擬鉆柱中進行循環；井筒用加熱套包裹，3個溫度傳感器串聯控制加熱套；環空出口處裝有壓力控制閥，可通過控制環空出口壓力，調控鉆井液循環壓力。

圖2 鉆井液循環模擬實驗裝置的基本結構Fig.2 Basic structure of the experimental device for drilling fluid circulating simulation

鉆井液循環模擬實驗方法如下：1）采用未加相變材料的鉆井液，進行井筒循環流動，3個溫度傳感器控制加熱套，使井底鉆井液溫度達到180℃；2）手動調節加熱套，保持溫度恒定，關閉溫度傳感器的伺服控制；3）鉆井液中加入相變材料后進行循環流動，連續記錄井底溫度傳感器讀數，得到鉆井液循環降溫曲線。

3.2 鉆井液降溫性能

按照上述鉆井液循環模擬實驗方法，采用抗高溫水基鉆井液HT-MUD-1作為實驗鉆井液，測試得到加入1#—3#相變材料的鉆井液循環降溫曲線。其中，2#相變材料加入鉆井液后的降溫曲線如圖3所示（A為第一次調溫點，B為相變材料第一次加入點，C為第一次降溫終點，D為第二次調溫點，E為相變材料第二次加入點，F為第二次降溫終點）。由圖3可知，井底鉆井液溫度達到180℃后，抗高溫鉆井液加入2#相變材料進行循環時，相變材料在相變溫度附近發生相態變化，吸收大量的熱量，即發生 “相變蓄熱” ，井底鉆井液循環溫度隨之降低；而且相變材料加量越大，井底鉆井液循環溫度的降低幅度越明顯。加量為3%時，井底鉆井液循環溫度約降低了5℃；相變材料加量增加至6%，9%，12%和15%時，井底鉆井液循環溫度分別約降低了9，16，20 和 24℃。

圖3 2#相變材料不同加量的鉆井液循環降溫曲線Fig.3 Circulating cooling curves of drilling fluids with different concentrations of phase change material2#

為了模擬在連續循環條件下相變材料的鉆井液降溫性能，將第一次降溫實驗的抗高溫鉆井液（已加入2#相變材料）冷卻至60℃左右后，再次泵入循環，完成第二次降溫實驗。進一步分析圖3可知，由于相變過程是一個可逆的 “蓄熱-放熱” 過程，再次泵入井筒循環，仍表現出良好的鉆井液降溫性能，2次降溫實驗的降溫效果相差不超過2℃，具有較好的可重復利用性能，能夠滿足現場鉆井液連續循環等工況。實驗結果表明，利用 “相變蓄熱原理” 降低鉆井液循環溫度具備可行性。

將1#—3#相變材料的鉆井液降溫性能實驗結果進行對比，結果如圖4所示。從圖4可以看出，3種相變材料都能夠降低鉆井液循環溫度，但相同加量條件下的鉆井液降溫效果相差較大；以鉆井液降溫10℃為評價標準，1#—3#相變材料最優加量分別為15%，6%和12%。這主要是由于相變材料的鉆井液降溫效果受相變潛熱影響顯著，2#相變材料的相變潛熱最大，其鉆井液降溫性能最優。

圖4 1#—3#相變材料的鉆井液降溫性能實驗結果對比Fig.4 Comparison on experimental results of drilling fluid cooling performance of phase change materials1#-3#

4 結論與建議

1）基于 “相變蓄熱原理” ，在鉆井液中添加相變材料，可以降低井筒鉆井液循環溫度；且相變材料的相變潛熱越大，鉆井液降溫效果越明顯。

2）建議后續開展鉆井液降溫專用相變材料研發與考慮 “相變蓄熱” 的井筒溫度場數值模擬研究，為深井高溫鉆井液降溫新技術研究奠定基礎。