考慮鹽度影響的深水水合物地層鉆井井筒流動規(guī)律

郭慶豐，蔡驍，劉偉，等.考慮鹽度影響的深水水合物地層鉆井井筒流動規(guī)律19-27

Guo Qingfeng，Cai Xiao，Liu Wei，et al.Wellbore flow in drilling of deepwater hydrate formation considering the influence of salinity19-27

水合物分解的氣-液-固多相流動問題是深水水合物地層鉆井面臨的一個新問題。考慮鉆進(jìn)過程中井筒內(nèi)的多相流動、傳熱和水合物分解三者之間相互耦合關(guān)系，建立了考慮海水鹽度影響的含水合物相變氣-液-固多相非等溫瞬態(tài)流動模型。采用室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了模型的準(zhǔn)確性。案例井計算結(jié)果表明：隨著海水鹽度的增加，井筒內(nèi)水合物分解區(qū)域和分解速率逐漸增大。同時，海水鹽度越高，鉆井過程中井底壓力降低的幅度越大，井口氣體含量也越高。井口回壓和注入流體溫度可以有效控制井筒內(nèi)水合物的分解量。為了保證井口安全，降低水合物分解速率，井口回壓應(yīng)大于4.5 MPa。當(dāng)入口流體溫度在15～30 ℃范圍內(nèi)時，海水鹽度應(yīng)控制在0.8%～1.9%之間，這將保證井口最大氣相體積分?jǐn)?shù)小于10%。研究結(jié)果可為深水水合物的開采提供理論支撐。

水合物地層；氣-液-固三相流；海水鹽度；水合物分解

TE21

A

003

Wellbore Flow in Drilling of Deepwater Hydrate Formation

Considering the Influence of Salinity

Guo Qingfeng1，2" Cai Xiao2" Liu Wei3" Zhang Jingtian2" Zhang Xin2" Men Minglei2

（1.China University of Petroleum（Beijing）；2.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited；3.CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited）

The gas-liquid-solid multiphase flow problem considering hydrate decomposition is a new problem faced by drilling in deepwater hydrate formations.After having taken into account the coupling relationship among multiphase flow，heat transfer and hydrate decomposition in the wellbore in the course of drilling，a hydrate-bearing facies change gas-liquid-solid multiphase nonisothermal transient flow model considering the influence of salinity of sea water was built.Then，the laboratory test data and field measured data were used to verify the accuracy of the model.The calculation results of the case well show that as the salinity of seawater increases，the decomposition area and rate of hydrates in the wellbore gradually increase；meanwhile，the higher the salinity of seawater，the greater the decrease in bottomhole pressure during drilling，and the higher the gas content at the wellhead；the wellhead backpressure and injection fluid temperature can effectively control the decomposition amount of hydrates in the wellbore；in order to ensure the safety of wellhead and reduce the rate of hydrate decomposition，the wellhead backpressure should be greater than 4.5 MPa；when the inlet fluid temperature is within the range of 15～30 ℃，the salinity of seawater should be controlled between 0.8% and 1.9%，which can ensure the maximum gas phase volume fraction at the wellhead to be less than 10%.The research results provide theoretical support for the exploitation of deepwater hydrates.

hydrate formation;gas-liquid-solid three-phase flow;salinity of sea water;hydrate decomposition

0" 引" 言

天然氣水合物由于儲量巨大，并且能量密度高，逐漸受到國際社會的廣泛關(guān)注，中國、美國、日本和加拿大等國家先后進(jìn)行了多次試驗性開采，并制定了商業(yè)開采計劃［1-3］。天然氣水合物開采原理是通過改變天然氣水合物在沉積層中存在的溫度和壓力條件，使其分解產(chǎn)生氣體和水，然后收集分解產(chǎn)生的氣體［4-5］。開采方法主要包括降壓法、注熱法、注入抑制劑法、置換法、固態(tài)流化法和機械-熱聯(lián)合法等［6-8］。上述方法都需要借用鉆井技術(shù)打開水合物儲層。同時，在深水淺部地層鉆進(jìn)過程中也時常鉆遇水合物地層。因此，在水合物地層安全高效地鉆進(jìn)對深水油氣和海底水合物資源的開發(fā)利用具有十分重要的意義。

在油氣領(lǐng)域，氣-液-固多相流動的研究已在油氣鉆探、油氣生產(chǎn)和油氣儲運等各個方向得到了很大的發(fā)展，并取得了一定的研究成果［9-14］。目前，在油氣鉆探方向，含水合物相變的多相流動規(guī)律研究主要集中在流動保障中水合物的預(yù)防上［15-16］。在水合物地層鉆井過程中，環(huán)空內(nèi)的多相流動與水合物相變同時發(fā)生并且相互影響，是一個非常復(fù)雜的涉及到傳熱、傳質(zhì)的多相流動問題，對整個鉆井系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性也有重要的影響。由于含水合物分解的氣-液-固多相流動問題是深水水合物地層鉆探面臨的一個新問題，僅有少數(shù)關(guān)于水合物地層鉆井過程中井筒多相流動規(guī)律研究的報道［17-19］。

在深水淺層水合物地層鉆井過程中使用海水作為循環(huán)流體是一種常見的方式。海水中電解質(zhì)的存在會降低水相中水的活度，將水合物相平衡邊界移至高壓/低溫，進(jìn)而促進(jìn)水合物分解。然而，現(xiàn)有含水合物分解的氣-液-固多相流動模型忽略了海水鹽度對水合物相平衡和分解速率的影響。

因此，本文研究主要針對深水淺層水合物地層鉆井過程，重點研究海水作為循環(huán)流體對鉆井過程中井筒多相流動行為的影響。首先，基于井筒多相流模型，結(jié)合井筒傳熱模型、水合物相平衡模型和水合物分解速率模型，建立含水合物相變的氣-液-固多相非等溫瞬態(tài)流動模型。然后，模擬深水淺層水合物地層鉆井井筒多相流動過程，研究井筒內(nèi)溫度、壓力、水合物分解速率和各相體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，分析海水鹽度對整個流動過程的影響。最終，在結(jié)果分析的基礎(chǔ)上優(yōu)選出深水淺層水合物地層鉆井過程中最合適的海水鹽度范圍。研究結(jié)果可為深水水合物的開采提供理論支撐。

1" 數(shù)學(xué)模型

在含水合物地層鉆井過程中，鉆井液沿著鉆柱向下流動，經(jīng)過鉆頭噴嘴進(jìn)入井底，在井底混合含水合物巖屑。之后，混合流體沿環(huán)空上返。在上返過程中，隨著井筒壓力降低，水合物開始逐漸分解。由于水合物分解產(chǎn)生氣體，環(huán)空中會由初始的固-液兩相流逐漸轉(zhuǎn)變成氣-液-固三相流，如圖1所示。因此，在整個鉆井過程中，鉆柱內(nèi)表現(xiàn)為單相流，環(huán)空內(nèi)表現(xiàn)為固-液兩相流和氣-液-固三相流共存，兩者以水合物分解臨界井深為分界線。

在循環(huán)鉆進(jìn)過程中，井筒內(nèi)多相流動、井筒-地層系統(tǒng)傳熱和水合物分解三者之間相互耦合。它們之間的相互耦合關(guān)系可以表述如下：

（1）循環(huán)流體與周圍介質(zhì)之間的熱對流和熱傳導(dǎo)影響井筒-地層系統(tǒng)溫度分布，進(jìn)而影響水合物分解速率和多相流動特性。

（2）水合物分解引起的界面?zhèn)鳠帷髻|(zhì)會直接影響井筒內(nèi)多相流動和井筒-地層系統(tǒng)傳熱行為。

（3）井筒內(nèi)多相流動直接決定井筒內(nèi)各相速度的大小和井筒壓力分布，進(jìn)而影響水合物分解速率和井筒-地層系統(tǒng)傳熱行為。

此外，海水鹽度也將影響水合物相平衡和分解速率，進(jìn)而影響井筒內(nèi)多相流動、井筒-地層系統(tǒng)傳熱和水合物分解三者之間相互耦合關(guān)系。因此，在深水含水合物地層鉆井是一個涉及多相流動、系統(tǒng)傳熱和水合物分解的復(fù)雜物理過程。

1.1" 井筒多相流動模型

針對水合物發(fā)生分解后井筒內(nèi)的氣-液-固三相流動過程，分別建立氣相、鉆井液和巖屑的質(zhì)量守恒方程為：

Aρgαgt+Aρgαgvgz=Aαsmg

Aρlαlt+Aρlαlvlz=Aαsml

Aρsαst+Aρsαsvsz=qs-Aαsmh（1）

式中：t為時間，s；z為軸向位移，m；A為環(huán)空流道面積，m2；ρg、ρl、ρs分別為氣相、鉆井液、巖屑的密度，kg/m3；αg、αl、αs分別為氣相、鉆井液、巖屑的體積分?jǐn)?shù)，%；vg、vl、vs分別為氣相、鉆井液、巖屑的流速，m/s；qs為單位厚度巖屑產(chǎn)生速率，kg/（s·m）；mh、ml、mg分別為水合物分解速率、水生成速率和氣體釋放速率，kg/（s·m3）。

當(dāng)存在水合物分解時，井筒內(nèi)的多相流行為是一個高度非穩(wěn)態(tài)的過程。氣-液-固三相體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)變化將影響井筒壓力分布。根據(jù)牛頓第二定律，控制體內(nèi)流體的動量對時間的變化率等于其所受的合外力之和，可得控制體內(nèi)氣-液-固三相的混合動量方程為：

∑m=g，l，sAρmαmvmt+∑m=g，l，sAρmαmvmvmz+pAz=

-∑m=g，l，sρmαmAgsin θ-pfAz-qsvs-

Amgvg+mlvl-mhvs（2）

式中：等號左邊的各項分別表示動量隨時間和位置變化以及環(huán)空壓力變化；等號右邊的各項分別表示重力壓降、摩阻壓降、機械鉆速以及水合物分解速率對混合流體動量和壓力的影響；p為壓力，Pa；g為重力加速度，取9.81 m/s2；θ為井眼方向與水平方向的夾角，（°）；pf為沿程壓耗，Pa。

1.2" 井筒-地層傳熱模型

在水合物地層鉆井過程中，整個井筒-地層系統(tǒng)需要根據(jù)不同區(qū)域的換熱機理分別建立相應(yīng)的傳熱方程。

（1）環(huán)空傳熱方程。當(dāng)流體沿環(huán)空向上流動時，流體內(nèi)部的軸向熱傳導(dǎo)也可以忽略。環(huán)空溫度取決于流體與鉆柱、井壁的強制對流換熱速率、水合物分解吸熱和黏性摩阻產(chǎn)熱。因此，環(huán)空內(nèi)傳熱方程為：

ρmcmπr2w-r2pTat=2πrwhwTw-Ta-

2πrphpTa-Tp+ρmcmqmTaz-Qh+Qa（3）

式中：ρm為混合流體密度，kg/m3；cm為混合流體比熱容，J/（kg·℃）；Tw為井壁溫度，℃；Tp為鉆柱內(nèi)溫度，℃；Ta為環(huán)空溫度，℃；hp為鉆柱壁對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；hw為井壁對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；rp為鉆柱外半徑，m；rw為井壁半徑，m；qm為混合流體流量，m3/s；Qh為水合物分解吸收的熱量，W/m;Qa為混合流體黏性耗散產(chǎn)生的熱量，W/m。

（2）地層傳熱方程。地層溫度主要由與之接觸流體的徑向熱交換速率和內(nèi)部軸向熱傳導(dǎo)速率決定。當(dāng)接觸流體流動時，徑向換熱采用強制對流換熱的形式。如果接觸的流體是靜止的，那么熱交換的形式僅是熱傳導(dǎo)。因此，地層傳熱方程可以表示為：

ρfcfTft=λf2Tfr2+1rTfr+2Tfz2（4）

式中：ρf為地層密度，kg/m3；cf為地層比熱容，J/（kg·℃）；Tf為地層溫度，℃；λf為地層導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

1.3" 水合物相平衡模型

預(yù)測氣體水合物相平衡的Chen-Guo模型［20］由于計算簡單且精度高得到廣泛應(yīng)用。Chen-Guo模型的建立是依據(jù)氣體在蒸汽相與在液相中的逸度相等這一平衡條件，即：

fvg=flg

flg=f01-β1/β2

f0=f0Tf0pf0aw（5）

式中：fvg為蒸汽相中客體分子的逸度，可由Redlich-Kwong狀態(tài)方程［21］計算得到，MPa；flg為液相中客體分子的逸度，MPa；f0為基礎(chǔ)水合物平衡時氣相逸度，受溫度（T）、壓力（p）和水活度（aw）的影響［22］，MPa；β1為每個水分子所包含的晶腔數(shù)；β2為基礎(chǔ)水合物中每個水分子所包絡(luò)的客體分子數(shù)；為客體分子所占水合物晶腔的比例；aw為液相中水的活度。

在純水體系中水活度近似等于水的物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在含有電解質(zhì)的水溶液體系中考慮到電解質(zhì)對水活度的改變，aw表示如下：

aw=γxw""""""" 純水體系

aw=xw∑xeiγei/∑xei" 混合電解質(zhì)體系（6）

式中：γ為活度系數(shù)；xw為純水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；xei為第i種電解質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，%；γei為在僅含有第i種電解質(zhì)的溶液中水的活度系數(shù)。

活度系數(shù)是計算水活度的關(guān)鍵，C.M.HSIEH等［23］建立了用于計算非電解質(zhì)混合物的COSMO-SAC活度系數(shù)模型。之后，E.A.MACEDO等［24］通過Pitzer-Debye-Hückel模型將長程相互作用引入模型中，將模型擴展到電解質(zhì)體系。即：

lnγ=lnγS+lnγL

lnγS=x2eζewφ2ew+ζweφ2weφwe-ζew-ζwe

lnγL=-1 000Mw1/2Aφ2zszcω

ln1+ωI1/2+" zszcI1/2-2I3/2I+ωI1/2（7）

式中：γS為短程相互作用下水的活度系數(shù)；γL為長程相互作用下水的活度系數(shù)；xe為電解質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ζew、ζwe、φwe和φew為擬合參數(shù)；Mw為水的摩爾質(zhì)量，kg/mol；Aφ為Debye-Hückel常數(shù)；ω為最接近參數(shù)；I為離子強度，mol/kg；zc和zs分別為陰離子和陽離子的電荷數(shù)。

1.4" 水合物分解速率模型

H.C.KIM等［25］認(rèn)為水合物的分解過程包括晶體表面籠形格子結(jié)構(gòu)的解體和氣體分子解析2個過程，水合物分解速率和剩余水合物量成正比。因此，這里假設(shè)水合物分解速率與剩余水合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)成指數(shù)關(guān)系，并根據(jù)氣體傳質(zhì)理論［26］，考慮水合物本征動力學(xué)和傳質(zhì)速率，水合物分解速率計算模型如下：

rh=-1khe-EaRT+10.347ρ0.29lv0.62lD0.67μ0.29ld0.38s106pZgRT-1ρhδShαsMhη（8）

式中：rh為分解速率，mol/s；η為速率指數(shù)；kh為水合物分解速率常數(shù)，mol/（Pa·m2·s）；δ為孔隙度；Sh為水合物地層飽和度；Mh為水合物摩爾質(zhì)量，kg/mol；Ea為分解反應(yīng)活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）；D為擴散系數(shù)，m2/s；μl為液相黏度，Pa·s；ds為顆粒直徑，m；Zg為氣體壓縮因子；ρh為水合物密度，kg/m3。

2" 模型求解

2.1" 初始條件

初始時刻，將井筒-地層整個傳熱系統(tǒng)的初始溫度設(shè)為原始地層溫度，將正常固-液兩相循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定時的井筒壓力作為初始壓力，有：

Tiz，0=Ts+Tgz

pz，0=pnz（9）

式中：Ti為各節(jié)點位置溫度，℃；Tg為地溫梯度，℃/m；Ts為表面溫度，℃；pn為固-液兩相循環(huán)穩(wěn)定井筒壓力，Pa。

2.2" 邊界條件

井口回壓已知，作為出口壓力邊界條件；鉆柱入口的流體溫度可測，作為入口溫度邊界條件；將井底處的鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)流體的溫度視為相等，作為井底邊界條件。具體表示如下：

p0，t=pc

Tp0，t=Tin

Tpzb，t=Tazb，t（10）

式中：pc為套管壓力，Pa；Tin為注入流體溫度，℃；zb為井底深度，m。

2.3" 求解方法

含水合物分解的瞬態(tài)非等溫氣-液-固多相流動模型呈現(xiàn)強烈的非線性。與常規(guī)多相流模型類似［27-28］，采用全隱式的有限差分格式對上述控制方程進(jìn)行離散。離散后的方程組采用迭代法求解，詳細(xì)的求解流程如圖2所示。

3" 模型驗證

為了驗證氣-液-固多相流動模型的準(zhǔn)確性，利用模型計算了試驗條件下的氣相體積分?jǐn)?shù)，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。圖3為氣相體積分?jǐn)?shù)的對比圖，圖中虛線表示相對誤差。與試驗數(shù)據(jù)相比，Takano模型［29］和Hatakeyama模型［30］高估了氣相體積分?jǐn)?shù)，而Satoru模型［31］低估了氣相體積分?jǐn)?shù)。本文模型對氣相體積分?jǐn)?shù)的預(yù)測與試驗數(shù)據(jù)最為接近，整體相對誤差在10%以內(nèi)。

此外，當(dāng)忽略水合物分解影響時，可以使用常規(guī)鉆井溫度測量數(shù)據(jù)對上述模型進(jìn)行間接驗證，這樣也可以從側(cè)面驗證上述模型的準(zhǔn)確性和可靠性。這里采用南海某深水井的MWD實測溫度數(shù)據(jù)對本文模型進(jìn)行驗證。該井所在海平面23 m，水深900 m，每100 m溫度梯度約0.042 ℃。圖4顯示了MWD實測溫度與模型計算溫度的對比。從圖4可以看出，模型計算值與MWD測量值之間具有較好的一致性，整體誤差不超過10%。這說明本文建立的氣-液-固多相非等溫瞬態(tài)流動模型對井筒溫度的預(yù)測具有一定的準(zhǔn)確性。

4" 結(jié)果分析與討論

本文基于建立的含水合物相變氣-液-固多相非等溫瞬態(tài)流動模型，重點分析了海水鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水合物地層鉆井過程中井筒多相流動規(guī)律的影響。探究了不同鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下井筒溫度、壓力、水合物分解速率和各相體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。同時，優(yōu)選出了鉆井過程中最合適的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍。模擬計算中使用的參數(shù)如表1、表2所示。

4.1" 結(jié)果分析

4.1.1" 井筒溫度

鉆井過程中井筒溫度分布特征與傳熱速率和水合物分解速率直接相關(guān)。圖5描述了不同循環(huán)時刻下的井筒溫度剖面。從圖5可以看出，隨著循環(huán)鉆進(jìn)時間延長，地層熱量不斷被流體帶出，導(dǎo)致下部井筒溫度升高。然而，由于水合物分解吸熱和海水的冷卻作用，造成上部井筒溫度逐漸降低。

水合物在井筒中發(fā)生分解的臨界井深可以通過井筒溫度分布剖面和水合物相平衡溫度曲線確定。隨著海水鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，水合物相平衡邊界移至低溫，導(dǎo)致水合物分解臨界井深逐漸增大，如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在模擬井條件下，海水鹽度0、0.5%、1.5%和2.0%對應(yīng)的臨界井深分別為390、430、460和540 m。

4.1.2" 井筒壓力

圖7描述了不同海水鹽度條件下水合物地層鉆井過程中井筒壓力剖面。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著海水鹽度增加，井筒壓力逐漸降低。這是由于水合物分解產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致混合流體密度減小，進(jìn)而造成混合流體的重力壓降降低。海水鹽度增加一方面擴大了水合物在井筒中的分解區(qū)域，另一方面提高了水合物分解速率。

同時，在循環(huán)鉆進(jìn)的前1 h內(nèi)井底壓力迅速降低，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，如圖8所示。海水鹽度越高，井底壓力降低的幅度越大。因此，在鉆進(jìn)過程中應(yīng)該合理控制海水鹽度，避免因井底壓力降低過大引發(fā)井下復(fù)雜事故。

4.1.3" 水合物分解速率

水合物分解速率直接受井筒溫度和壓力的影響。在鉆進(jìn)過程中，含水合物巖屑沿環(huán)空向上運移到達(dá)臨界井深后，巖屑中的水合物開始發(fā)生分解。同時，隨著巖屑逐漸向上運移，水合物分解速率也逐漸增大，如圖9所示。此外，海水鹽度增加，降低了水活度，造成水合物相平衡溫度降低，進(jìn)而促進(jìn)了水合物分解。

然而，在井口處的水合物分解速率隨著時間延長呈現(xiàn)先迅速降低后緩慢趨于穩(wěn)定的趨勢。這是由于水合物分解吸熱導(dǎo)致井口溫度降低，抑制了水合物分解，進(jìn)而降低了水合物分解速率。因此，井口處水合物分解速率隨時間的變化趨勢與井口溫度一致，如圖10所示。

4.1.4" 氣相體積分?jǐn)?shù)

井筒內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)的變化與水合物分解速率直接相關(guān)。隨著海水鹽度增加，水合物分解量和分解區(qū)域逐漸增加，導(dǎo)致井筒中氣相體積分?jǐn)?shù)增大，如圖11所示。同時，越靠近井口，井筒壓力越低，水合物分解速率越大，并且氣體不斷膨脹。因此，隨著井深增加，井筒內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)不斷減小。

隨著循環(huán)時間延長，井口氣相體積分?jǐn)?shù)先急劇增大后緩慢趨于穩(wěn)定，如圖12所示。這主要是由于隨著時間延長，井筒內(nèi)水合物分解速率逐漸增大，導(dǎo)致水合物分解產(chǎn)生的氣體量也相應(yīng)增加，進(jìn)而造成井口氣體體積分?jǐn)?shù)增大。同時，井口附近壓力降低將導(dǎo)致氣體體積膨脹。這也是造成井口體積分?jǐn)?shù)增加的原因之一。在循環(huán)2 h后，井筒內(nèi)氣-液-固多相流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時井口氣相體積分?jǐn)?shù)到達(dá)最大值。此外，海水鹽度越高，井口氣相體積分?jǐn)?shù)增加幅度越大。相比于純水條件，鹽度為2.0%條件下的井口氣相體積分?jǐn)?shù)增加了3%左右。

4.2" 討論

綜合上述分析結(jié)果，海水鹽度對水合物地層鉆進(jìn)過程中井筒壓力、溫度、氣相體積分?jǐn)?shù)以及水合物分解速率都有很大的影響。如果海水鹽度過高，將會造成水合物分解速率增大，導(dǎo)致井口氣相體積分?jǐn)?shù)增加和井底壓力降低幅度過大，進(jìn)而影響鉆井安全。因此，在鉆井過程中應(yīng)該合理控制循環(huán)流體鹽度變化。

循環(huán)流體入口溫度和井口回壓是控制井筒內(nèi)水合物分解速率和分解區(qū)域的直接有效參數(shù)。圖13和圖14分別描述了不同流體入口溫度和井口回壓條件下，鹽度與井口最大氣相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。若將井口最大氣相體積分?jǐn)?shù)不超過10%視為井口安全的上限，流體入口溫度在15～30 ℃范圍內(nèi)時，循環(huán)流體鹽度應(yīng)該控制在0.8%～1.9%之間；井口回壓在3.5～4.0 MPa范圍內(nèi)時，循環(huán)流體鹽度應(yīng)該控制在1.5%～2.6%之間。從圖14可以看出，當(dāng)井口回壓大于4.5 MPa時，鹽度在0～3.0%范圍內(nèi)的井口最大氣相體積分?jǐn)?shù)都小于10%，循環(huán)流體鹽度的影響將可以忽略。

5" 結(jié)" 論

針對水合物地層鉆進(jìn)過程，考慮氣-液-固多相流動、傳熱和水合物分解之間的耦合關(guān)系，建立了含水合物相變?nèi)矐B(tài)非等溫氣-液-固多相流動模型。利用模型研究了鉆井過程中不同海水鹽度條件下井筒內(nèi)的熱力學(xué)行為、水合物分解規(guī)律和多相流動規(guī)律。主要研究結(jié)論如下：

（1）隨著循環(huán)時間延長，下部井筒溫度逐漸增加，上部井筒溫度逐漸降低。隨著海水鹽度增加，水合物分解臨界井深增加，井筒壓力降低幅度增大。

（2）在鉆井過程中，隨著井深增加，井筒內(nèi)水合物分解速率不斷減小，井筒內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)不斷減小。海水鹽度越高，井筒內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越大。

（3）為了保證鉆井安全，減少水合物分解，井口回壓應(yīng)該大于4.5 MPa。當(dāng)入口溫度在15～30 ℃范圍內(nèi)時，循環(huán)流體鹽度在0.8%～1.9%之間可以保證井口最大氣相體積分?jǐn)?shù)小于10%。

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第一郭慶豐，高級工程師，生于1980年，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事井筒壓力控制技術(shù)與裝備、鉆井新工藝新裝備的研發(fā)和管理工作。地址：（102206）北京市昌平區(qū)。電話：（010）80162216。email：guoqingfengdri@cnpc.com.cn。2024-01-13劉鋒