鮑洪志， 孫元偉， 鄒德一， 牛成成

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

北極凍土層油氣開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為相關(guān)國(guó)家和國(guó)際各大油氣公司關(guān)注的焦點(diǎn)[1–3]。但是，在凍土層鉆井存在一大難題——凍土孔隙中存在冰顆粒，如果鉆井液通過(guò)井筒傳至凍土層的熱量過(guò)多，會(huì)使冰顆粒融化，影響凍土層的力學(xué)性能，甚至?xí)?dǎo)致井眼失穩(wěn)、凍土融沉和井口沉降等問(wèn)題。如在俄羅斯西西伯利亞的Zapolyrnoye氣田，曾在鉆井過(guò)程中因隔熱處理不當(dāng)引發(fā)了凍土層融化，導(dǎo)致井口下沉達(dá)3 m之多。因此，在北極凍土層鉆井需要采取有效的隔熱措施。

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)凍土層鉆井的研究不斷加強(qiáng)，并取得了一系列技術(shù)成果，但截至目前，在凍土層鉆井隔熱保護(hù)方面可供采用的技術(shù)不多。我國(guó)近些年在極地凍土層鉆井技術(shù)上的突破主要體現(xiàn)在鉆井裝備及工具方面，關(guān)于隔熱的研究不夠：在管道隔熱方面，主要分析了隔熱材料和管材的力學(xué)性能[4–8]，尚未形成技術(shù)；在井筒控溫方面（如防凍型鉆井液、低溫及溫變條件下的井眼穩(wěn)定等），只進(jìn)行了初步研究，尚處于技術(shù)儲(chǔ)備階段[9–11]。

基于上述現(xiàn)狀，借鑒注蒸汽井和熱采井中已經(jīng)使用的隔熱套管技術(shù)，提出使用一種含寄生管和中心管的套管并在其中使用冷流體換熱來(lái)進(jìn)行隔熱以防止凍土層融化的工程方法[12–14]。為了驗(yàn)證該工程方法的有效性，中國(guó)石油大學(xué)（華東）按照其工作原理設(shè)計(jì)了一套含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)，來(lái)分析套管外環(huán)境溫度、中心管內(nèi)熱流體溫度以及寄生管內(nèi)所注入冷流體溫度、排量對(duì)套管外壁溫度的影響；之后利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了套管外壁溫度與各影響因素之間的擬合關(guān)系，分析了各因素對(duì)套管外壁溫度的影響程度；在此基礎(chǔ)上，提出了提升該套管保護(hù)凍土層性能的改進(jìn)措施和工程方案，以期為北極凍土層鉆井設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1 含寄生管和中心管的套管的工作原理

在極地凍土層鉆井過(guò)程中，鉆井液在環(huán)空返排時(shí)會(huì)先被深部地層加熱，后向凍土層傳熱，引發(fā)凍土層分解。含寄生管和中心管的套管在凍土層的工作原理如圖1所示：鉆井過(guò)程中，中心管是鉆頭和鉆柱的下入通道，同時(shí)也是上返高溫鉆井液的環(huán)空通道；中心管和真空套管內(nèi)管之間有一環(huán)形空間，通過(guò)寄生注入管向該環(huán)形空間注入溫度低于鉆井液的冷流體，與中心管內(nèi)的熱流體進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，冷流體會(huì)攜帶一部分熱量從寄生返回管上返離開(kāi)井筒，所以整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的溫度會(huì)顯著下降，達(dá)到較好的隔熱效果。

圖1 含寄生管和中心管的套管保護(hù)凍土層的工作原理示意Fig.1 The principle of casing with parasitic pipes and central tubing to protect permafrost

1.2 隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了模擬含寄生管和中心管的套管的工作方式并驗(yàn)證其可行性，按照其工作原理設(shè)計(jì)了含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。含寄生管和中心管的套管其外徑為177.8 mm、長(zhǎng)度為 2 100 mm，中心管內(nèi)徑為 76.0 mm，寄生管內(nèi)徑為127.0 mm，真空度為50 Pa。因?yàn)殂@柱和寄生返回管相對(duì)于套管真空結(jié)構(gòu)熱阻小，其中的流體流速快，對(duì)于單根套管內(nèi)的溫度分布影響不明顯，因此設(shè)計(jì)隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)省去了鉆柱和寄生返回管。該試驗(yàn)系統(tǒng)將循環(huán)流體控溫裝置和套管連接起來(lái)，放置在由微電腦控制的模擬恒溫環(huán)境系統(tǒng)中。其中，冷流體流動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針并流經(jīng)寄生管（圖2中標(biāo)為綠色），模擬鉆井液的熱流體流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針并流經(jīng)中心管（圖2中標(biāo)為藍(lán)色）。

圖2 含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理示意Fig.2 Working principle of the test system for the thermal insulation effect of casing with parasitic pipes and central tubing

1.3 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

為了獲取不同環(huán)境溫度、不同熱流體溫度、不同冷流體溫度、不同冷流體排量下的套管外壁溫度，將其作為隔熱效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，需利用含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

考慮模擬恒溫環(huán)境系統(tǒng)、恒溫水箱和低溫水箱性能許可的范圍以及隔膜泵的固定排量限制，預(yù)設(shè)環(huán)境溫度在–20.0～20.0 ℃變化，預(yù)設(shè)熱流體溫度在40.0～70.0 ℃ 變化，預(yù)設(shè)冷流體溫度在5.0～35.0 ℃變化，冷流體排量在2.42～5.38 L/min變化，熱流體的排量為2.42 L/min。真空隔熱套管熱阻大，季節(jié)性氣溫變化對(duì)凍土層溫度影響?。煌瑫r(shí)，由于鉆井液循環(huán)時(shí)間較短，井周凍土層溫度升高幅度不大?；谝陨险J(rèn)識(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中將環(huán)境溫度設(shè)置為恒溫。

應(yīng)在試驗(yàn)前向真空隔熱套管內(nèi)注入恒溫?zé)崃黧w并循環(huán)一定時(shí)間，測(cè)量管體外壁的溫度，待管體外壁溫度穩(wěn)定之后開(kāi)始試驗(yàn)。為滿足傳熱的相似原理，試驗(yàn)所用大部分管道的尺寸參考現(xiàn)場(chǎng)工況。不過(guò)，中心管中模擬鉆井液的熱流體為熱水，流速較慢，會(huì)導(dǎo)致中心管中流體出入口過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度、特征數(shù)以及對(duì)流換熱系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)工況有所不同；同時(shí)，試驗(yàn)中的環(huán)境介質(zhì)為空氣，會(huì)產(chǎn)生額外的自然對(duì)流換熱系數(shù)。但由傳熱學(xué)知識(shí)可知[15]，在較短的鉆井液循環(huán)時(shí)間內(nèi)，上述情況引起的熱阻差異相對(duì)于套管真空結(jié)構(gòu)的高熱阻來(lái)說(shuō)很小，因此它們對(duì)徑向傳熱的影響可忽略。

Autumn is as hot as midsummer, earth is frozen to splits in November,and rocks frozen into pieces in December.

2 外壁溫度的分布特征和影響因素

2.1 不同排量下的試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)預(yù)設(shè)環(huán)境溫度為20.0 ℃、預(yù)設(shè)熱流體溫度為40 ℃、預(yù)設(shè)冷流體溫度為25 ℃時(shí)，試驗(yàn)得出了冷流體排量分別為2.42、4.86和5.38 L/min時(shí)套管外壁溫度的軸向分布，如圖3所示。

圖3 不同冷流體排量下套管外壁溫度的軸向分布Fig.3 Axial distribution of outer casing wall temperatures under different cold fluid displacements

由圖3可知，冷流體排量分別為2.42，4.86和5.38 L/min時(shí)，套管中間段外壁的溫度分別為24.7，22.6 和22.4 ℃，說(shuō)明在其他條件一致的情況下，冷流體排量越大，套管中間段外壁的溫度越低。

從圖3也可以看出，套管外壁溫度軸向整體呈U形分布，套管外壁溫度沿軸向可被分為2段：1）兩側(cè)接箍位置處的溫度升高段，段內(nèi)缺少套管真空結(jié)構(gòu)的阻隔，同時(shí)套管接箍?jī)?nèi)的焊接結(jié)構(gòu)會(huì)繞過(guò)冷流體在熱流體和外壁之間形成固體傳熱通道；2）中間段，由于套管真空結(jié)構(gòu)和冷流體阻止徑向傳熱，段內(nèi)溫度較低，與環(huán)境溫度十分接近。中間段的溫度非常平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的梯度，說(shuō)明中間段內(nèi)外壁軸向傳熱不明顯，溫度受兩側(cè)的影響小。因此，現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)構(gòu)相同但長(zhǎng)度更長(zhǎng)的含寄生管和中心管的套管；或?qū)纳芎椭行墓艿奶坠苓M(jìn)行改進(jìn)，使真空結(jié)構(gòu)深入到接箍部分，可以更好地保護(hù)凍土層。

從圖3還可以看出，冷流體排量越大，套管中間段外壁的溫度越低。這是因?yàn)?，高排量下冷流體在管內(nèi)的循環(huán)時(shí)間更短，收到來(lái)自高溫鉆井液的熱量更少。但是，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)幾百米的井身結(jié)構(gòu)，高排量會(huì)使寄生管的對(duì)流換熱系數(shù)增大，使冷流體更快地吸收熱量而升溫，反而不利于凍土層控溫。

2.2 不同預(yù)設(shè)熱流體溫度下的試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)預(yù)設(shè)環(huán)境溫度為–20 ℃、預(yù)設(shè)冷流體溫度為35 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時(shí)，試驗(yàn)得出了預(yù)設(shè)熱流體溫度分別為40，50，60和70 ℃時(shí)套管外壁溫度的軸向分布，如圖4所示。

圖4 不同預(yù)設(shè)熱流體溫度下套管外壁溫度的軸向分布Fig.4 Axial distribution of outer casing wall temperatures at different preset hot fluid temperatures

對(duì)比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，在不同的預(yù)設(shè)條件下套管外壁溫度的軸向分布形態(tài)相似，中間段外壁的溫度始終更接近于預(yù)設(shè)環(huán)境溫度而較低，接箍位置處容易受熱流體影響溫度升高。對(duì)比圖4中各條曲線可知，預(yù)設(shè)熱流體溫度升高會(huì)引起外壁溫度升高，但升高幅度不大。同時(shí)，由圖4可知，熱流體溫度的變化僅僅改變了套管兩側(cè)接箍處的溫度，中間位置的溫度沒(méi)有明顯改變，這說(shuō)明高溫鉆井液在端部的傳熱效應(yīng)會(huì)被限制在接箍?jī)?nèi)。

2.3 不同預(yù)設(shè)冷流體溫度下的試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)預(yù)設(shè)環(huán)境溫度為–5 ℃、預(yù)設(shè)熱流體溫度為40 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時(shí)，試驗(yàn)得出了預(yù)設(shè)冷流體溫度分別為5，15，25和35 ℃時(shí)套管外壁溫度的軸向分布，如圖5所示。

圖5 不同預(yù)設(shè)冷流體溫度下套管外壁溫度的軸向分布Fig.5 Axial distribution of outer casing wall temperatures at different preset cold fluid temperatures

從圖5可以看出，冷流體溫度降低會(huì)引起外壁溫度整體降低，且降低幅度較大。分析認(rèn)為，冷流體顯著影響套管的整體溫度，是通過(guò)影響徑向傳熱實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用含寄生管和中心管套管保護(hù)凍土層時(shí)，降低冷流體溫度是一種有效的辦法。

3 套管外壁溫度與影響因素的擬合分析

選取環(huán)境溫度、熱流體溫度、冷流體溫度、冷流體排量等4個(gè)影響含寄生管和中心管的套管隔熱效果的因素進(jìn)行試驗(yàn)（套管的隔熱效果通過(guò)中間端外壁溫度反映），基于試驗(yàn)結(jié)果建立了套管外壁溫度與影響因素的擬合關(guān)系。為了精準(zhǔn)評(píng)價(jià)各施工參數(shù)的影響，先分析單一變量對(duì)套管外壁溫度的影響程度，再分析多因素對(duì)其的影響程度。

3.1 套管外壁溫度與環(huán)境溫度的擬合分析

當(dāng)預(yù)設(shè)熱流體溫度為40 ℃、預(yù)設(shè)冷流體溫度為20 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時(shí)，試驗(yàn)得出實(shí)際環(huán)境溫度分別為–18.3，–8.0，0.8 和 8.0 ℃ 時(shí)套管中間段外壁溫度隨實(shí)際環(huán)境溫度的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，套管中間段外壁溫度與實(shí)際環(huán)境溫度近似呈線性關(guān)系。經(jīng)過(guò)擬合，可得該條件下套管中間段外壁溫度與實(shí)際環(huán)境溫度的定量關(guān)系式：

圖6 環(huán)境溫度對(duì)套管中間段外壁溫度的影響Fig.6 Effect of environmental temperature on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

式中：tow為套管中間段外壁溫度，℃；ta為實(shí)際環(huán)境溫度，℃。

3.2 套管外壁溫度與熱流體溫度的擬合分析

當(dāng)預(yù)設(shè)環(huán)境溫度為–20 ℃、預(yù)設(shè)冷流體溫度為35 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時(shí)，試驗(yàn)得出實(shí)際熱流體溫度分別為31.4，36.6，44.9和50.1 ℃時(shí)套管中間段外壁溫度隨實(shí)際熱流體溫度的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 熱流體溫度對(duì)套管中間段外壁溫度的影響Fig.7 Effect of hot fluid temperature on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

由圖7可知，套管中間段外壁溫度與實(shí)際熱流體溫度呈線性相關(guān)。經(jīng)過(guò)擬合，可得該條件下套管中間段外壁溫度與實(shí)際熱流體溫度的定量關(guān)系式：

式中：thf為實(shí)際熱流體溫度，℃。

3.3 套管外壁溫度與冷流體溫度的擬合分析

當(dāng)預(yù)設(shè)環(huán)境溫度為–5.0 ℃、預(yù)設(shè)熱流體溫度為40.0 ℃、冷流體排量為 2.42 L/min 時(shí)，試驗(yàn)得出實(shí)際冷流體溫度分別為 7.4，15.8，25.0 和 30.3 ℃ 時(shí)套管中間段外壁溫度隨實(shí)際冷流體溫度的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 冷流體溫度對(duì)套管中間段外壁溫度的影響Fig.8 Effect of cold fluid temperature on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

由圖8可知，套管中間段外壁溫度與實(shí)際冷流體溫度呈線性相關(guān)。經(jīng)過(guò)擬合，可得該條件下中間段外壁溫度與實(shí)際冷流體溫度的定量關(guān)系式：

式中：tlf為實(shí)際冷流體溫度，℃。

式（3）的擬合關(guān)系表明，降低冷流體溫度可以顯著降低套管中間段外壁溫度。結(jié)合章節(jié)2.3中的結(jié)論，建議工程實(shí)踐中盡可能降低冷流體溫度。

3.4 套管外壁溫度與冷流體排量的擬合分析

當(dāng)預(yù)設(shè)環(huán)境溫度為20.0 ℃、預(yù)設(shè)冷流體溫度為25.0 ℃，而預(yù)設(shè)熱流體溫度分別為40.0和60.0 ℃時(shí)，套管中間段外壁溫度隨冷流體排量的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 冷流體排量對(duì)套管中間段外壁溫度的影響Fig.9 Effect of cold fluid displacement on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

由圖9可知，套管中間段外壁溫度與冷流體排量之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。經(jīng)過(guò)擬合，可得預(yù)設(shè)熱流體溫度40.0 ℃時(shí)中間段外壁溫度與冷流體排量的定量關(guān)系式：

式中：Q為冷流體排量，L/min。

同樣地，可得預(yù)設(shè)熱流體溫度為60.0 ℃時(shí)中間段外壁溫度與冷流體排量的定量關(guān)系式：

通過(guò)式（4）和式（5）的擬合關(guān)系發(fā)現(xiàn)，增大冷流體排量可以更好地抑制中間段外壁溫度升高，但這一效應(yīng)會(huì)隨著排量增大而逐漸減弱。因此，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)綜合考慮地面機(jī)泵的工作特性和循環(huán)壓耗的情況下維持合理的冷流體排量。

3.5 套管外壁溫度多因素?cái)M合模型

環(huán)境溫度、熱流體溫度、冷流體溫度、冷流體排量與套管中間段外壁溫度的關(guān)系都可以近似用線性關(guān)系或?qū)?shù)關(guān)系表示。在此基礎(chǔ)上，利用1stOpt數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件中的通用全局優(yōu)化算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性擬合，將上述4因素結(jié)合起來(lái)，得到了套管中間段外壁溫度與環(huán)境溫度、循環(huán)流體溫度、冷流體溫度和冷流體排量的關(guān)系式：

式（6）的決定系數(shù)R2超過(guò)0.99，說(shuō)明擬合得到的關(guān)系式具有較高的精度。由式（6）的系數(shù)可知，對(duì)套管中間段外壁溫度的影響程度從大至小依次為環(huán)境溫度、冷流體溫度和熱流體溫度。環(huán)境溫度影響程度較大的原因是，自然對(duì)流的熱阻相對(duì)于真空套管外管的熱阻很小，說(shuō)明真空套管外管的確提供了良好的隔熱效果；熱流體溫度影響程度較小的原因是，熱流體的傳熱過(guò)程同時(shí)受到冷流體對(duì)流換熱和真空套管外管的阻隔，這驗(yàn)證了含寄生管和中心管的套管保護(hù)凍土層的工作原理。

4 結(jié)論與建議

1）含寄生管和中心管的套管的外壁溫度沿軸向呈U形分布。真空結(jié)構(gòu)和冷流體循環(huán)可以有效抑制徑向傳熱和軸向傳熱，降低中間段溫度。該套管兩側(cè)接箍部分缺乏真空結(jié)構(gòu)阻隔，外壁溫度較高。現(xiàn)場(chǎng)使用該類(lèi)套管時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使用較長(zhǎng)的含寄生管和中心管的套管或在接箍部分使用真空結(jié)構(gòu)，以有效提升其隔熱性能。

2）環(huán)境溫度、熱流體溫度、冷流體溫度、冷流體排量與含寄生管和中心管的套管中間段外壁溫度滿足線性或?qū)?shù)關(guān)系。通過(guò)多因素?cái)M合模型，發(fā)現(xiàn)對(duì)套管中間段外壁溫度的影響程度從大至小依次為環(huán)境溫度、冷流體溫度和熱流體溫度。根據(jù)擬合結(jié)果，提出了盡可能地降低冷流體溫度并且合理地維持冷流體排量的凍土層保護(hù)措施。

3）室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合提供了含寄生管和中心管的套管保護(hù)凍土層的理論依據(jù)和工程建議。為了更好地將含寄生管和中心管的套管應(yīng)用于極地凍土層鉆井中，建議進(jìn)一步開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。