鮑洪志， 孫元偉， 鄒德一， 牛成成

（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 102206；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

北極凍土層油氣開發(fā)已經(jīng)成為相關國家和國際各大油氣公司關注的焦點[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，如果鉆井液通過井筒傳至凍土層的熱量過多，會使冰顆粒融化，影響凍土層的力學性能，甚至會導致井眼失穩(wěn)、凍土融沉和井口沉降等問題。如在俄羅斯西西伯利亞的Zapolyrnoye氣田，曾在鉆井過程中因隔熱處理不當引發(fā)了凍土層融化，導致井口下沉達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，國內外對凍土層鉆井的研究不斷加強，并取得了一系列技術成果，但截至目前，在凍土層鉆井隔熱保護方面可供采用的技術不多。我國近些年在極地凍土層鉆井技術上的突破主要體現(xiàn)在鉆井裝備及工具方面，關于隔熱的研究不夠：在管道隔熱方面，主要分析了隔熱材料和管材的力學性能[4–8]，尚未形成技術；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），只進行了初步研究，尚處于技術儲備階段[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，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進行隔熱以防止凍土層融化的工程方法[12–14]。為了驗證該工程方法的有效性，中國石油大學（華東）按照其工作原理設計了一套含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗系統(tǒng)，來分析套管外環(huán)境溫度、中心管內熱流體溫度以及寄生管內所注入冷流體溫度、排量對套管外壁溫度的影響；之后利用試驗數(shù)據(jù)建立了套管外壁溫度與各影響因素之間的擬合關系，分析了各因素對套管外壁溫度的影響程度；在此基礎上，提出了提升該套管保護凍土層性能的改進措施和工程方案，以期為北極凍土層鉆井設計提供技術支撐。

1 隔熱效果試驗系統(tǒng)及試驗方法

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程中，鉆井液在環(huán)空返排時會先被深部地層加熱，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：鉆井過程中，中心管是鉆頭和鉆柱的下入通道，同時也是上返高溫鉆井液的環(huán)空通道；中心管和真空套管內管之間有一環(huán)形空間，通過寄生注入管向該環(huán)形空間注入溫度低于鉆井液的冷流體，與中心管內的熱流體進行強制對流換熱，冷流體會攜帶一部分熱量從寄生返回管上返離開井筒，所以整個系統(tǒng)內的溫度會顯著下降，達到較好的隔熱效果。

圖1 含寄生管和中心管的套管保護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 隔熱效果試驗系統(tǒng)的設計

為了模擬含寄生管和中心管的套管的工作方式并驗證其可行性，按照其工作原理設計了含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗系統(tǒng)，如圖2所示。含寄生管和中心管的套管其外徑為177.8 mm、長度為 2 100 mm，中心管內徑為 76.0 mm，寄生管內徑為127.0 mm，真空度為50 Pa。因為鉆柱和寄生返回管相對于套管真空結構熱阻小，其中的流體流速快，對于單根套管內的溫度分布影響不明顯，因此設計隔熱效果試驗系統(tǒng)時省去了鉆柱和寄生返回管。該試驗系統(tǒng)將循環(huán)流體控溫裝置和套管連接起來，放置在由微電腦控制的模擬恒溫環(huán)境系統(tǒng)中。其中，冷流體流動方向為順時針并流經(jīng)寄生管（圖2中標為綠色），模擬鉆井液的熱流體流動方向為逆時針并流經(jīng)中心管（圖2中標為藍色）。

圖2 含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗系統(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 試驗條件和試驗方法

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價指標，需利用含寄生管和中心管的套管的隔熱效果試驗系統(tǒng)進行試驗。

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，預設環(huán)境溫度在–20.0～20.0 ℃變化，預設熱流體溫度在40.0～70.0 ℃ 變化，預設冷流體溫度在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)性氣溫變化對凍土層溫度影響小；同時，由于鉆井液循環(huán)時間較短，井周凍土層溫度升高幅度不大?；谝陨险J識，試驗過程中將環(huán)境溫度設置為恒溫。

應在試驗前向真空隔熱套管內注入恒溫熱流體并循環(huán)一定時間，測量管體外壁的溫度，待管體外壁溫度穩(wěn)定之后開始試驗。為滿足傳熱的相似原理，試驗所用大部分管道的尺寸參考現(xiàn)場工況。不過，中心管中模擬鉆井液的熱流體為熱水，流速較慢，會導致中心管中流體出入口過渡區(qū)長度、特征數(shù)以及對流換熱系數(shù)與現(xiàn)場工況有所不同；同時，試驗中的環(huán)境介質為空氣，會產(chǎn)生額外的自然對流換熱系數(shù)。但由傳熱學知識可知[15]，在較短的鉆井液循環(huán)時間內，上述情況引起的熱阻差異相對于套管真空結構的高熱阻來說很小，因此它們對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 不同排量下的試驗結果分析

當預設環(huán)境溫度為20.0 ℃、預設熱流體溫度為40 ℃、預設冷流體溫度為25 ℃時，試驗得出了冷流體排量分別為2.42、4.86和5.38 L/min時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，套管中間段外壁的溫度分別為24.7，22.6 和22.4 ℃，說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）兩側接箍位置處的溫度升高段，段內缺少套管真空結構的阻隔，同時套管接箍內的焊接結構會繞過冷流體在熱流體和外壁之間形成固體傳熱通道；2）中間段，由于套管真空結構和冷流體阻止徑向傳熱，段內溫度較低，與環(huán)境溫度十分接近。中間段的溫度非常平穩(wěn)，沒有明顯的梯度，說明中間段內外壁軸向傳熱不明顯，溫度受兩側的影響小。因此，現(xiàn)場使用結構相同但長度更長的含寄生管和中心管的套管；或對含寄生管和中心管的套管進行改進，使真空結構深入到接箍部分，可以更好地保護凍土層。

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。這是因為，高排量下冷流體在管內的循環(huán)時間更短，收到來自高溫鉆井液的熱量更少。但是，對于長達幾百米的井身結構，高排量會使寄生管的對流換熱系數(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 不同預設熱流體溫度下的試驗結果分析

當預設環(huán)境溫度為–20 ℃、預設冷流體溫度為35 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時，試驗得出了預設熱流體溫度分別為40，50，60和70 ℃時套管外壁溫度的軸向分布，如圖4所示。

圖4 不同預設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

對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，在不同的預設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設環(huán)境溫度而較低，接箍位置處容易受熱流體影響溫度升高。對比圖4中各條曲線可知，預設熱流體溫度升高會引起外壁溫度升高，但升高幅度不大。同時，由圖4可知，熱流體溫度的變化僅僅改變了套管兩側接箍處的溫度，中間位置的溫度沒有明顯改變，這說明高溫鉆井液在端部的傳熱效應會被限制在接箍內。

2.3 不同預設冷流體溫度下的試驗結果分析

當預設環(huán)境溫度為–5 ℃、預設熱流體溫度為40 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時，試驗得出了預設冷流體溫度分別為5，15，25和35 ℃時套管外壁溫度的軸向分布，如圖5所示。

圖5 不同預設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，冷流體溫度降低會引起外壁溫度整體降低，且降低幅度較大。分析認為，冷流體顯著影響套管的整體溫度，是通過影響徑向傳熱實現(xiàn)的。應用含寄生管和中心管套管保護凍土層時，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個影響含寄生管和中心管的套管隔熱效果的因素進行試驗（套管的隔熱效果通過中間端外壁溫度反映），基于試驗結果建立了套管外壁溫度與影響因素的擬合關系。為了精準評價各施工參數(shù)的影響，先分析單一變量對套管外壁溫度的影響程度，再分析多因素對其的影響程度。

3.1 套管外壁溫度與環(huán)境溫度的擬合分析

當預設熱流體溫度為40 ℃、預設冷流體溫度為20 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時，試驗得出實際環(huán)境溫度分別為–18.3，–8.0，0.8 和 8.0 ℃ 時套管中間段外壁溫度隨實際環(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際環(huán)境溫度近似呈線性關系。經(jīng)過擬合，可得該條件下套管中間段外壁溫度與實際環(huán)境溫度的定量關系式：

圖6 環(huán)境溫度對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

當預設環(huán)境溫度為–20 ℃、預設冷流體溫度為35 ℃、冷流體排量為2.42 L/min時，試驗得出實際熱流體溫度分別為31.4，36.6，44.9和50.1 ℃時套管中間段外壁溫度隨實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際熱流體溫度呈線性相關。經(jīng)過擬合，可得該條件下套管中間段外壁溫度與實際熱流體溫度的定量關系式：

式中：thf為實際熱流體溫度，℃。

3.3 套管外壁溫度與冷流體溫度的擬合分析

當預設環(huán)境溫度為–5.0 ℃、預設熱流體溫度為40.0 ℃、冷流體排量為 2.42 L/min 時，試驗得出實際冷流體溫度分別為 7.4，15.8，25.0 和 30.3 ℃ 時套管中間段外壁溫度隨實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際冷流體溫度呈線性相關。經(jīng)過擬合，可得該條件下中間段外壁溫度與實際冷流體溫度的定量關系式：

式中：tlf為實際冷流體溫度，℃。

式（3）的擬合關系表明，降低冷流體溫度可以顯著降低套管中間段外壁溫度。結合章節(jié)2.3中的結論，建議工程實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

當預設環(huán)境溫度為20.0 ℃、預設冷流體溫度為25.0 ℃，而預設熱流體溫度分別為40.0和60.0 ℃時，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單的線性關系。經(jīng)過擬合，可得預設熱流體溫度40.0 ℃時中間段外壁溫度與冷流體排量的定量關系式：

式中：Q為冷流體排量，L/min。

同樣地，可得預設熱流體溫度為60.0 ℃時中間段外壁溫度與冷流體排量的定量關系式：

通過式（4）和式（5）的擬合關系發(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，但這一效應會隨著排量增大而逐漸減弱。因此，在現(xiàn)場應綜合考慮地面機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擬合模型

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系都可以近似用線性關系或對數(shù)關系表示。在此基礎上，利用1stOpt數(shù)學優(yōu)化分析軟件中的通用全局優(yōu)化算法對試驗數(shù)據(jù)進行多元非線性擬合，將上述4因素結合起來，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系式：

式（6）的決定系數(shù)R2超過0.99，說明擬合得到的關系式具有較高的精度。由式（6）的系數(shù)可知，對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，自然對流的熱阻相對于真空套管外管的熱阻很小，說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，熱流體的傳熱過程同時受到冷流體對流換熱和真空套管外管的阻隔，這驗證了含寄生管和中心管的套管保護凍土層的工作原理。

4 結論與建議

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。真空結構和冷流體循環(huán)可以有效抑制徑向傳熱和軸向傳熱，降低中間段溫度。該套管兩側接箍部分缺乏真空結構阻隔，外壁溫度較高?，F(xiàn)場使用該類套管時可以對其進行改進，使用較長的含寄生管和中心管的套管或在接箍部分使用真空結構，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對數(shù)關系。通過多因素擬合模型，發(fā)現(xiàn)對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措施。

3）室內試驗和數(shù)據(jù)擬合提供了含寄生管和中心管的套管保護凍土層的理論依據(jù)和工程建議。為了更好地將含寄生管和中心管的套管應用于極地凍土層鉆井中，建議進一步開展現(xiàn)場試驗。