Question

地层温度对钻井液密度的影响

Answer 1

6.1.1 钻井液循环温度

当钻井液从井口进入钻杆后，其温度低于钻杆温度，钻井液吸收钻杆的热量而温度升高；钻井液从钻头处进入环空，其温度低于地温，钻井液会不断地从井壁地层吸收热量，温度升高，而井壁地温降低；当钻井液上返至某一井深，其温度与井壁地温基本一致，钻井液温度不再上升，该井深称为等温深度；当钻井液上返至等温深度以上，钻井液的温度高于地温，井壁地层又会从钻井液中吸收热量，钻井液的温度降低，而井壁地层的温度升高（图6.1）。钻井液与井壁地层的温度分布受井深、钻井液及围岩的热导率、钻井液流量、入口温度以及围岩温度梯度等多种因素的影响。

图6.1 钻井液循环过程井内温度变化

科学超深井钻探的风险大多与地层压力过高有关，原则上要求采用的钻井液应维持在地层不坍塌（最低密度）、不压裂（最高密度）的密度范围，建立钻井安全的钻井液当量密度窗口。由于钻井液随温度的升迹孙高而膨胀，随压力的升高而收缩，从井底到井口，钻井液的温度和压力处于不断的变化之中，且往往地层坍塌压力当量密度和地层破裂压力当量密度之间的范围很小，有时小于循环压耗，使钻井过程中井漏与井涌经常同时发生；另外，科学钻探起下钻作业频繁，钻井液密度变化所导致井底压力的降低往往与起钻时所引发的抽吸压力共同作用，使井底压力在起钻过程中进一步降低，易于诱发井涌、井喷等事故的发生。

Kutasov（2002）对处于环空任一点稳定后的循环钻井液温度（T_m）进行了研究，并采集了美国密西西比地区大量的随钻循环温度资料后，得出该地区钻井液循环温度的计算式：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）

式中：T_m为任一点稳定后的循环钻井液温度，℃；h为计算点井深，m；H为井的总垂直深度，m。碧凯

德国KTB主孔的钻井液循环温度7000m为168℃、8000m为197℃，略低于式（6.1）的计算结果，这是由于KTB主孔地温梯度小于0.03℃/m。假如我国实施13000m科学超深井，设地温梯度为0.03℃/m，地面温度以25℃计，井底地层温度为415℃，以式（6.1）计算井底循环钻井液温度为318.56℃，出口钻井液温度为99.77℃。超深井取心钻进的起下钻（钻井液静止）时间远大于取心钻进（钻井液循环）时间，井底静止钻井液温度大于井底循环钻井液温度，该钻井液从井底循环到井口时，其出口温度应大于100℃，所以，井口必须加装密封式钻井液冷却装置，以防止钻井液汽化引起井喷事故。

6.1.2 当量静态钻井液密度

汪海阁等（2000）研究了地温梯度、地表温度、入口钻井液温度、循环钻井液温度梯度和钻井液类型等因素对当量静态钻井液密度的影响，建立了高温高压井中预测当量静态钻井液密度的积分模型［式（6.2）］。结果表明：温度梯度对当量静态钻井液密度影响很大。随温度梯度增加，当量静态钻井液密度减小，且井口与井底当量静态钻井液密度差值增大。随地表温度或钻井液入口温度增加，当量静态钻井液密度减小，但不同初始温度条件下井口与井底当量静态钻井液密度差值基本相同。静止时，随井深增加，当量静态钻井液密度减小；钻井液充分循环后，随井深增加，当量静态钻井液密度增加。

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）

式中：E_m为计算点当量静态钻井液密度，kg/m³；F（h）为与入口钻井液温度、地温梯度、环空几何形状、泥浆泵排量、循环时间等因素有关的井深函数；a、K为计算系数；h为计算点深度，m。

还有一个不可忽视的问题，超深井钻探到高温地层时钻井液的气侵。德国KTB（Faber，1995）、日本WD-1井、我国CCSD-1井（詹秀春等，2005）、羊八井ZK4002等均出现钻井液气侵问题，气体以氢气或硫化氢气体为主。Jin Qiang等模拟了橄榄石的生氢实验（张培丰，2008），结果表明橄榄石在有机质成烃演化过程产生蚀变放出氢，且温度在350～400℃时氢气产率最高。而12000m科学超深井的井底温度处于最高氢气产出率的温度范围，深部地层中大量的氢气进入钻井姿慧链液，进一步降低了当量静态钻井液密度。

6.1.3 环空压力当量密度

根据式（6.2）和钻井过程环空压力状态（张培丰，2008），综合钻井液的结构波压力当量密度、黏滞波压力当量密度和惯性波压力当量密度，环空压力最小值E_wmin发生在提钻加速期，环空压力最大值E_wmax发生在开泵循环或下钻加速期状态，其环空压力当量密度分别为（张培丰，2011）：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）

式（6.3）至式（6.5）中：E_wmax1、E_wmax2、E_m分别为开泵循环或下钻加速期环空压力当量密度、井底当量静态钻井液密度，kg/m³；f为范宁摩擦因数，其大小取决于钻井液流变模式和流动状态；v_m为提钻或下钻时钻井液流动速度，m/s；v_a为环空循环钻井液流动速度，m/s；a_p为提钻加速度，m/s²；D_h、D_p、D₀分别为井径、钻杆外径、钻杆内径，m。

以我国已施工的CCSD-1井取心钻具（王达等，2007）为例，利用式（6.3）计算提钻时环空压力当量密度，其结果仅为常温状态下钻井液密度的81%，加之钻井液气侵的作用，环空压力当量密度更低，提钻时必然会造成井涌或者井壁坍塌。