【摘要】在进行深水钻井时，由于泥线上下井筒的温度差较为明显，在温度和压力的影响下，气体会在钻井液中溶解，也会从钻井液中逸出，在环空中气体所处状态会极大的影响到环空压力。因此，本文通过天然气在水油中溶解度的计算模型基础上，建立了计算气体在水、油基钻井液中溶解度的理论模型，对气体处于深水环境时在水、油基钻井液中溶解度的变化情况进行了详细分析。笔者主要对酸性气体在钻井液两相流动中的溶解度特性进行了论述。
【关键词】酸性气体;钻井液两相流动;溶解度特性
在进行深水钻井的过程中，多数采用的是油基钻井液体系，也有一小部分采用的是水基钻井液体系。不管是油基钻井液还是水基钻井液，在一定温度和压力条件下，气体都会在钻井液中溶解，而且泥线上下的温度差较为明显，这时已经无法再忽略气体溶解于钻井液中对深水钻井环空压力造成的影响。为了准确的分析气侵后环空压力的分布和井底压力实际变化情况，本文将以酸性气体中的二氧化碳为代表，对其在钻井液两相流动中的溶解度特性进行计算和分析。
一、关于钻井液两相流动的涵义
在流动过程中，同时存在着两种属于同一介质的不同物态，或是在流动过程中同时存在两种独立的不同介质，这种流动就可以被称为两相流动，而在钻井液中同时存在气体和液体两种不同介质的流动则是钻井液的两相流动。气体的溶解度会对钻井的环空压力造成一定的影响，进而对钻井施工的安全可靠性造成影响。对二氧化碳在水基钻井液和油基钻井液中的溶解度进行计算，为研究深水井控技术提供了重要的理论基础和实践意义。
二、二氧化碳在水、油中溶解度的计算模型
（一）二氧化碳在水中溶解度的计算模型
二氧化碳溶解于水中的情况可以分为以下几种：第一种是在温度达到一定程度时，溶解度会随着压力的升高而增加，但是溶解度的增加幅度会随着压力的升高而变得越来越小;第二种是当压力达到一定程度时，在某个特定的温度范围内，溶解度会有一个极小值存在;第三种是与纯水相比，二氧化碳在盐溶液中的溶解度较低;第四种是溶解度与二氧化碳的性质有着非常密切的关系。
气体溶解于水中的计算公式为：
Rsw=Rsc1fc1+Rsc2fc2+Rsco2fco2
在这个公式中，Rsw代表的是气体在水中的溶解度，m3/m3;R代表的是气体在水中的溶解度;f代表的是体积系数;C1、C2和CO2分别代表甲烷、乙烷和二氧化碳。
（二）二氧化碳在油中溶解度的计算模型
与水中相比，气体在油中的溶解度更加复杂，其在油中的溶解度不但受温度、压力等因素的影响，而且还会受到气体与油的组分、密度以及饱和压力等因素的影响。气体在油中溶解度的计算公式为：
Rso=0.178×{[145.04P/a（32+9/5T）b]+c}n
此公式中：Rso代表的是气体在油中的溶解度，m3/m3;P代表的是压力，MPa;T代表的是温度，℃;a、b、c、n代表的是相关的经验常数。
在地层出现溢流现象时，如果只考虑甲烷、乙烷以及二氧化碳的溶解，那么，气体在油中的溶解度的计算公式为：
Rso=Rsc1fc1+Rsc2fc2+Rsco2fco2
此公式中：Rso代表的是气体在油中的溶解度，m3/m3;f代表的是体积系数;Rs代表的是每个组分在油中的溶解度，m3/m3;C1、C2和CO2分别代表的是甲烷、乙烷和二氧化碳。
三、二氧化碳在油基钻井液中溶解度的计算模型
在实施钻井的过程中，如果不考虑处理剂、钻屑等因素的影响，那么，地层侵入的二氧化碳气体在钻井液中的总溶解度，可以粗略认为是与侵入流体在盐水与油中溶解度的总和相近。假设温度和压力处于一个固定的状态，那么在钻井液中气体的溶解度计算公式为：
Rm=Rsw×φw+Rso×（1-φw）
其中：Rm代表的是气体在钻井液中的溶解度;Rsw代表的是气体在水中的溶解度;Rso代表的是气体在油中的溶解度;φw代表的是水在钻井液系统中所占的份额。
当φw的值为1时，此公式则为计算气体在水基钻井液中的溶解度公式;在油基钻井液中气体的溶解度和基油与盐水的体积系数有着密切关系。如果在不考虑油相饱和压力因素对气体溶解度的影响，并且已经知道φw值的前提下，可以依据上述公式对气体在各相中的溶解度进行计算。如计算二氧化碳在钻井液中的溶解度，只需要根据以上条件代入此公式即可。
四、在深水环境下计算二氧化碳溶解度的实例研究
为做实例研究，我们可以假设一个900米海水深度，200米水平段长度的深水水平井，采用直径为311.1毫米的钻头进行第一次开钻，把直径为244.5毫米的套管下到深度为1000米处，采用直径为215.9毫米的钻头钻到3252米，即完成钻井作业。该钻井使用的是体系密度为每立方厘米1.25克的油基钻井液，在此密度的基础上，分析和研究分别为7：3、6：4、5：5的油水比和8%的水中含盐度，如果在不考虑二氧化碳饱和压力因素影响的情况下，那么随着井深深度的增加，二氧化碳的溶解度会随之增加;反之，如果在考虑二氧化碳饱和压力因素影响的情况下，随着井深深度的增加，二氧化碳的溶解度也会随之增加，但是，当其饱和压力达到一定数值时，二氧化碳的溶解度会随着井深深度的增加而降低。
二氧化碳在油中的溶解度非常容易受到油基钻井液中基油含量的影响，在温度和压力相同的条件下，二氧化碳溶解度会随着基油含量的增加而增加，基油每增加10%的含量，二氧化碳就会增加大约16%;底部处于水平段位置，温度和压力几乎是保持不变的，因此，二氧化碳在钻井液中的溶解度也是基本保持不变的。但是，在现实中二氧化碳在油中不可能始终保持溶解的状态，在溶解达到一定饱和值的情况下，二氧化碳就无法进行溶解了，这时，二氧化碳在油基钻井液中的溶解度会随着井深深度的增加而降低。
在本次的实例研究中，二氧化碳在井深为1172米处时其在油中的溶解度达到了饱和状态;而在井深大于1172米时其在油中的溶解度随着温度的增加而降低，但是，其溶解度降低的幅度并不大。
结束语
综上所述，通过建立和研究酸性气体在钻井液两相流动中溶解度的计算模型和溶解特性，可知在对气体在油基钻井液中溶解度进行计算时，需要充分考虑到气体饱和压力因素的影响作用，酸性气体在油基钻井液中的溶解度会随着压力的增加而增加，同时也会随着温度的增加而减小。
参考文献
[1]薛海涛，卢双舫，付晓泰.甲烷、二氧化碳和氮气在油相中溶解度的预测模型[J].石油与天然气地质，2005（04）.
[2]王中华.国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识[J].中外能源，2011（01）.
[3]付晓泰，王振平，卢双舫.气体在水中的溶解机理及溶解度方程[J].中国科学（B辑化学），1996（02）.
作者简介
路克崇（1981-），男，藏族，甘肃酒泉人，毕业于中国石油大学（华东）资源系，工程师.
【摘要】在进行深水钻井时，由于泥线上下井筒的温度差较为明显，在温度和压力的影响下，气体会在钻井液中溶解，也会从钻井液中逸出，在环空中气体所处状态会极大的影响到环空压力。因此，本文通过天然气在水油中溶解度的计算模型基础上，建立了计算气体在水、油基钻井液中溶解度的理论模型，对气体处于深水环境时在水、油基钻井液中溶解度的变化情况进行了详细分析。笔者主要对酸性气体在钻井液两相流动中的溶解度特性进行了论述。
【关键词】酸性气体;钻井液两相流动;溶解度特性
在进行深水钻井的过程中，多数采用的是油基钻井液体系，也有一小部分采用的是水基钻井液体系。不管是油基钻井液还是水基钻井液，在一定温度和压力条件下，气体都会在钻井液中溶解，而且泥线上下的温度差较为明显，这时已经无法再忽略气体溶解于钻井液中对深水钻井环空压力造成的影响。为了准确的分析气侵后环空压力的分布和井底压力实际变化情况，本文将以酸性气体中的二氧化碳为代表，对其在钻井液两相流动中的溶解度特性进行计算和分析。
一、关于钻井液两相流动的涵义
在流动过程中，同时存在着两种属于同一介质的不同物态，或是在流动过程中同时存在两种独立的不同介质，这种流动就可以被称为两相流动，而在钻井液中同时存在气体和液体两种不同介质的流动则是钻井液的两相流动。气体的溶解度会对钻井的环空压力造成一定的影响，进而对钻井施工的安全可靠性造成影响。对二氧化碳在水基钻井液和油基钻井液中的溶解度进行计算，为研究深水井控技术提供了重要的理论基础和实践意义。
二、二氧化碳在水、油中溶解度的计算模型
（一）二氧化碳在水中溶解度的计算模型
二氧化碳溶解于水中的情况可以分为以下几种：第一种是在温度达到一定程度时，溶解度会随着压力的升高而增加，但是溶解度的增加幅度会随着压力的升高而变得越来越小;第二种是当压力达到一定程度时，在某个特定的温度范围内，溶解度会有一个极小值存在;第三种是与纯水相比，二氧化碳在盐溶液中的溶解度较低;第四种是溶解度与二氧化碳的性质有着非常密切的关系。
气体溶解于水中的计算公式为：
Rsw=Rsc1fc1+Rsc2fc2+Rsco2fco2
在这个公式中，Rsw代表的是气体在水中的溶解度，m3/m3;R代表的是气体在水中的溶解度;f代表的是体积系数;C1、C2和CO2分别代表甲烷、乙烷和二氧化碳。
（二）二氧化碳在油中溶解度的计算模型
与水中相比，气体在油中的溶解度更加复杂，其在油中的溶解度不但受温度、压力等因素的影响，而且还会受到气体与油的组分、密度以及饱和压力等因素的影响。气体在油中溶解度的计算公式为：
Rso=0.178×{[145.04P/a（32+9/5T）b]+c}n
此公式中：Rso代表的是气体在油中的溶解度，m3/m3;P代表的是压力，MPa;T代表的是温度，℃;a、b、c、n代表的是相关的经验常数。
在地层出现溢流现象时，如果只考虑甲烷、乙烷以及二氧化碳的溶解，那么，气体在油中的溶解度的计算公式为：
Rso=Rsc1fc1+Rsc2fc2+Rsco2fco2
此公式中：Rso代表的是气体在油中的溶解度，m3/m3;f代表的是体积系数;Rs代表的是每个组分在油中的溶解度，m3/m3;C1、C2和CO2分别代表的是甲烷、乙烷和二氧化碳。
三、二氧化碳在油基钻井液中溶解度的计算模型
在实施钻井的过程中，如果不考虑处理剂、钻屑等因素的影响，那么，地层侵入的二氧化碳气体在钻井液中的总溶解度，可以粗略认为是与侵入流体在盐水与油中溶解度的总和相近。假设温度和压力处于一个固定的状态，那么在钻井液中气体的溶解度计算公式为：
Rm=Rsw×φw+Rso×（1-φw）
其中：Rm代表的是气体在钻井液中的溶解度;Rsw代表的是气体在水中的溶解度;Rso代表的是气体在油中的溶解度;φw代表的是水在钻井液系统中所占的份额。
当φw的值为1时，此公式则为计算气体在水基钻井液中的溶解度公式;在油基钻井液中气体的溶解度和基油与盐水的体积系数有着密切关系。如果在不考虑油相饱和压力因素对气体溶解度的影响，并且已经知道φw值的前提下，可以依据上述公式对气体在各相中的溶解度进行计算。如计算二氧化碳在钻井液中的溶解度，只需要根据以上条件代入此公式即可。
四、在深水环境下计算二氧化碳溶解度的实例研究
为做实例研究，我们可以假设一个900米海水深度，200米水平段长度的深水水平井，采用直径为311.1毫米的钻头进行第一次开钻，把直径为244.5毫米的套管下到深度为1000米处，采用直径为215.9毫米的钻头钻到3252米，即完成钻井作业。该钻井使用的是体系密度为每立方厘米1.25克的油基钻井液，在此密度的基础上，分析和研究分别为7：3、6：4、5：5的油水比和8%的水中含盐度，如果在不考虑二氧化碳饱和压力因素影响的情况下，那么随着井深深度的增加，二氧化碳的溶解度会随之增加;反之，如果在考虑二氧化碳饱和压力因素影响的情况下，随着井深深度的增加，二氧化碳的溶解度也会随之增加，但是，当其饱和压力达到一定数值时，二氧化碳的溶解度会随着井深深度的增加而降低。
二氧化碳在油中的溶解度非常容易受到油基钻井液中基油含量的影响，在温度和压力相同的条件下，二氧化碳溶解度会随着基油含量的增加而增加，基油每增加10%的含量，二氧化碳就会增加大约16%;底部处于水平段位置，温度和压力几乎是保持不变的，因此，二氧化碳在钻井液中的溶解度也是基本保持不变的。但是，在现实中二氧化碳在油中不可能始终保持溶解的状态，在溶解达到一定饱和值的情况下，二氧化碳就无法进行溶解了，这时，二氧化碳在油基钻井液中的溶解度会随着井深深度的增加而降低。
在本次的实例研究中，二氧化碳在井深为1172米处时其在油中的溶解度达到了饱和状态;而在井深大于1172米时其在油中的溶解度随着温度的增加而降低，但是，其溶解度降低的幅度并不大。
结束语
综上所述，通过建立和研究酸性气体在钻井液两相流动中溶解度的计算模型和溶解特性，可知在对气体在油基钻井液中溶解度进行计算时，需要充分考虑到气体饱和压力因素的影响作用，酸性气体在油基钻井液中的溶解度会随着压力的增加而增加，同时也会随着温度的增加而减小。
参考文献
[1]薛海涛，卢双舫，付晓泰.甲烷、二氧化碳和氮气在油相中溶解度的预测模型[J].石油与天然气地质，2005（04）.
[2]王中华.国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识[J].中外能源，2011（01）.
[3]付晓泰，王振平，卢双舫.气体在水中的溶解机理及溶解度方程[J].中国科学（B辑化学），1996（02）.
作者简介
路克崇（1981-），男，藏族，甘肃酒泉人，毕业于中国石油大学（华东）资源系，工程师.