北极冻土层油气开发已经成为相关国家和国际各大油气公司关注的焦点^[1-3]。但是，在冻土层钻井存在一大难题——冻土孔隙中存在冰颗粒，如果钻井液通过井筒传至冻土层的热量过多，会使冰颗粒融化，影响冻土层的力学性能，甚至会导致井眼失稳、冻土融沉和井口沉降等问题。如在俄罗斯西西伯利亚的Zapolyrnoye气田，曾在钻井过程中因隔热处理不当引发了冻土层融化，导致井口下沉达3 m之多。因此，在北极冻土层钻井需要采取有效的隔热措施。

近20年来，国内外对冻土层钻井的研究不断加强，并取得了一系列技术成果，但截至目前，在冻土层钻井隔热保护方面可供采用的技术不多。我国近些年在极地冻土层钻井技术上的突破主要体现在钻井装备及工具方面，关于隔热的研究不够：在管道隔热方面，主要分析了隔热材料和管材的力学性能^[4-8]，尚未形成技术；在井筒控温方面（如防冻型钻井液、低温及温变条件下的井眼稳定等），只进行了初步研究，尚处于技术储备阶段^[9-11]。

基于上述现状，借鉴注蒸汽井和热采井中已经使用的隔热套管技术，提出使用一种含寄生管和中心管的套管并在其中使用冷流体换热来进行隔热以防止冻土层融化的工程方法^[12-14]。为了验证该工程方法的有效性，中国石油大学（华东）按照其工作原理设计了一套含寄生管和中心管的套管的隔热效果试验系统，来分析套管外环境温度、中心管内热流体温度以及寄生管内所注入冷流体温度、排量对套管外壁温度的影响；之后利用试验数据建立了套管外壁温度与各影响因素之间的拟合关系，分析了各因素对套管外壁温度的影响程度；在此基础上，提出了提升该套管保护冻土层性能的改进措施和工程方案，以期为北极冻土层钻井设计提供技术支撑。

1.   隔热效果试验系统及试验方法

1.1   含寄生管和中心管的套管的工作原理

在极地冻土层钻井过程中，钻井液在环空返排时会先被深部地层加热，后向冻土层传热，引发冻土层分解。含寄生管和中心管的套管在冻土层的工作原理如图1所示：钻井过程中，中心管是钻头和钻柱的下入通道，同时也是上返高温钻井液的环空通道；中心管和真空套管内管之间有一环形空间，通过寄生注入管向该环形空间注入温度低于钻井液的冷流体，与中心管内的热流体进行强制对流换热，冷流体会携带一部分热量从寄生返回管上返离开井筒，所以整个系统内的温度会显著下降，达到较好的隔热效果。

图  1  含寄生管和中心管的套管保护冻土层的工作原理示意

1.钻柱内的钻井液；2.中心管环空上返的钻井液；3.真空套管外管；4.真空套管内管；5.冻土层；6.冷流体；7.寄生返回管；8.寄生注入管

Figure  1.  The principle of casing with parasitic pipes and central tubing to protect permafrost

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1.2   隔热效果试验系统的设计

为了模拟含寄生管和中心管的套管的工作方式并验证其可行性，按照其工作原理设计了含寄生管和中心管的套管的隔热效果试验系统，如图2所示。含寄生管和中心管的套管其外径为177.8 mm、长度为2 100 mm，中心管内径为76.0 mm，寄生管内径为127.0 mm，真空度为50 Pa。因为钻柱和寄生返回管相对于套管真空结构热阻小，其中的流体流速快，对于单根套管内的温度分布影响不明显，因此设计隔热效果试验系统时省去了钻柱和寄生返回管。该试验系统将循环流体控温装置和套管连接起来，放置在由微电脑控制的模拟恒温环境系统中。其中，冷流体流动方向为顺时针并流经寄生管（图2中标为绿色），模拟钻井液的热流体流动方向为逆时针并流经中心管（图2中标为蓝色）。

图  2  含寄生管和中心管的套管的隔热效果试验系统工作原理示意

Figure  2.  Working principle of the test system for the thermal insulation effect of casing with parasitic pipes and central tubing

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1.3   试验条件和试验方法

为了获取不同环境温度、不同热流体温度、不同冷流体温度、不同冷流体排量下的套管外壁温度，将其作为隔热效果的评价指标，需利用含寄生管和中心管的套管的隔热效果试验系统进行试验。

考虑模拟恒温环境系统、恒温水箱和低温水箱性能许可的范围以及隔膜泵的固定排量限制，预设环境温度在–20.0～20.0 ℃变化，预设热流体温度在40.0～70.0 ℃变化，预设冷流体温度在5.0～35.0 ℃变化，冷流体排量在2.42～5.38 L/min变化，热流体的排量为2.42 L/min。真空隔热套管热阻大，季节性气温变化对冻土层温度影响小；同时，由于钻井液循环时间较短，井周冻土层温度升高幅度不大。基于以上认识，试验过程中将环境温度设置为恒温。

应在试验前向真空隔热套管内注入恒温热流体并循环一定时间，测量管体外壁的温度，待管体外壁温度稳定之后开始试验。为满足传热的相似原理，试验所用大部分管道的尺寸参考现场工况。不过，中心管中模拟钻井液的热流体为热水，流速较慢，会导致中心管中流体出入口过渡区长度、特征数以及对流换热系数与现场工况有所不同；同时，试验中的环境介质为空气，会产生额外的自然对流换热系数。但由传热学知识可知^[15]，在较短的钻井液循环时间内，上述情况引起的热阻差异相对于套管真空结构的高热阻来说很小，因此它们对径向传热的影响可忽略。

2.   外壁温度的分布特征和影响因素

2.1   不同排量下的试验结果分析

当预设环境温度为20.0 ℃、预设热流体温度为40 ℃、预设冷流体温度为25 ℃时，试验得出了冷流体排量分别为2.42、4.86和5.38 L/min时套管外壁温度的轴向分布，如图3所示。

图  3  不同冷流体排量下套管外壁温度的轴向分布

Figure  3.  Axial distribution of outer casing wall temperatures under different cold fluid displacements

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由图3可知，冷流体排量分别为2.42，4.86和5.38 L/min时，套管中间段外壁的温度分别为24.7，22.6 和22.4 ℃，说明在其他条件一致的情况下，冷流体排量越大，套管中间段外壁的温度越低。

从图3也可以看出，套管外壁温度轴向整体呈U形分布，套管外壁温度沿轴向可被分为2段：1）两侧接箍位置处的温度升高段，段内缺少套管真空结构的阻隔，同时套管接箍内的焊接结构会绕过冷流体在热流体和外壁之间形成固体传热通道；2）中间段，由于套管真空结构和冷流体阻止径向传热，段内温度较低，与环境温度十分接近。中间段的温度非常平稳，没有明显的梯度，说明中间段内外壁轴向传热不明显，温度受两侧的影响小。因此，现场使用结构相同但长度更长的含寄生管和中心管的套管；或对含寄生管和中心管的套管进行改进，使真空结构深入到接箍部分，可以更好地保护冻土层。

从图3还可以看出，冷流体排量越大，套管中间段外壁的温度越低。这是因为，高排量下冷流体在管内的循环时间更短，收到来自高温钻井液的热量更少。但是，对于长达几百米的井身结构，高排量会使寄生管的对流换热系数增大，使冷流体更快地吸收热量而升温，反而不利于冻土层控温。

2.2   不同预设热流体温度下的试验结果分析

当预设环境温度为–20 ℃、预设冷流体温度为35 ℃、冷流体排量为2.42 L/min时，试验得出了预设热流体温度分别为40，50，60和70 ℃时套管外壁温度的轴向分布，如图4所示。

图  4  不同预设热流体温度下套管外壁温度的轴向分布

Figure  4.  Axial distribution of outer casing wall temperatures at different preset hot fluid temperatures

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对比图3和图4发现，在不同的预设条件下套管外壁温度的轴向分布形态相似，中间段外壁的温度始终更接近于预设环境温度而较低，接箍位置处容易受热流体影响温度升高。对比图4中各条曲线可知，预设热流体温度升高会引起外壁温度升高，但升高幅度不大。同时，由图4可知，热流体温度的变化仅仅改变了套管两侧接箍处的温度，中间位置的温度没有明显改变，这说明高温钻井液在端部的传热效应会被限制在接箍内。

2.3   不同预设冷流体温度下的试验结果分析

当预设环境温度为–5 ℃、预设热流体温度为40 ℃、冷流体排量为2.42 L/min时，试验得出了预设冷流体温度分别为5，15，25和35 ℃时套管外壁温度的轴向分布，如图5所示。

图  5  不同预设冷流体温度下套管外壁温度的轴向分布

Figure  5.  Axial distribution of outer casing wall temperatures at different preset cold fluid temperatures

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从图5可以看出，冷流体温度降低会引起外壁温度整体降低，且降低幅度较大。分析认为，冷流体显著影响套管的整体温度，是通过影响径向传热实现的。应用含寄生管和中心管套管保护冻土层时，降低冷流体温度是一种有效的办法。

3.   套管外壁温度与影响因素的拟合分析

选取环境温度、热流体温度、冷流体温度、冷流体排量等4个影响含寄生管和中心管的套管隔热效果的因素进行试验（套管的隔热效果通过中间端外壁温度反映），基于试验结果建立了套管外壁温度与影响因素的拟合关系。为了精准评价各施工参数的影响，先分析单一变量对套管外壁温度的影响程度，再分析多因素对其的影响程度。

3.1   套管外壁温度与环境温度的拟合分析

当预设热流体温度为40 ℃、预设冷流体温度为20 ℃、冷流体排量为2.42 L/min时，试验得出实际环境温度分别为–18.3，–8.0，0.8和8.0 ℃时套管中间段外壁温度随实际环境温度的变化规律，如图6所示。

图  6  环境温度对套管中间段外壁温度的影响

Figure  6.  Effect of environmental temperature on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

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由图6可知，套管中间段外壁温度与实际环境温度近似呈线性关系。经过拟合，可得该条件下套管中间段外壁温度与实际环境温度的定量关系式：

式中：${t_{{\rm{ow}}}}$为套管中间段外壁温度，℃；${t_{\rm{a}}}$为实际环境温度，℃。

3.2   套管外壁温度与热流体温度的拟合分析

当预设环境温度为–20 ℃、预设冷流体温度为35 ℃、冷流体排量为2.42 L/min时，试验得出实际热流体温度分别为31.4，36.6，44.9和50.1 ℃时套管中间段外壁温度随实际热流体温度的变化规律，如图7所示。

图  7  热流体温度对套管中间段外壁温度的影响

Figure  7.  Effect of hot fluid temperature on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

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由图7可知，套管中间段外壁温度与实际热流体温度呈线性相关。经过拟合，可得该条件下套管中间段外壁温度与实际热流体温度的定量关系式：

式中：${t_{{\rm{hf}}}}$为实际热流体温度，℃。

3.3   套管外壁温度与冷流体温度的拟合分析

当预设环境温度为–5.0 ℃、预设热流体温度为40.0 ℃、冷流体排量为2.42 L/min时，试验得出实际冷流体温度分别为7.4，15.8，25.0 和30.3 ℃时套管中间段外壁温度随实际冷流体温度的变化规律，如图8所示。

图  8  冷流体温度对套管中间段外壁温度的影响

Figure  8.  Effect of cold fluid temperature on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

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由图8可知，套管中间段外壁温度与实际冷流体温度呈线性相关。经过拟合，可得该条件下中间段外壁温度与实际冷流体温度的定量关系式：

式中：${t_{{\rm{lf}}}}$为实际冷流体温度，℃。

式（3）的拟合关系表明，降低冷流体温度可以显著降低套管中间段外壁温度。结合章节2.3中的结论，建议工程实践中尽可能降低冷流体温度。

3.4   套管外壁温度与冷流体排量的拟合分析

当预设环境温度为20.0 ℃、预设冷流体温度为25.0 ℃，而预设热流体温度分别为40.0和60.0 ℃时，套管中间段外壁温度随冷流体排量的变化规律如图9所示。

图  9  冷流体排量对套管中间段外壁温度的影响

Figure  9.  Effect of cold fluid displacement on outer casing wall temperature in the intermediate casing section

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由图9可知，套管中间段外壁温度与冷流体排量之间不是简单的线性关系。经过拟合，可得预设热流体温度40.0 ℃时中间段外壁温度与冷流体排量的定量关系式：

式中：$Q$为冷流体排量，L/min。

同样地，可得预设热流体温度为60.0 ℃时中间段外壁温度与冷流体排量的定量关系式：

通过式（4）和式（5）的拟合关系发现，增大冷流体排量可以更好地抑制中间段外壁温度升高，但这一效应会随着排量增大而逐渐减弱。因此，在现场应综合考虑地面机泵的工作特性和循环压耗的情况下维持合理的冷流体排量。

3.5   套管外壁温度多因素拟合模型

环境温度、热流体温度、冷流体温度、冷流体排量与套管中间段外壁温度的关系都可以近似用线性关系或对数关系表示。在此基础上，利用1stOpt数学优化分析软件中的通用全局优化算法对试验数据进行多元非线性拟合，将上述4因素结合起来，得到了套管中间段外壁温度与环境温度、循环流体温度、冷流体温度和冷流体排量的关系式：

式（6）的决定系数${R^2}$超过0.99，说明拟合得到的关系式具有较高的精度。由式（6）的系数可知，对套管中间段外壁温度的影响程度从大至小依次为环境温度、冷流体温度和热流体温度。环境温度影响程度较大的原因是，自然对流的热阻相对于真空套管外管的热阻很小，说明真空套管外管的确提供了良好的隔热效果；热流体温度影响程度较小的原因是，热流体的传热过程同时受到冷流体对流换热和真空套管外管的阻隔，这验证了含寄生管和中心管的套管保护冻土层的工作原理。

4.   结论与建议

1）含寄生管和中心管的套管的外壁温度沿轴向呈U形分布。真空结构和冷流体循环可以有效抑制径向传热和轴向传热，降低中间段温度。该套管两侧接箍部分缺乏真空结构阻隔，外壁温度较高。现场使用该类套管时可以对其进行改进，使用较长的含寄生管和中心管的套管或在接箍部分使用真空结构，以有效提升其隔热性能。

2）环境温度、热流体温度、冷流体温度、冷流体排量与含寄生管和中心管的套管中间段外壁温度满足线性或对数关系。通过多因素拟合模型，发现对套管中间段外壁温度的影响程度从大至小依次为环境温度、冷流体温度和热流体温度。根据拟合结果，提出了尽可能地降低冷流体温度并且合理地维持冷流体排量的冻土层保护措施。

3）室内试验和数据拟合提供了含寄生管和中心管的套管保护冻土层的理论依据和工程建议。为了更好地将含寄生管和中心管的套管应用于极地冻土层钻井中，建议进一步开展现场试验。