本文结合石油科技中青年创新基金项目“超临界二氧化碳连续管钻井液携岩特性研究”和中国石油大学博士创新基金项目“超临界二氧化碳钻井液特性研究”的有关研究内容,深入研究了二氧化碳流体在井眼条件下的密度、粘度、温度和压力等特性的变化规律,设计和建立了超临界二氧化碳钻井液循环模拟实验装置,通过模拟实验研究揭示了超临界二氧化碳钻井液携岩规律以及二氧化碳水合物溶解特性,为超临界二氧化碳钻井液的现场应用奠定了基础。二氧化碳流体是可压缩性非常好的非理想气体,常用的理想气体状态方程不适应于井眼内密度、粘度、温度和压力等参数的准确计算。基于Pen-Robinson方程和Chung方程,推导出了适合超临界二氧化碳钻井液在井眼条件下的密度和粘度计算公式,计算结果与实际误差都在5%以内,具有较好的实用性。应用传热学基本原理,建立了地层/钻具/二氧化碳流体之间的温度传递数学模型,给出了钻具和环空内二氧化碳流体的温度解析式,并绘制了井眼温度剖面。运用有限元基本方法和流体力学理论,推导出了在井眼条件下二氧化碳钻井流体的静液柱压力和摩擦压耗的数学模型,从而绘制出井眼压力剖面,为实现控制压力钻井提供了理论依据。利用相似性原理,研制出超临界二氧化碳钻井液循环模拟实验装置。该装置可模拟二氧化碳流体在2000米井深内的运行状态,能够做到温度可调,压力可控,并能在高温高压(90℃,15MPa)下具有可视化。该装置可用于完成超临界二氧化碳钻井液的携岩特性、循环压耗特性、水合物生成和溶解特性等方面的实验研究,实验结果重复性好。利用新研制的超临界二氧化碳钻井液循环模拟实验装置,试验研究了二氧化碳流体在不同状态和不同井斜情况下的携岩特性,发现在超临界状态下,0°～36°是携岩较容易的井斜范围,井斜超过36°后携岩开始变得困难,54°～72°为携岩最困难的井斜范围,72°～90°携岩变得相对容易;确定了不同状态下二氧化碳流体有效携岩的最低返速和最小流量;揭示出携岩能力随压力增加而增大、随着温度的增加而减少的变化基本规律。模拟实验装置中固液分离器是采用侧面旋流进气的锥形容器,它能够使二氧化碳、水充分旋流搅拌,在温度低于10℃,压力高于5MPa条件下,形成二氧化碳水合物。研究了二氧化碳水合物在地面环境中的稳定性,发现当环境温度高于30℃时,二氧化碳水合物分解速度是2℃、10℃、20℃条件下的1倍;实验探讨了二氧化碳水合物在热力学抑制剂乙醇以及无机盐氯化钙和氯化钠溶液中溶解特性;也实验分析了二氧化碳水合物在动力学抑制剂十六烷基磺酸钠溶液中的溶解特性,有助于超临界二氧化碳钻井液现场应用时产生水合物堵塞提供解决方案。