一种获取循环温度场的方法及装置制造方法及图纸

一种获取循环温度场的方法及装置，包括：将井筒沿管柱径向划分为两个或两个以上组成部分；根据钻井状态参数，分别获得计算在钻进和不钻进过程中各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。本发明专利技术实施例根据钻井状态参数进行循环温度场的计算，实现了钻进和不钻进过程中循环温度场的获取，提升了获取循环温度场的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种获取循环温度场的方法及装置
本文涉及但不限于石油钻探技术，尤指一种获取循环温度场的方法及装置。
技术介绍
井筒循环温度对钻井和固井工程的影响很大，它不仅关系到注水泥作业的成败和注水泥质量的高低，而且与井内压力平衡、井壁稳定、井内工作液体系选择、套管和钻柱强度设计等方面有关。因此，准确地确定井筒循环温度分布及其变化规律，对水泥浆体系设计、井控和安全快速钻进有重要的意义。从20世纪60年代起，国外有很多学者针对井筒循环温度进行了研究，建立了不同的理论模型和算法，国内近二十多年来也对井下温度预测做了大量的研究，比较有代表性有针对地面钻井及注水泥过程建立的井内循环温度计算模型，井内循环温度计算模型包括以下几个部分：管柱内流体：管柱壁：环空内液体：地层：计算公式(I)到(IV)中，q为排量，单位为立方每小时(m3/h)；z为井深，单位为米(m)；t为时间，单位为秒(s)；rci为管柱内半径，单位为毫米(mm)；rco为管柱外半径，单位为mm；rb为井眼半径，单位为mm；ρL为液体密度，单位为克每立方厘米(g/cm3)；ρw为管柱材料的密度，单位为g/cm3；ρf为地层岩石的密度，单位为g/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取循环温度场的方法，其特征在于，包括：将井筒沿管柱径向划分为两个或两个以上组成部分；根据钻井状态参数，分别获得计算在钻进和不钻进过程中各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。

【技术特征摘要】
1.一种获取循环温度场的方法，其特征在于，包括：将井筒沿管柱径向划分为两个或两个以上组成部分；根据钻井状态参数，分别获得计算在钻进和不钻进过程中各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将井筒沿管柱径向划分为两个或两个以上组成部分包括：将井筒沿管柱径向划分为管柱内流体、筒壁、环空流体、隔水管；其中，划分的各所述组成部分分别包括对应的预设数个节点。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，获得所述传热微分方程之前，所述方法还包括：获取所述钻井状态参数；其中，所述钻井状态参数包括：时间步长△t、空间步长△z、钻井液入口流量G、入口温度Tin、各时间节点对应的各空间节点位置、各时间节点的钻速、井身结构参数、物性参数、钻头机械磨损参数和/或初始时刻各空间节点温度值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取钻井状态参数包括：获取井身结构参数包括：rco、rci、rgi、rgo、rwe；物性参数包括：ρL、kL、cp、kw、ρw、cw、kg、ρg、cg、kf、ρf、μf；钻头机械磨损参数包括：钻压Fdb、钻头平均直径Ddb；水深Ls、循环时间t_end、地层井深Ld；计算初始总井深LT为：LT＝Ls+Ld；空间步长：△z＝LT/(n-1)；时间步长：△t＝t_end/(m-1)；各时间节点对应的各空间节点位置：Lz(j)＝(j-1)△z，j＝1～n；各时间节点钻速：ud(i)，i＝1～m；初始时刻井筒各节点温度：Lz(j)≤Ls时，Tp,ji＝Tw,ji＝Ta,ji＝Tg,ji＝Tf；(j＝1～n；i＝1)；Lz(j)>Ls时，Tp,ji＝Tw,ji＝Ta,ji＝Twe,,ji＝Twe0；(j＝1～n；i＝1)；井身结构参数包括：rco、rci、rgi、rgo、rwe；物性参数包括：ρL、kL、cp、kw、ρw、cw、kg、ρg、cg、kf、ρf、μf；钻头机械磨损参数包括：钻压Fdb、钻头平均直径Ddb；其中，ud为钻进速度，钻进时大于零，不钻进时等于0，单位米每秒m/s；循环时间t_end单位为秒s；时间节点数为m；井筒节点数为n；海水沿井深的温度分布为Tf，单位为℃；井壁沿深度方向的初始温度分布为Twe0，单位为℃；为第i时刻，管柱内流体在轴向方向上第j节点的温度，单位为℃；Tw,ji为第i时刻，筒壁在轴向方向上第j节点的温度，单位为℃；Ta,ji为第i时刻，环空流体在轴向方向上第j节点的温度，单位为℃；Tg,ji为第i时刻，隔水管在轴向方向上第j节点的温度，单位为℃；Twe,,ji为第i时刻，井壁在轴向方向上第j节点的温度，单位为℃；rco为筒壁外壁面半径，单位为米m；rci为筒壁内壁面半径，单位为m；ρL为钻井液密度，单位为千克每立方米kg/m3；kL为钻井液导热系数，单位为焦耳每千克J/kgK；cp为钻井液比热，单位为焦耳每千克J/kgK；kw为筒壁的导热系数，单位为瓦每米开W/mk；ρw为筒壁密度，单位为kg/m3；cw为筒壁比热，单位为J/kgK；rwe为井壁内径，单位为m；ρg为隔水管密度，单位为kg/m3；kg为隔水管导热系数，单位为W/mK；cg为隔水管比热，单位为J/kgK；kf为海水导热系数，单位为W/mk；ρf为海水密度，单位为kg/m3；μf为海水粘度系数，单位为千克每米每秒kg/ms；rgi为隔水管内径，单位为米m；rgo为隔水管外径，单位为米m。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：进行所述数值迭代处理时，将各节点在前一个时间步长的温度值作为计算当前时间步长内温度的初始值；对总井深、空间节点数量根据下述公式进行更新：更新的总井深：LT＝LT+ud△t；更新的空间节点数量：若LT-Lz(n)≥△z，则n＝n+1。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述管柱内流体的传热微分方程为：或式(1)或式(2)中，Qhp为管柱内流体的热源，单位为瓦每米W/m；G为钻井液体积流量，单位为立方米每秒m3/s；hci为筒壁内壁面的对流换热系数，单位为瓦每平方米开W/m2k；Tp为筒内液体的温度，单位为摄氏度℃；Tw为筒壁的温度，单位为℃；z为轴向长度，单位为米m；t为时间，单位为秒s。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对管柱内流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的管柱内流体温度的计算方程：其中：28.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，钻进过程中，所述管柱内流体的热源Qhp为：Qhp＝GPp+Qdb/△z+G△pb/△z(4)式(4)中，GPp为各节点在钻进过程中均产生的发热量；Qdb/△z、G△pb/△z为钻头所对应的节点的发热量；Pp为单位长度的流动磨损，单位为帕每米Pa/m；Qdb为钻进过程中，由钻头机械摩擦做功转化的热损耗，Qdb＝fdbFdburl，单位为瓦W，其中，url＝πDdbω钻头旋转线速度，单位为米每秒m/s；fdb为摩擦系数，取值为0～1；Fdb为钻压，单位为牛N；Ddb为钻头平均直径，单位为m；ω为转速，单位为弧度每秒rad/s；△pb为泥浆经过钻头喷嘴的节流作用产生的局部压力损耗，单位为帕Pa；C代表喷嘴流量系数，无因次，取值范围为0.914～0.98；Ab代表钻头水口总面积，单位为平方米m2；△z为钻头节点与轴向相邻节点间距离，单位为米m；不钻进过程中，管柱内流体的热源Qhp为：Qhp＝GPp+G△pb/△z(5)。9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，钻进过程中，所述管柱内流体在旋转的管柱内螺旋流动，对应的对流换热系数hci为：式(6)中，Nup为管柱内流体的努谢尔数，无量纲；等效流速单位为米每秒m/s，Reeff为等效流速所对应的等效雷诺数；up为管柱内流体的轴向流动速度，单位为m/s；Pr为流体的普朗特数，无量纲；α为旋转流动对换热影响的权重系数，取值范围约为0.25～1；系数Ah取值范围为0.01～0.03；系数γ取值范围为0～0.5；不钻进过程中，对流换热系数hci通过非牛顿流体的计算公式获得。10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述筒壁的传热微分方程为：或，式(7)或式(8)中，hco为筒壁外壁面的对流换热系数，单位为W/m2k；Ta为环空流体的温度，单位为℃；Tw为筒壁的温度，单位为℃。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，地层区域内，不钻进过程中，筒壁外侧的所述对流换热系数hco通过非牛顿流体的计算公式获得；有隔水管的深水区域，不钻进过程中，筒壁外侧的所述对流换热系数hco通过非牛顿流体的计算公式获得；地层区域内，钻进过程中，筒壁外侧对流换热系数hco为：式(9)中，Nua为环空流体的努谢尔数，无量纲；ueff为等效流速，ueff单位为m/s，Reeff为根据等效流速uef...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文成，赵丹汇，赵琥，李旭，罗宇维，宋茂林，郭朝红，姜玉雁，李志刚，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海油田服务股份有限公司，中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11