一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，包括水平井钻井过程中的传热物理模型和传热数学模型，所述传热物理模型根据其井筒配置分为三个部分，分别为垂直段、倾斜段和水平段；所述传热数学模型包括钻柱内钻井液的传热模型、钻柱传热模型、环空内钻井液传热模型以及套管、水泥环、地层的传热模型，然后对模型求解，再输出井下温度分布数据；所述传热物理模型是根据有限体积法在井深和垂深方向上，将井筒分离并划分成有限大小的离散网格；本发明专利技术具有预测数据准确、预测精度高的优点。高的优点。高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及油气田开发领域，尤其涉及一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法。

技术介绍

[0002]在整个钻井的过程当中，钻柱内、环空内钻井液与地层温度不停变化，最终形成了动态温度场一方面是因为钻井液在环空、钻柱和地层之间反复循环，另一方面是由于温度差的存在，所以三者之间一直发生着热交换。在井筒内循环温度影响着钻井液的流变性能和静态密度，由于钻井液的这两个参数的变化又影响着循环压耗和循环密度，使其一直变动，所以水平井温度场的研究对井底压力控制、安全快速钻进来说是非常重要的。
[0003]在气井设计和动态分析中井筒的温度分布是必要的参数，一般是用直接测量或者计算得到。但是目前对于一些井况十分复杂的气井来说，直接测量十分困难，难以操作所以这类井一般都用计算这种方法。对于气液比非常高的气井来说，需要着重将精力放在井筒温度分布的计算精度和可用性方面上。对于安全窗口较小的水平井来说，值得更加深入更加细致的研究，使水平井井控变的更加的安全。
[0004]在油气田勘探开发的地质勘探、区域勘探和油田开发这三个阶段中钻井工艺始终贯穿于其中。在钻井工艺中，由于地层加热，温度成为了深井快速钻进、安全钻进、经济钻进的重要影响因素。所以对钻井中井筒内的传热的研究必须加强。在大家的努力下水平井技术已成为成熟的钻井技术，已经广泛应用于油气行业。这些年来，水平井在页岩气、地热井等的开发应用越来越受到重视。在水平井钻井中，钻井液温度分布和近壁地层温度对钻井液和其他钻井参数的密度和流变学有重要影响。因此，研究钻井页岩气和地热井中水平井的温度分布是非常重要的。
[0005]当前对水平井钻井井筒温度场的研究还略有不足，而且目前已有的对温度场进行的预测精度误差较大，因此在水平井钻井井筒温度场分布较复杂的基础上，建立水平井油气井井筒温度场规律分布模型显得十分有必要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，从而解决上述缺陷。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0008]一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，包括：
[0009]水平井钻井过程中的传热物理模型和传热数学模型，所述传热物理模型根据其井筒配置分为三个部分，分别为垂直段、倾斜段和水平段；所述传热数学模型包括钻柱内钻井液的传热模型、钻柱传热模型、环空内钻井液传热模型以及套管、水泥环、地层的传热模型，然后对模型求解，再输出井下温度分布数据。
[0010]进一步的，所述传热物理模型是根据有限体积法在井深和垂深方向上，将井筒分
离并划分成有限大小的离散网格。
[0011]进一步的，所述钻柱内钻井液的传热模型中的单元体积控制单元内钻柱的热量由以下四个部分组成：
[0012]①
钻井液的摩擦损失所产生的热量；
[0013]②
钻井液沿轴线方向向下流动引起的钻井液内的热传递；
[0014]③
钻柱径向与钻井液内壁间的传热；
[0015]④
钻井液内在能量变化；
[0016]因此，上述模型用不稳定二维对流扩散方程来表示：
[0017][0018]式中：
[0019]ρ1为钻柱内钻井液密度，单位是：kg/m3；
[0020]c1为钻柱内钻井液比热，容单位是：J/(kg
·
℃)；
[0021]T1为钻柱内部钻井液温度，单位是：℃；
[0022]u
p
为钻柱内钻井液在x轴方向的速度，单位是：m/s；
[0023]v
p
为钻柱内钻井液在y轴方向的速度，单位是：m/s；
[0024]Γ
1x
是在x方向的钻柱内，钻井液的传热系数，单位是：W/(m2·
℃)，考虑钻井液的导热系数，钻井液与钻柱内壁之间的对流换热系数，以及钻柱的导热系数；
[0025]Γ
1y
是y方向钻柱内钻井液传热的总系数，单位是：W/(m2·
℃)；
[0026]S
p
是钻井液内钻井液的能量来源。
[0027]进一步的，所述钻柱传热模型中钻柱体积控制单元的热量由以下四个部分组成：
[0028]①
钻柱轴向热传导产生的热量；
[0029]②
钻柱内壁与钻柱内钻井液径向对流传热产生的热量；
[0030]③
钻柱外壁与环形钻井液径向对流换热；
[0031]④
单位时间内单位能量的变化；
[0032]上述模型用非定常二维扩散方程来表示：
[0033][0034]式中：
[0035]ρ2是钻柱的密度，单位是：kg/m3；
[0036]c2是钻柱的比热容，单位是：J/(kg
·
℃)；
[0037]T2是钻柱的温度，单位是：℃；
[0038]Γ
2x
是在x方向上的总传热系数，单位是：W/(m2·
℃)；
[0039]Γ
2y
是在y方向上的总传热系数，单位是：W/(m2·
℃)。
[0040]进一步的，所述环空内钻井液传热模型中环空内钻井液控制单元的热量由以下四个部分组成：
[0041]①
在环空内钻井液因外部工作产生的热量；
[0042]②
钻柱外壁与环空内钻井液径向对流换热；
[0043]③
钻井液在轴向上沿环向上流动的热传递；
[0044]④
单位时间内在能量的变化；
[0045]上述模型用不稳定二维对流扩散方程来表示：
[0046][0047]式中：
[0048]ρ3是环空钻井液的密度单位，是：kg/m3；
[0049]c3是钻井液在环空内的比热容，单位是：J/(kg
·
℃)；
[0050]T3是钻井液在环空内的温度单位是：℃；
[0051]u
a
是钻井液在环空内的在x方向上的速度，单位是：m/s；
[0052]v
a
是钻井液在环空内的在y方向上的速度，单位是：m/s；
[0053]Γ
3x
是在x方向的环空内，钻井液的传热系数，单位是：W/(m2·
℃)，考虑了钻柱的导热系数、环空钻井液与钻柱外壁的对流换热系数以及钻井液的导热系数；
[0054]Γ
3y
是在y方向的环空内，钻井液的传热系数，单位是：W/(m2·
℃)；
[0055]S
a
是钻柱内钻井液的能量来源。
[0056]进一步的，所述套管、水泥环、地层的传热模型中套管、水泥环和地层的体积控制单元的热量由以下三部分组成：
[0057]①
由第i层的热传导所产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于，包括：水平井钻井过程中的传热物理模型和传热数学模型，所述传热物理模型根据其井筒配置分为三个部分，分别为垂直段、倾斜段和水平段；所述传热数学模型包括钻柱内钻井液的传热模型、钻柱传热模型、环空内钻井液传热模型以及套管、水泥环、地层的传热模型，然后对模型求解，再输出井下温度分布数据。2.根据权利要求1所述的一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于：所述传热物理模型是根据有限体积法在井深和垂深方向上，将井筒分离并划分成有限大小的离散网格。3.根据权利要求1所述的一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于，所述钻柱内钻井液的传热模型中的单元体积控制单元内钻柱的热量由以下四个部分组成：
①
钻井液的摩擦损失所产生的热量；
②
钻井液沿轴线方向向下流动引起的钻井液内的热传递；
③
钻柱径向与钻井液内壁间的传热；
④
钻井液内在能量变化；因此，上述模型用不稳定二维对流扩散方程来表示：式中：ρ1为钻柱内钻井液密度，单位是：kg/m3；c1为钻柱内钻井液比热，容单位是：J/(kg
·
℃)；T1为钻柱内部钻井液温度，单位是：℃；u
p
为钻柱内钻井液在x轴方向的速度，单位是：m/s；v
p
为钻柱内钻井液在y轴方向的速度，单位是：m/s；Γ
1x
是在x方向的钻柱内，钻井液的传热系数，单位是：W/(m2·
℃)，考虑钻井液的导热系数，钻井液与钻柱内壁之间的对流换热系数，以及钻柱的导热系数；Γ
1y
是y方向钻柱内钻井液传热的总系数，单位是：W/(m2·
℃)；S
p
是钻井液内钻井液的能量来源。4.根据权利要求1所述的一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于，所述钻柱传热模型中钻柱体积控制单元的热量由以下四个部分组成：
①
钻柱轴向热传导产生的热量；
②
钻柱内壁与钻柱内钻井液径向对流传热产生的热量；
③
钻柱外壁与环形钻井液径向对流换热；
④
单位时间内单位能量的变化；上述模型用非定常二维扩散方程来表示：式中：
ρ2是钻柱的密度，单位是：kg/m3；c2是钻柱的比热容，单位是：J/(kg
·
℃)；T2是钻柱的温度，单位是：℃；Γ
2x
是在x方向上的总传热系数，单位是：W/(m2·
℃)；Γ
2y
是在y方向上的总传热系数，单位是：W/(m2·
℃)。5.根据权利要求1所述的一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于，所述环空内钻井液传热模型中环空内钻井液控制单元的热量由以下四个部分组成：
①
在环空内钻井液因外部工作产生的热量；
②
钻柱外壁与环空内钻井液径向对流换热；
③
钻井液在轴向上沿环向上流动的热传递；
④
单位时间内在能量的变化；上述模型用不稳定二维对流扩散方程来表示：式中：ρ3是环空钻井液的密度单位，是：kg/m3；c3是钻井液在环空内的比热容，单位是：J/(kg
·
℃)；T3是钻井液在环空内的温度单位是：℃；u
a
是钻井液在环空内的在x方向上的速度，单位是：m/s；v
a
是钻井液在环空内的在y方向上的速度，单位是：m/s；Γ
3x
是在x方向的环空内，钻井液的传热系数，单位是：W/(m2·
℃)，考虑了钻柱的导热系数、环空钻井液与钻柱外壁的对流换热系数以及钻井液的导热系数；Γ
3y
是在y方向的环空内，钻井液的传热系数，单位是：W/(m2·
℃)；S
a
是钻柱内钻井液的能量来源。6.根据权利要求1所述的一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于，所述套管、水泥环、地层的传热模型中套管、水泥环和地层的体积控制单元的热量由以下三部分组成：
①
由第i层的热传导所产生的轴向的热传导；
②
在相邻层之间的径向热传递产生的热量；
③
单位时间内控制单元内在能量变化；上述模型用非定常二维扩散方程来表示：式中：ρ
i
是第i层的密度单位，是：kg/m3；c
i
是第i层的比热容，单位是：J/(kg
·
℃)；T
i
是第i层的温度，单位是：℃；Γ
ix
是在x方向上，第i层的热传递的总系数，单位是：W/(m2·
℃)；
Γ
iy
是在y方向上，第i层的热传递的总系数，单位是：W/(m2·
℃)。7.根据权利要求1所述的一种水平井钻井井筒温度场分布模型的构建方法，其特征在于，所述传热数学模型的初始条件和边界条件：初始条件：在同一深度下，钻井液温度与原始地层温度相等，表示如下:式中：T
p
(z＝h,t＝0)是与地面距离H时钻柱内钻井液温度，单位是：℃；T
a
(z＝h,t＝0)是在环空到地面距离H时钻井液温度，单位是：℃；T
f
(z＝h,t＝0)是在环空到地面距离H的地层温度，单位是：℃；r
w
是井筒半径；边界条件：钻柱入口温度可直接在现场测量，因此，井口的边界条件表示如下：T
P
(z＝0,t)＝T
in
；式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛良杰，魏长江，蔡明杰，曾松，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：