一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法，包括以下步骤：(1)根据钻井设计确定井身结构、钻具组合、钻井参数、钻井液物性、地层参数基本参数；(2)利用钻井液温度分布模型计算不同隔热钻杆类型、不同隔热钻杆长度下的全井筒温度分布；(3)根据设计要求确定控温目标，并利用第(2)步的计算结果选择最佳的隔热钻杆组合形式；(4)再利用模型确定隔热钻杆最佳的下入深度；(5)利用模型校核是否满足控温目标，满足即设计结束，不满足，则返回第(3)步重新设计，直至达到控温目标。本发明专利技术通过采用隔热材料或隔热涂层的方法降低钻杆导热系数以达到控制井筒温度分布的目的。以达到控制井筒温度分布的目的。以达到控制井筒温度分布的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法


[0001]本专利技术提供一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法，属于油气井


技术介绍

[0002]无论是超深层油气资源，还是干热岩地热资源，在其勘探开发过程中均面临一个共同难题，即是井下高温。在油气井及地热井建井过程中，由于存在地热梯度，井筒温度会随着井深的增加越来越高。实践表明，高温使得钻井工具无法完全满足钻井的要求。在高温环境下，钻头、井下动力工具、随钻测量系统(MWD)、钻井液的稳定性和寿命都会受到很大影响。高温使得牙轮钻头、冲击钻头和井下动力工具的橡胶密封件失效，限制了井下动力工具的使用，增加了钻头更换的频率，提高了钻井成本；MWD系统受高温影响，其精度和可靠性都会随之降低，无法有效控制井眼轨迹；受高温影响，钻井液体系的密度、流变性与稳定性也会发生很大变化，引起钻井液增稠、胶凝、固化，其护壁和携岩能力将大大降低，容易诱发井下安全事故；同时，井筒内温度变化产生的温差将导致井壁失稳，尤其是对天然气水合物钻探，井筒温度升高导致井壁受热膨胀，对井壁稳定性影响更大；高温对固井质量的影响也不容忽视，可能发生套管挤毁等问题，难以满足后期的压裂施工。
[0003]针对油气井井下高温问题，国内外学者持之以恒地开展了各项研究。主要通过适应井下高温环境，如研制抗高温钻井液、研制耐高温随钻测量系统等；目前钻井液的抗温性能最高已达260℃，随钻测量系统的额定温度也已高达210℃。但是，随着井底温度的不断增加，对井下管柱材料、固井材料、钻井液及随钻测量系统等的要求会越来越高，技术难度越来越大。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提供一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法，当将钻杆的导热系数降低到一定程度时会显著降低环空的钻井液温度，本专利技术通过采用隔热材料或隔热涂层的方法降低钻杆导热系数以达到控制井筒温度分布的目的。
[0005]具体技术方案为：
[0006]一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法，包括以下步骤：
[0007](1)根据钻井设计确定井身结构、钻具组合、钻井参数、钻井液物性、地层参数基本参数；
[0008](2)利用钻井液温度分布模型计算不同隔热钻杆类型、不同隔热钻杆长度下的全井筒温度分布；
[0009](3)根据设计要求确定控温目标，并利用第(2)步的计算结果选择最佳的隔热钻杆组合形式；
[0010](4)再利用模型确定隔热钻杆最佳的下入深度；
[0011](5)利用模型校核是否满足控温目标，满足即设计结束，不满足，则返回第(3)步重新设计，直至达到控温目标。
附图说明
[0012]图1是本专利技术的隔热钻杆控温方法设计流程；
[0013]图2是实施例双壁隔热钻杆结构图；
[0014]图3是实施例双壁隔热钻杆简化模型；
[0015]图4是实施例单壁隔热钻杆简化模型；
[0016]图5是实施例全井筒采用隔热钻杆的环空钻井液温度分布；
[0017]图6是实施例部分井段采用隔热钻杆的环空钻井液温度分布；
[0018]图7是实施例隔热段钻杆不同下深下的环空钻井液温度分布；
[0019]图8是实施例隔热段不同下深下的环空钻井液温度分布；
[0020]图9是实施例钻井过程中井筒模型图；
[0021]图10是实施例的计算流体；
[0022]图11是实施例的现场测试结果与计算结果的对比；
[0023]图12是实施例的环空钻井液温度随井深变化曲线；
[0024]图13是实施例的不同钻杆导热系数对井底温度与返出温度的影响规律。
具体实施方式
[0025]要避免井筒温度过高，从根本上来说，需要尽可能减少地层向井筒传递的热量。根据传热方程Φ＝kAΔt，传热量Φ和温度分布t为因变量，在传热过程中传热面积A不变的前提下，最积极的措施是改变传热系数k。而传热系数与组成传热过程的各项热阻相关，要改变传热系数就必须分析传热过程中的每一项热阻。理论上来说，增大其中任一传热环节的热阻均可削弱传热。组成井筒向地层传热的热阻有地层热阻、水泥环热阻、套管热阻、钻柱热阻以及各项钻井液流动与固体壁面的对流换热热阻。在这些热阻中，地层热阻与地层属性有关，是油气井工程的开发对象，无法从技术上改变；各项对流换热热阻中，需考虑影响对流换热的各种因素，当结合安全、经济性等多方面的考究后，可适当改变钻井工艺方面综合考虑。除此之外，还可以从管柱自身的热物性参数出发，降低其导热系数，增大管柱的导热热阻来实现井底温度控制的目的。
[0026]结果显示，改变套管和水泥环材料的导热系数对钻井液循环温度的影响不大，但降低钻杆导热系数，尤其是降低到某种程度，可以取得极好的降温效果。因此，可研制用于井下降温的隔热钻杆。
[0027]一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法，如图1所示流程：
[0028](1)根据钻井设计确定井身结构、钻具组合、钻井参数、钻井液物性、地层参数等基本参数；
[0029](2)利用本文所建立的钻井液温度分布模型计算不同隔热钻杆类型、不同隔热钻杆长度下的全井筒温度分布；
[0030](3)根据相关要求确定控温目标，并利用第(2)步的计算结果选择最佳的隔热钻杆组合形式；
[0031](4)再利用本文所建立模型确定隔热钻杆最佳的下入深度；
[0032](5)利用本模型校核是否满足控温目标，满足即设计结束，不满足，则返回第(3)步重新设计，直至达到控温目标。
[0033]为了研究钻杆材料的导热系数对井筒温度分布的影响，以川西某特深井为算例，其计算参数表1～表3所示：
[0034]管柱几何参数见表1所示。
[0035]表1管柱几何参数
[0036][0037]计算所用物性参数表2所示。
[0038]表2计算所用物性参数
[0039][0040]钻井过程中其余的计算参数见表3所示。
[0041]表3钻井液(聚磺钻井液)的流变参数及工艺参数
[0042][0043][0044]特设置钻杆的导热系数为0.2～40W/(m
·
K)，循环1h与循环5h后，环空钻井液温度随井深变化曲线见图12所示。不同钻杆导热系数对井底温度与返出温度的影响规律见图13所示。
[0045]从图12与图13中可知，钻杆导热系数的改变对环空钻井液温度的影响非常大。一般呈现出以下规律：当钻杆导热系数减小不大时，对环空钻井液的温度影响很小，但是当显著降低钻杆导热系数时，环空钻井液的温度大大降低，尤其是井底的降温幅度更大。如本算例中，钻杆导热系数为40W/(m
·
K)时，循环1h与循环5h，井底温度分别为164.18℃、156.66℃，降至20W/(m
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K)时，井底温度仅分别降为163.19℃与154.36℃，降温幅度不大，但是当
降至2W/(m
·
K)时，井底温度大幅度降低至131.43℃与91.04本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于隔热钻杆控温方法的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据钻井设计确定井身结构、钻具组合、钻井参数、钻井液物性、地层参数基本参数；(2)利用钻井液温度分布模型计算不同隔热钻杆类型、不同隔热钻杆长度下的全井筒温度分布；(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖东，谌文湧，陈丽萍，李皋，席境阳，胡艺凡，刘明洁，蔡纯，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：