一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法

摘要

本发明公开了一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，包括：（1）获取海洋天然气水合物层钻井参数和初始条件；（2）进行空间节点划分；（3）建立海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算模型；（4）钻柱中井口处的流体温度即为计算时刻的钻井液注入温度

说明书

技术领域

本发明属于海洋钻井技术领域，具体地，涉及海洋天然气水合物层钻井技术方法，特别是一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法。

背景技术

天然气水合物是一种稳定存在于低温、高压环境条件下的晶体化合物，其资源量极为丰富，主要分布在陆地永久冻土带和陆缘外围的海底沉积物中，其中海洋天然气水合物资源量约为陆地冻土带的100倍以上。海洋天然气水合物层处于海底低温、高压环境下，保持较为稳定的赋存状态。随着海洋油气钻采技术的发展，海洋钻井日趋增多，海洋钻井钻进过程中，依次钻至地层、天然气水合物层、地层，其中，钻井液从钻柱中自井口即海平面处注入井筒，流经泥线以上即海水所处井段，至泥线位置即海底处后，通过泥线以下即地层所处井段，从钻头流出至环空中，再通过环空上返至井口，从环空井口返出井筒。

然而，海洋钻井钻遇天然气水合物层时，由于钻头处于海洋天然气水合物层，井筒中流动的钻井液温度较高，会改变海洋天然气水合物层的原始温度场，进而影响水合物的稳定状态，造成水合物的分解气化，对钻井施工安全造成重大威胁。另一方面，海洋天然气水合物层钻井中，进入井筒环空中的水合物钻屑颗粒不同于常规海洋钻井中的岩屑颗粒，其随环空钻井液上返过程中，会由于井筒温度升高、压力降低而发生分解，水合物钻屑颗粒的分解吸热作用会进一步影响井筒温度变化，整个井筒温度场会也会因此改变，进而影响钻井液流变性、井筒流动参数变化。因此，海洋天然气水合物层钻井井筒温度场的准确计算，对判断海洋天然气水合物层稳定状态、钻井液流变性、计算井筒流动参数，进而保障海洋钻井施工安全具有重要的指导意义。

目前，国内外对海洋天然气水合物层钻井井筒温度场研究较少，现有研究主要针对海洋钻井过程中的井筒温度场，并未研究钻遇海洋天然气水合物层时，环空中水合物钻屑颗粒随钻井液上返并发生分解下的井筒温度场。专利CN103226641A公开了一种深水气液两相流循环温度压力耦合计算方法，通过先钻柱内钻井液后环空钻井液的顺序，迭代计算钻柱和环空内钻井液节点温度和压力数据，最终得到深海气液两相流井筒温度和压力模拟结果，此方法可以应用在海洋钻井过程中井筒温度场的计算，但是不能准确反映海洋天然气水合物层钻井时的井筒温度场；专利CN102943620A公开了一种基于钻井环空井筒多相流动计算的控压钻井方法，井筒环空多相流动控制方程组求解中，所需的井筒温度有所体现，但具体求解方法并未提出，不能直接应用在海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算中。因此，迫切需要一种针对海洋天然气水合物层钻井的井筒温度场计算方法，当钻遇海洋天然气水合物层时考虑环空中水合物钻屑颗粒分解的影响，为判断海洋天然气水合物层稳定状态、钻井液流变性、计算井筒流动参数提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，该方法原理可靠，便于操作，能够为判断海洋天然气水合物层稳定状态、钻井液流变性、计算井筒流动参数，进而保障海洋钻井施工安全提供理论依据，具有广阔的市场前景。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

获取海洋天然气水合物层钻井参数和初始条件，在此基础上进行空间节点划分；考虑天然气水合物钻屑颗粒分解吸热的影响，建立海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算模型，得到计算网格内的温度变化；然后，根据已知节点处的温度，计算下一节点处的井筒温度，按照钻柱内和环空内的节点同时自井口至井底的顺序，迭代计算井筒温度，直至井底温度满足计算误差，则迭代结束；迭代计算所得所有节点处的井筒温度即为海洋天然气水合物层钻井井筒温度场。

一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，依次包括以下步骤：

(1)根据钻井设计和储层参数，获取海洋天然气水合物层钻井参数和初始条件，钻井参数包括：井身结构、钻具组合、泵入参数、海水深度、海水温度、地层温度、储层中水合物丰度、机械钻速、井深，初始条件包括：计算时刻的钻井液注入温度T_p(0)⁽ⁿ⁾、环空井口压力p_a(0)⁽ⁿ⁾。

(2)进行空间节点划分，根据步骤(1)中海洋天然气水合物层钻井参数，空间域为整个井筒，自井口至井底，节点轴向序号从0开始依次递增；井口处的节点序号为0，井筒中任一计算节点序号用i表示，下一计算节点序号用i+1表示，井底处节点序号为k。

(3)根据传热学理论及能量守恒定律，建立海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算模型，计算网格内的温度变化表达式如下(高永海，孙宝江，王志远等.深水钻探井筒温度场的计算与分析[J].中国石油大学学报(自然科学版)，32(2003)：58-62)：

钻柱中：

环空中：

泥线(海底处)以上井段，即i·Δh＜H_sea时：

泥线(海底处)以下井段，即i·Δh≥H_sea时：

式中：i为计算节点；

n为计算时刻；

Δh为计算网格长度，计算中设定为1m；

H_sea为海水深度，m；

ΔT_p(i)⁽ⁿ⁾、ΔT_a(i)⁽ⁿ⁾分别为钻柱中、环空中计算网格内的温度变化，K；

ρ_p(i)、ρ_a(i)分别为钻柱中、环空中计算节点i处的混合流体密度，kg/m³；

v_p(i)、v_a(i)分别为钻柱中、环空中计算节点i处的混合流体流速，m/s；

c_p(i)、c_a(i)分别为钻柱中、环空中井筒中计算节点i处的混合流体比热容，J/(kg·K)；

D_pi、D_po、D_ri、D_ci分别为钻柱内径、钻柱外径、隔水管内径、套管内径，m；

Q_ap(i)为环空与钻柱内计算节点i处流体间热交换，W；

Q_wa(i)、Q_sa(i)分别为海水与环空内、地层与环空内计算节点i处流体间热交换，W；

Q_fp(i)、Q_fa(i)分别为钻柱中和环空中计算节点i处流动摩擦产生的热量，W；

Q_h(i)为环空中计算节点i处水合物分解吸收的热量，W。

(4)井口处即i＝0时，钻柱中井口处的流体温度即为计算时刻的钻井液注入温度T_p(0)⁽ⁿ⁾，根据步骤(1)中的初始条件，为已知参数；而环空中井口处的流体温度T_a(0)⁽ⁿ⁾即为从环空中返出流体的温度是未知参数，假设T_a(0)⁽ⁿ⁾的值，设定假设范围：273K≤T_a(0)⁽ⁿ⁾≤T_p(0)⁽ⁿ⁾。

(5)按照钻柱内和环空内的节点同时自井口至井底的顺序，根据节点i处钻柱中流体温度T_p(i)⁽ⁿ⁾和环空中流体温度T_a(i)⁽ⁿ⁾，计算下一节点i+1处的井筒温度：

式中：T_p(i)⁽ⁿ⁾、T_a(i)⁽ⁿ⁾分别为计算节点i处钻柱中、环空中流体温度，K；

T_p(i+1)⁽ⁿ⁾、T_a(i+1)⁽ⁿ⁾分别为计算节点i+1处钻柱中、环空中流体温度，K。

根据公式(4)、(5)，自井口迭代计算直至井底节点k处，得到钻柱中井底处的流体温度T_p(k)⁽ⁿ⁾和环空中井底处的流体温度T_a(k)⁽ⁿ⁾。

(6)根据步骤(5)迭代计算得到的钻柱中、环空中井底处的流体温度，比较是否满足计算误差：

式中：T_p(k)⁽ⁿ⁾为钻柱中井底处的流体温度，K；

T_a(k)⁽ⁿ⁾为环空中井底处的流体温度，K；

γ为井底处流体温度计算误差，取1K。

如果公式(6)成立，则满足计算误差，通过步骤(5)迭代计算所得所有节点处钻柱中、环空中流体温度即为海洋天然气水合物层钻井井筒温度场。如果公式(6)不成立，则不满足计算误差，需对步骤(4)中的环空中井口处流体温度T_a(0)⁽ⁿ⁾重新假设，并再次重复步骤(5)迭代计算，直至公式(6)成立。

所述步骤(3)中，环空与钻柱内计算节点i处流体间热交换Q_ap(i)、海水与环空内计算节点i处流体间热交换Q_wa(i)、地层与环空内计算节点i处流体间热交换Q_sa(i)、钻柱中计算节点i处流动摩擦产生的热量Q_fp(i)、环空中计算节点i处流动摩擦产生的热量Q_fa(i)(Z.M.Wang,X.N.Hao,X.Q.Wang>h(i)(E.D.Sloana,F.Fleyfelb.Hydrate>

环空与钻柱内计算节点i处流体间热交换Q_ap(i)计算如下

海水与环空内计算节点i处流体间的热交换Q_wa(i)计算如下

地层与环空内计算节点i处流体间的热交换Q_sa(i)计算如下

式(9)中的环空内流体与地层在计算节点i处的综合换热系数U_sa(i)计算如下

钻柱中计算节点i处流动摩擦产生的热量Q_fp(i)计算如下

环空中计算节点i处流动摩擦产生的热量Q_fa(i)计算如下

环空中计算节点i处水合物分解吸收的热量Q_h(i)计算如下

式(10)～(13)中：

T_w(i)⁽ⁿ⁾、T_s(i)⁽ⁿ⁾分别为计算节点i处的海水温度、地层温度，K；

D_ro、D_co、D_cso、D_csi分别为隔水管外径、套管外径、水泥环外径、水泥环内径，m；

α_f1(i)、α_f2(i)、α_f3(i)分别为钻柱内表面、隔水管内表面、套管内表面上计算节点i处的受迫对流换热系数，W/(m²·K)；

α_m1(i)、α_m2(i)分别为钻柱外表面、隔水管外表面上计算节点i处的外绕面对流换热系数，W/(m²·K)；

λ_p(i)、λ_r(i)、λ_c(i)、λ_cs(i)、λ_s(i)分别为钻柱、隔水管、套管、水泥环、地层在计算节点i处的导热系数，W/(m·K)；

U_sa(i)为环空中流体与地层在计算节点i处的综合换热系数，W/(m²·K)；

T_D为瞬态传热函数，无因次；

v_p(i)、v_a(i)分别为钻柱中、环空中混合流体在计算节点i处的流速，m/s；

m_p(i)、m_a(i)分别为钻柱中、环空中混合流体在计算节点i处的质量流量，kg/s；

D_ao为环空外径，计算节点位于泥线以上井段即为隔水管内径D_ri，位于泥线以下井段即为套管内径D_ci，m；

Z_geq为节点处环空中温度、压力条件下的天然气压缩因子，无因次；

R为通用气体常数，J/(mol·K)；

p_eq(i)⁽ⁿ⁾为计算节点i处天然气水合物相平衡压力，Pa。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明通过按照钻柱内和环空内的节点同时自井口至井底的顺序，迭代计算得到井筒温度场，计算便捷，误差较小，能够准确快速计算出井筒温度场。

(2)本发明能够针对海洋天然气水合物层钻井实现其井筒温度场计算，为判断海洋天然气水合物层稳定状态、钻井液流变性、计算井筒流动参数，进而保障海洋钻井施工安全提供理论依据。

附图说明

图1为海洋天然气水合物层钻井井筒换热示意图。

图2为海洋天然气水合物层钻井井筒温度场实例计算结果图。

具体实施方式

下面以某地区实际海洋天然气水合物层钻井为例，结合附图，对本发明作进一步详细地说明，但本发明并不局限于以下实施例。

海洋天然气水合物层钻井井筒换热示意图如图1所示，泥线以上井筒外部为海水，泥线以下井筒外部为地层。钻井液在井口从钻柱中注入，通过钻柱与环空中流体发生热交换。到达井底之后，钻井液携带天然气水合物钻屑颗粒从环空中上返，一方面，环空中流体与钻柱中流体发生热交换；另一方面，泥线以下井段环空中流体通过套管、水泥环与地层发生热交换，泥线以上井段环空中流体通过隔水管与海水发生热交换；上返过程中，天然气水合物钻屑颗粒随着井筒温度升高、压力降低而发生分解吸热，进而影响井筒温度场。

一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，依次包括以下步骤：

(1)根据钻井设计和储层参数，获取海洋天然气水合物层钻井参数和初始条件：隔水管外径D_ro、套管外径D_co均为0.508m；钻柱外径D_po为0.127m，钻头直径为0.445m；井深H为1600m，泵入钻井液排量30l/s，泵入钻井液密度ρ_p(0)为1030kg/m³；海水深度H_sea为1500m；海面温度为298K；地层温度梯度为3℃/100m；储层中水合物丰度为70％；机械钻速为10m/h；计算时刻的钻井液注入温度T_p(0)⁽ⁿ⁾为298K；环空井口压力p_a(0)⁽ⁿ⁾为101300Pa。

(2)进行空间节点划分，根据步骤(1)中海洋天然气水合物层钻井参数，空间域为整个井筒，自井口至井底，节点轴向序号从0开始依次递增；井口处的节点序号为0，井底处节点序号为1600。

(3)根据传热学理论及能量守恒定律，基于海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算模型，计算网格内的温度变化：钻柱中ΔT_p(i)⁽ⁿ⁾和环空中ΔT_a(i)⁽ⁿ⁾。

(4)井口处即节点0处，进行计算时，钻柱中井口处的流体温度即为计算时刻的钻井液注入温度T_p(0)⁽ⁿ⁾为298K；而环空中井口处的流体温度T_a(0)⁽ⁿ⁾即为从环空中返出流体的温度是未知参数，进行假设T_a(0)⁽ⁿ⁾的值，根据假设范围：273K≤T_a(0)⁽ⁿ⁾≤T_p(0)⁽ⁿ⁾假设为292K，并进行计算。

(5)按照钻柱内和环空内的节点同时自井口至井底的顺序，根据节点i处钻柱中流体温度T_p(i)⁽ⁿ⁾和环空中流体温度T_a(i)⁽ⁿ⁾，计算下一节点i+1处的井筒温度：钻柱中流体温度T_p(i+1)⁽ⁿ⁾和环空中流体温度T_a(i+1)⁽ⁿ⁾；自井口迭代计算至井底处，得到钻柱中井底处的流体温度T_p(k)⁽ⁿ⁾＝281.06K，环空中井底处的流体温度T_a(k)⁽ⁿ⁾＝281.41K。

(6)根据步骤(5)中井筒温度计算方法，得到的钻柱中井底处的流体温度T_p(k)⁽ⁿ⁾、环空中井底处的流体温度T_a(k)⁽ⁿ⁾，并根据计算误差γ＝1K，比较是否满足计算误差：则满足计算误差。

因此，环空中井口处的流体温度T_a(0)⁽ⁿ⁾为292K时，通过计算，井底处流体温度满足计算误差，通过步骤(5)迭代计算所得所有节点处钻柱中、环空中流体温度即为海洋天然气水合物层钻井井筒温度场，如图2所示(图2为海洋天然气水合物层钻井井筒温度场实例计算结果图)。