一種海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算方法與流程

2023-10-29 11:56:32 2

本發明屬於海洋鑽井技術領域，具體地，涉及海洋天然氣水合物層鑽井技術方法，特別是一種海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算方法。

背景技術：

天然氣水合物是一種穩定存在於低溫、高壓環境條件下的晶體化合物，其資源量極為豐富，主要分布在陸地永久凍土帶和陸緣外圍的海底沉積物中，其中海洋天然氣水合物資源量約為陸地凍土帶的100倍以上。海洋天然氣水合物層處於海底低溫、高壓環境下，保持較為穩定的賦存狀態。隨著海洋油氣鑽採技術的發展，海洋鑽井日趨增多，海洋鑽井鑽進過程中，依次鑽至地層、天然氣水合物層、地層，其中，鑽井液從鑽柱中自井口即海平面處注入井筒，流經泥線以上即海水所處井段，至泥線位置即海底處後，通過泥線以下即地層所處井段，從鑽頭流出至環空中，再通過環空上返至井口，從環空井口返出井筒。

然而，海洋鑽井鑽遇天然氣水合物層時，由於鑽頭處於海洋天然氣水合物層，井筒中流動的鑽井液溫度較高，會改變海洋天然氣水合物層的原始溫度場，進而影響水合物的穩定狀態，造成水合物的分解氣化，對鑽井施工安全造成重大威脅。另一方面，海洋天然氣水合物層鑽井中，進入井筒環空中的水合物鑽屑顆粒不同於常規海洋鑽井中的巖屑顆粒，其隨環空鑽井液上返過程中，會由於井筒溫度升高、壓力降低而發生分解，水合物鑽屑顆粒的分解吸熱作用會進一步影響井筒溫度變化，整個井筒溫度場會也會因此改變，進而影響鑽井液流變性、井筒流動參數變化。因此，海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場的準確計算，對判斷海洋天然氣水合物層穩定狀態、鑽井液流變性、計算井筒流動參數，進而保障海洋鑽井施工安全具有重要的指導意義。

目前，國內外對海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場研究較少，現有研究主要針對海洋鑽井過程中的井筒溫度場，並未研究鑽遇海洋天然氣水合物層時，環空中水合物鑽屑顆粒隨鑽井液上返並發生分解下的井筒溫度場。專利cn103226641a公開了一種深水氣液兩相流循環溫度壓力耦合計算方法，通過先鑽柱內鑽井液後環空鑽井液的順序，迭代計算鑽柱和環空內鑽井液節點溫度和壓力數據，最終得到深海氣液兩相流井筒溫度和壓力模擬結果，此方法可以應用在海洋鑽井過程中井筒溫度場的計算，但是不能準確反映海洋天然氣水合物層鑽井時的井筒溫度場；專利cn102943620a公開了一種基於鑽井環空井筒多相流動計算的控壓鑽井方法，井筒環空多相流動控制方程組求解中，所需的井筒溫度有所體現，但具體求解方法並未提出，不能直接應用在海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算中。因此，迫切需要一種針對海洋天然氣水合物層鑽井的井筒溫度場計算方法，當鑽遇海洋天然氣水合物層時考慮環空中水合物鑽屑顆粒分解的影響，為判斷海洋天然氣水合物層穩定狀態、鑽井液流變性、計算井筒流動參數提供理論依據。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算方法，該方法原理可靠，便於操作，能夠為判斷海洋天然氣水合物層穩定狀態、鑽井液流變性、計算井筒流動參數，進而保障海洋鑽井施工安全提供理論依據，具有廣闊的市場前景。

為了實現上述技術目的，本發明採用以下技術方案。

獲取海洋天然氣水合物層鑽井參數和初始條件，在此基礎上進行空間節點劃分；考慮天然氣水合物鑽屑顆粒分解吸熱的影響，建立海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算模型，得到計算網格內的溫度變化；然後，根據已知節點處的溫度，計算下一節點處的井筒溫度，按照鑽柱內和環空內的節點同時自井口至井底的順序，迭代計算井筒溫度，直至井底溫度滿足計算誤差，則迭代結束；迭代計算所得所有節點處的井筒溫度即為海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場。

一種海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算方法，依次包括以下步驟：

(1)根據鑽井設計和儲層參數，獲取海洋天然氣水合物層鑽井參數和初始條件，鑽井參數包括：井身結構、鑽具組合、泵入參數、海水深度、海水溫度、地層溫度、儲層中水合物豐度、機械鑽速、井深，初始條件包括：計算時刻的鑽井液注入溫度tp(0)(n)、環空井口壓力pa(0)(n)。

(2)進行空間節點劃分，根據步驟(1)中海洋天然氣水合物層鑽井參數，空間域為整個井筒，自井口至井底，節點軸向序號從0開始依次遞增；井口處的節點序號為0，井筒中任一計算節點序號用i表示，下一計算節點序號用i+1表示，井底處節點序號為k。

(3)根據傳熱學理論及能量守恆定律，建立海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算模型，計算網格內的溫度變化表達式如下(高永海，孫寶江，王志遠等.深水鑽探井筒溫度場的計算與分析[j].中國石油大學學報(自然科學版)，32(2003)：58-62)：

鑽柱中：

環空中：

泥線(海底處)以上井段，即i·δh＜hsea時：

泥線(海底處)以下井段，即i·δh≥hsea時：

式中：i為計算節點；

n為計算時刻；

δh為計算網格長度，計算中設定為1m；

hsea為海水深度，m；

δtp(i)(n)、δta(i)(n)分別為鑽柱中、環空中計算網格內的溫度變化，k；

ρp(i)、ρa(i)分別為鑽柱中、環空中計算節點i處的混合流體密度，kg/m3；

vp(i)、va(i)分別為鑽柱中、環空中計算節點i處的混合流體流速，m/s；

cp(i)、ca(i)分別為鑽柱中、環空中井筒中計算節點i處的混合流體比熱容，j/(kg·k)；

dpi、dpo、dri、dci分別為鑽柱內徑、鑽柱外徑、隔水管內徑、套管內徑，m；

qap(i)為環空與鑽柱內計算節點i處流體間熱交換，w；

qwa(i)、qsa(i)分別為海水與環空內、地層與環空內計算節點i處流體間熱交換，w；

qfp(i)、qfa(i)分別為鑽柱中和環空中計算節點i處流動摩擦產生的熱量，w；

qh(i)為環空中計算節點i處水合物分解吸收的熱量，w。

(4)井口處即i＝0時，鑽柱中井口處的流體溫度即為計算時刻的鑽井液注入溫度tp(0)(n)，根據步驟(1)中的初始條件，為已知參數；而環空中井口處的流體溫度ta(0)(n)即為從環空中返出流體的溫度是未知參數，假設ta(0)(n)的值，設定假設範圍：273k≤ta(0)(n)≤tp(0)(n)。

(5)按照鑽柱內和環空內的節點同時自井口至井底的順序，根據節點i處鑽柱中流體溫度tp(i)(n)和環空中流體溫度ta(i)(n)，計算下一節點i+1處的井筒溫度：

式中：tp(i)(n)、ta(i)(n)分別為計算節點i處鑽柱中、環空中流體溫度，k；

tp(i+1)(n)、ta(i+1)(n)分別為計算節點i+1處鑽柱中、環空中流體溫度，k。

根據公式(4)、(5)，自井口迭代計算直至井底節點k處，得到鑽柱中井底處的流體溫度tp(k)(n)和環空中井底處的流體溫度ta(k)(n)。

(6)根據步驟(5)迭代計算得到的鑽柱中、環空中井底處的流體溫度，比較是否滿足計算誤差：

式中：tp(k)(n)為鑽柱中井底處的流體溫度，k；

ta(k)(n)為環空中井底處的流體溫度，k；

γ為井底處流體溫度計算誤差，取1k。

如果公式(6)成立，則滿足計算誤差，通過步驟(5)迭代計算所得所有節點處鑽柱中、環空中流體溫度即為海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場。如果公式(6)不成立，則不滿足計算誤差，需對步驟(4)中的環空中井口處流體溫度ta(0)(n)重新假設，並再次重複步驟(5)迭代計算，直至公式(6)成立。

所述步驟(3)中，環空與鑽柱內計算節點i處流體間熱交換qap(i)、海水與環空內計算節點i處流體間熱交換qwa(i)、地層與環空內計算節點i處流體間熱交換qsa(i)、鑽柱中計算節點i處流動摩擦產生的熱量qfp(i)、環空中計算節點i處流動摩擦產生的熱量qfa(i)(z.m.wang,x.n.hao,x.q.wangetal.numericalsimulationondeepwaterdrillingwellboretemperatureandpressuredistribution[j].petroleumscienceandtechnology,28(2010):911–919)以及環空中計算節點i處水合物分解吸收的熱量qh(i)(e.d.sloana,f.fleyfelb.hydratedissociationenthalpyandguestsize[j].fluidphaseequilibria,76(1992):123-140)的計算方法如下：

環空與鑽柱內計算節點i處流體間熱交換qap(i)計算如下

海水與環空內計算節點i處流體間的熱交換qwa(i)計算如下

地層與環空內計算節點i處流體間的熱交換qsa(i)計算如下

式(9)中的環空內流體與地層在計算節點i處的綜合換熱係數usa(i)計算如下

鑽柱中計算節點i處流動摩擦產生的熱量qfp(i)計算如下

環空中計算節點i處流動摩擦產生的熱量qfa(i)計算如下

環空中計算節點i處水合物分解吸收的熱量qh(i)計算如下

式(10)～(13)中：

tw(i)(n)、ts(i)(n)分別為計算節點i處的海水溫度、地層溫度，k；

dro、dco、dcso、dcsi分別為隔水管外徑、套管外徑、水泥環外徑、水泥環內徑，m；

αf1(i)、αf2(i)、αf3(i)分別為鑽柱內表面、隔水管內表面、套管內表面上計算節點i處的受迫對流換熱係數，w/(m2·k)；

αm1(i)、αm2(i)分別為鑽柱外表面、隔水管外表面上計算節點i處的外繞面對流換熱係數，w/(m2·k)；

λp(i)、λr(i)、λc(i)、λcs(i)、λs(i)分別為鑽柱、隔水管、套管、水泥環、地層在計算節點i處的導熱係數，w/(m·k)；

usa(i)為環空中流體與地層在計算節點i處的綜合換熱係數，w/(m2·k)；

td為瞬態傳熱函數，無因次；

vp(i)、va(i)分別為鑽柱中、環空中混合流體在計算節點i處的流速，m/s；

mp(i)、ma(i)分別為鑽柱中、環空中混合流體在計算節點i處的質量流量，kg/s；

dao為環空外徑，計算節點位於泥線以上井段即為隔水管內徑dri，位於泥線以下井段即為套管內徑dci，m；

zgeq為節點處環空中溫度、壓力條件下的天然氣壓縮因子，無因次；

r為通用氣體常數，j/(mol·k)；

peq(i)(n)為計算節點i處天然氣水合物相平衡壓力，pa。

與現有技術相比，本發明具有以下顯著優點：

(1)本發明通過按照鑽柱內和環空內的節點同時自井口至井底的順序，迭代計算得到井筒溫度場，計算便捷，誤差較小，能夠準確快速計算出井筒溫度場。

(2)本發明能夠針對海洋天然氣水合物層鑽井實現其井筒溫度場計算，為判斷海洋天然氣水合物層穩定狀態、鑽井液流變性、計算井筒流動參數，進而保障海洋鑽井施工安全提供理論依據。

附圖說明

圖1為海洋天然氣水合物層鑽井井筒換熱示意圖。

圖2為海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場實例計算結果圖。

具體實施方式

下面以某地區實際海洋天然氣水合物層鑽井為例，結合附圖，對本發明作進一步詳細地說明，但本發明並不局限於以下實施例。

海洋天然氣水合物層鑽井井筒換熱示意圖如圖1所示，泥線以上井筒外部為海水，泥線以下井筒外部為地層。鑽井液在井口從鑽柱中注入，通過鑽柱與環空中流體發生熱交換。到達井底之後，鑽井液攜帶天然氣水合物鑽屑顆粒從環空中上返，一方面，環空中流體與鑽柱中流體發生熱交換；另一方面，泥線以下井段環空中流體通過套管、水泥環與地層發生熱交換，泥線以上井段環空中流體通過隔水管與海水發生熱交換；上返過程中，天然氣水合物鑽屑顆粒隨著井筒溫度升高、壓力降低而發生分解吸熱，進而影響井筒溫度場。

一種海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算方法，依次包括以下步驟：

(1)根據鑽井設計和儲層參數，獲取海洋天然氣水合物層鑽井參數和初始條件：隔水管外徑dro、套管外徑dco均為0.508m；鑽柱外徑dpo為0.127m，鑽頭直徑為0.445m；井深h為1600m，泵入鑽井液排量30l/s，泵入鑽井液密度ρp(0)為1030kg/m3；海水深度hsea為1500m；海面溫度為298k；地層溫度梯度為3℃/100m；儲層中水合物豐度為70％；機械鑽速為10m/h；計算時刻的鑽井液注入溫度tp(0)(n)為298k；環空井口壓力pa(0)(n)為101300pa。

(2)進行空間節點劃分，根據步驟(1)中海洋天然氣水合物層鑽井參數，空間域為整個井筒，自井口至井底，節點軸向序號從0開始依次遞增；井口處的節點序號為0，井底處節點序號為1600。

(3)根據傳熱學理論及能量守恆定律，基於海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場計算模型，計算網格內的溫度變化：鑽柱中δtp(i)(n)和環空中δta(i)(n)。

(4)井口處即節點0處，進行計算時，鑽柱中井口處的流體溫度即為計算時刻的鑽井液注入溫度tp(0)(n)為298k；而環空中井口處的流體溫度ta(0)(n)即為從環空中返出流體的溫度是未知參數，進行假設ta(0)(n)的值，根據假設範圍：273k≤ta(0)(n)≤tp(0)(n)假設為292k，並進行計算。

(5)按照鑽柱內和環空內的節點同時自井口至井底的順序，根據節點i處鑽柱中流體溫度tp(i)(n)和環空中流體溫度ta(i)(n)，計算下一節點i+1處的井筒溫度：鑽柱中流體溫度tp(i+1)(n)和環空中流體溫度ta(i+1)(n)；自井口迭代計算至井底處，得到鑽柱中井底處的流體溫度tp(k)(n)＝281.06k，環空中井底處的流體溫度ta(k)(n)＝281.41k。

(6)根據步驟(5)中井筒溫度計算方法，得到的鑽柱中井底處的流體溫度tp(k)(n)、環空中井底處的流體溫度ta(k)(n)，並根據計算誤差γ＝1k，比較是否滿足計算誤差：則滿足計算誤差。

因此，環空中井口處的流體溫度ta(0)(n)為292k時，通過計算，井底處流體溫度滿足計算誤差，通過步驟(5)迭代計算所得所有節點處鑽柱中、環空中流體溫度即為海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場，如圖2所示(圖2為海洋天然氣水合物層鑽井井筒溫度場實例計算結果圖)。