[發(fā)明專(zhuān)利]一種海洋天然氣水合物層鉆井井筒溫度場(chǎng)計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710305146.0
• 申請(qǐng)日: 2017-05-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106951666B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫萬(wàn)通;孟英峰;魏納;周守為;李清平;李皋;郭平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 成都金英專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

1.一種海洋天然氣水合物層鉆井井筒溫度場(chǎng)計(jì)算方法，依次包括以下步驟：

(1)根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)和儲(chǔ)層參數(shù)，獲取海洋天然氣水合物層鉆井參數(shù)和初始條件，鉆井參數(shù)包括：井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、泵入?yún)?shù)、海水深度、海水溫度、地層溫度、儲(chǔ)層中水合物豐度、機(jī)械鉆速、井深，初始條件包括：計(jì)算時(shí)刻的鉆井液注入溫度T_p(0)⁽ⁿ⁾、環(huán)空井口壓力p_a(0)⁽ⁿ⁾；

(2)進(jìn)行空間節(jié)點(diǎn)劃分，空間域?yàn)檎麄€(gè)井筒，自井口至井底，節(jié)點(diǎn)軸向序號(hào)從0開(kāi)始依次遞增，井口處的節(jié)點(diǎn)序號(hào)為0，井筒中任一計(jì)算節(jié)點(diǎn)序號(hào)用i表示，下一計(jì)算節(jié)點(diǎn)序號(hào)用i+1表示，井底處節(jié)點(diǎn)序號(hào)為k；

(3)建立海洋天然氣水合物層鉆井井筒溫度場(chǎng)計(jì)算模型，計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的溫度變化表達(dá)式如下：

鉆柱中：

環(huán)空中：

泥線以上井段，

泥線以下井段，

式中：i為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，

n為計(jì)算時(shí)刻，

Δh為計(jì)算網(wǎng)格長(zhǎng)度，計(jì)算中設(shè)定為1m，

H_sea為海水深度，m，

ΔT_p(i)⁽ⁿ⁾、ΔT_a(i)⁽ⁿ⁾分別為鉆柱中、環(huán)空中計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的溫度變化，K，

ρ_p(i)、ρ_a(i)分別為鉆柱中、環(huán)空中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的混合流體密度，kg/m³，

v_p(i)、v_a(i)分別為鉆柱中、環(huán)空中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的混合流體流速，m/s，

c_p(i)、c_a(i)分別為鉆柱中、環(huán)空中井筒中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的混合流體比熱容，J/(kg·K)，

D_pi、D_po、D_ri、D_ci分別為鉆柱內(nèi)徑、鉆柱外徑、隔水管內(nèi)徑、套管內(nèi)徑，m，

Q_ap(i)為環(huán)空與鉆柱內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流體間熱交換，W，

Q_wa(i)、Q_sa(i)分別為海水與環(huán)空內(nèi)、地層與環(huán)空內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流體間熱交換，W，

Q_fp(i)、Q_fa(i)分別為鉆柱中和環(huán)空中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量，W，

Q_h(i)為環(huán)空中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處水合物分解吸收的熱量，W；

環(huán)空與鉆柱內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流體間熱交換Q_ap(i)計(jì)算如下：

海水與環(huán)空內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流體間的熱交換Q_wa(i)計(jì)算如下：

地層與環(huán)空內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流體間的熱交換Q_sa(i)計(jì)算如下：

鉆柱中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量Q_fp(i)計(jì)算如下：

環(huán)空中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處流動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量Q_fa(i)計(jì)算如下：

環(huán)空中計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處水合物分解吸收的熱量Q_h(i)計(jì)算如下：

式中：

T_w(i)⁽ⁿ⁾、T_s(i)⁽ⁿ⁾分別為計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的海水溫度、地層溫度，K，

D_ro、D_co、D_cso、D_csi分別為隔水管外徑、套管外徑、水泥環(huán)外徑、水泥環(huán)內(nèi)徑，m，

α_f1(i)、α_f2(i)、α_f3(i)分別為鉆柱內(nèi)表面、隔水管內(nèi)表面、套管內(nèi)表面上計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的受迫對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m²·K)，

α_m1(i)、α_m2(i)分別為鉆柱外表面、隔水管外表面上計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的外繞面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m²·K)，

λ_p(i)、λ_r(i)、λ_c(i)、λ_cs(i)、λ_s(i)分別為鉆柱、隔水管、套管、水泥環(huán)、地層在計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，

U_sa(i)為環(huán)空中流體與地層在計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的綜合換熱系數(shù)，W/(m²·K)，

T_D為瞬態(tài)傳熱函數(shù)，無(wú)因次，

v_p(i)、v_a(i)分別為鉆柱中、環(huán)空中混合流體在計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的流速，m/s，

m_p(i)、m_a(i)分別為鉆柱中、環(huán)空中混合流體在計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處的質(zhì)量流量，kg/s，

D_ao為環(huán)空外徑，計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于泥線以上井段即為隔水管內(nèi)徑D_ri，位于泥線以下井段即為套管內(nèi)徑D_ci，m，

Z_geq為節(jié)點(diǎn)處環(huán)空中溫度、壓力條件下的天然氣壓縮因子，無(wú)因次，

R為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)，

p_eq(i)⁽ⁿ⁾為計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處天然氣水合物相平衡壓力，Pa；

(4)井口處即i＝0時(shí)，鉆柱中井口處的流體溫度即計(jì)算時(shí)刻的鉆井液注入溫度T_p(0)⁽ⁿ⁾為已知參數(shù)，環(huán)空中井口處的流體溫度T_a(0)⁽ⁿ⁾即從環(huán)空中返出流體的溫度是未知參數(shù)，假設(shè)T_a(0)⁽ⁿ⁾的值；

(5)按照鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)自井口至井底的順序，根據(jù)節(jié)點(diǎn)i處鉆柱中流體溫度T_p(i)⁽ⁿ⁾和環(huán)空中流體溫度T_a(i)⁽ⁿ⁾，計(jì)算下一節(jié)點(diǎn)i+1處的井筒溫度：

式中：T_p(i)⁽ⁿ⁾、T_a(i)⁽ⁿ⁾分別為計(jì)算節(jié)點(diǎn)i處鉆柱中、環(huán)空中流體溫度，K，

T_p(i+1)⁽ⁿ⁾、T_a(i+1)⁽ⁿ⁾分別為計(jì)算節(jié)點(diǎn)i+1處鉆柱中、環(huán)空中流體溫度，K，

自井口迭代計(jì)算直至井底節(jié)點(diǎn)k處，得到鉆柱中井底處的流體溫度T_p(k)⁽ⁿ⁾和環(huán)空中井底處的流體溫度T_a(k)⁽ⁿ⁾；

(6)如果滿足下式：

式中：T_p(k)⁽ⁿ⁾為鉆柱中井底處的流體溫度，K，

T_a(k)⁽ⁿ⁾為環(huán)空中井底處的流體溫度，K，

γ為井底處流體溫度計(jì)算誤差，

通過(guò)步驟(5)迭代計(jì)算所得所有節(jié)點(diǎn)處鉆柱中、環(huán)空中流體溫度即為海洋天然氣水合物層鉆井井筒溫度場(chǎng)。