[發明專利]一種對高溫鉆井液進行井下持續降溫的循環系統及方法

有效

• 申請號: 202010800147.4
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111927394B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 張杰;李鑫;趙在鵬;杜肖瀟;漆琪;王瑤;李榮鑫;劉旭
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B36/00
• 分類號: E21B36/00
• 代理公司: 北京中索知識產權代理有限公司 11640
• 代理人: 唐亭

1.一種對高溫鉆井液進行井下持續降溫的方法，其特征在于，該方法采用的循環系統包括冷卻水儲存罐(1)、冷卻水注入泵(2)、若干個U型管、液氮降溫罐(5)、螺旋管(6)、冷卻水返回泵(7)和返回管線(8)，所述U型管固定在外層套管、內層套管之間固井水泥未封固的間隙中，且兩端分別與冷卻水注入泵(2)的輸出端、螺旋管(6)連通，所述螺旋管(6)置于所述液氮降溫罐(5)內，所述冷卻水返回泵(7)的輸入、輸出端分別與螺旋管(6)、返回管線(8)連通，所述返回管線(8)的一端置于所述冷卻水儲存罐(1)內，所述冷卻水注入泵(2)的輸入端通過管線與所述冷卻水儲存罐(1)連通，所述U型管包括與冷卻水注入泵(2)的輸出端連通的冷卻水保溫管(3)、與螺旋管(6)連通的冷卻水攜熱管(4)；

其具體包括以下步驟：

A、獲取目標井的作業參數、環境參數、井身結構參數和熱力參數；

B、將U型管下放到外層套管、內層套管之間固井水泥未封固的間隙中；

C、同時打開冷卻水注入泵(2)和冷卻水返回泵(7)，使冷卻水從井口流向井底，冷卻水再沿著冷卻水攜熱管(4)上返，其會通過強迫對流換熱和熱傳導的作用不斷地從環空內的高溫鉆井液中吸收熱量，從而實現環空內高溫鉆井液的井下持續循環降溫；

D、再通過以下公式分別計算鉆柱內的循環溫度、環空內的循環溫度以及冷卻水攜熱管內的循環溫度；

鉆柱內溫度控制方程：

鉆柱內溫度控制方程的離散式：

環空內溫度控制方程：

環空內溫度控制方程的離散式：

冷卻水攜熱管溫度控制方程：

冷卻水攜熱管溫度控制方程的離散式：

式中：ρ_m、ρ_w表示鉆井液、冷卻水的密度，kg/m³；c_m、c_w表示鉆井液、冷卻水的比熱容，J/(kg·℃)；A_pipe、A_ann、A_c分別表示鉆柱、環空、冷卻水攜熱管的橫截面積，m²；ν_pipe、ν_ann、ν_c分別表示鉆柱、環空、冷卻水攜熱管內的流體流速，m/s；T_pf、T_ann、T_c表分別表示鉆柱、環空、冷卻水攜熱管內的流體循環溫度，℃；R_pi、R_po、R_ci、R_co分別表示鉆柱的內半徑、鉆柱的外半徑、冷卻水攜熱管的內半徑、冷卻水攜熱管的外半徑，m；h_pi、h_po、h_ci、h_co分別表示鉆柱內流體與鉆柱內壁、環空內流體與鉆柱外壁、冷卻水攜熱管內流體與冷卻水攜熱管內壁、冷卻水攜熱管內流體與井壁的對流換熱系數，W/(m·℃)；K_pipe、K_c表示鉆柱和冷卻水攜熱管的導熱系數，W/(m·℃)；A₁、B₁、C₁分別表示鉆柱內溫度控制方程內的常數項；A₂、B₂、C₂、D₂分別表示環空內溫度控制方程內的常數項；A₃、B₃、C₃、D₃分別表示冷卻水攜熱管溫度控制方程的常數項；

E、再根據步驟D計算得到的 鉆柱內的循環溫度、環空內的循環溫度以及冷卻水攜熱管內的循環溫度對冷卻水注入泵(2)和冷卻水返回泵(7)的泵速進行調節；

F、攜帶著熱量的冷卻水流入螺旋管(6)內，在液氮降溫罐(5)內進行降溫；

G、降溫后的冷卻水會通過冷卻水返回泵(7)泵入返回管線(8)，并重新注入到冷卻水儲存罐(1)內，繼續參與下一階段的循環降溫。