[發明專利]一種高溫頁巖氣長水平井鉆井控溫系統及方法

在審

• 申請號: 202210019085.2
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114687688A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 馮明;楊恒林;王元;付利;郭凱杰;陳剛
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團有限公司;中國石油集團工程技術研究院有限公司
• 主分類號: E21B21/08
• 分類號: E21B21/08;E21B21/00;E21B47/00;E21B47/07;G06F30/20;G06Q50/02
• 代理公司: 北京頤合中鴻律師事務所 11819
• 代理人: 劉巧月

1.一種高溫頁巖氣長水平井鉆井控溫系統，其特征在于，其包括鉆具組合(114)、地面降溫裝置(118)、泥漿泵(110)、固控設備(103)、頂驅(113)和固控設備(103)，所述鉆具組合(114)置于井眼(116)中，與井眼(116)形成環空；從鉆井喇叭口(101)返出的鉆井液沿高架槽(102)進入固控設備(103)，脫除部分固相含量后經過固控設備(103)下部錐形罐(104)的流道進入錐形罐(104)，錐形罐(104)與立式換熱器(107)通過閥門(105)、離心泵(106)、管線(117)連接，鉆井液經閥門(105)、離心泵(106)、管線(117)進入立式換熱器(107)，經過一級降溫冷卻后，得到的低溫鉆井液返回上水泥漿罐(109)，經由管線(117)，鉆井液進入泥漿泵(110)，經由立管(111)進入軟管(112)，再經頂驅(113)進入鉆具組合(114)，鉆井液循環到井底后由井眼(116)經由鉆井喇叭口(101)進行再次循環，重復上述過程，所述地面降溫裝置(118)由閥門(105)、離心泵(106)、立式換熱器(107)、冷水塔(108)、管線(117)構成。

2.根據權利要求1所述的高溫頁巖氣長水平井鉆井控溫系統，其特征在于，系統參數為：泥漿泵(110)、排量30L/S、鉆具組合(114)轉速80RPM、鉆具組合(114)扭矩10KNm，鉆具組合(114)采用139.7mm+127mm復合，鉆井液密度2.1g/cm³，鉆井液在鉆具組合(114)處入井溫度為30℃。

3.一種高溫頁巖氣長水平井鉆井控溫方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、獲取井的垂深、斜深、井眼軌跡、機械轉速、排量、鉆井液密度、鉆井液流變參數、鉆井液熱物理參數、地溫梯度、地層熱物理參數、井身結構參數；

步驟2、預測井底鉆井液最高循環溫度超過135℃井應配備地面降溫設備；

步驟3、下鉆過程中采用分段循環模式，下鉆至靜止溫度達到125℃井段時，井眼須進行15分鐘以上的循環，后續下鉆作業中每下鉆5個立柱循環一次，每次循環時間在15分鐘以上，當下鉆至循環后溫度仍高于125℃井段時，后續井段連續開泵下鉆到底；

步驟4、下鉆至水平段前，井隊應確保泥漿泵(103)及地面管線(117)處于隨時可用狀態，地面降溫裝置(118)服務方應確保地面降溫裝置(118)在高溫下鉆循環過程中同步連續使用；

步驟5、水平段鉆進時當井底循環溫度超過135℃時且達到鉆具組合(114)旋導工具預警溫度，應當將鉆具在一個立柱范圍內，控制頂驅轉速采用鉆進排量進行循環降溫，待溫度穩定降低至135℃或滿足旋導工具要求時方能恢復鉆進；

步驟6、接立柱時晚停泵早開泵，以盡量減少停泵時間，接立柱后先開泵至鉆進排量再轉動頂驅，嚴禁在停泵時旋轉鉆具，當遇到維修沖管或者其它維護作業時，施工隊伍應建立井下連續循環，持續降低井下溫度；

步驟7、再通過以下公式分別計算鉆具組合(114)內的鉆井液循環溫度、環空內的鉆井液循環溫度以及入井鉆井液溫度；

鉆具組合(114)內溫度控制方程如下：

鉆具組合(114)內鉆井液傳熱模型：

鉆具組合(114)壁傳熱模型：

環空內鉆井液傳熱模型

地層、固井水泥環、套管傳熱模型

式中，Q_p為鉆具組合(114)內摩阻產生的熱量，W/m；ρ為鉆具組合(114)內鉆井液密度，kg/m³；q為鉆井液的體積流量，m³/s；C_p為鉆井液比熱容，J/(kg·℃)；T_p為鉆具組合(114)內鉆井液溫度，℃；T_w為鉆具組合(114)壁溫，℃；T_a為環空內鉆井液溫度，℃；T_f為近井壁地層溫度，℃；T為地層、固井水泥環、套管溫度，℃；z為深度，m；r_p為鉆具組合(114)內半徑，m；r_a為鉆具組合(114)外半徑，m；r_o為井眼(116)半徑，m；r為距井眼116中心的徑向距離，m；h_p為鉆具組合(114)內壁面的對流換熱系數，W/(m²·℃)；h_a為井眼(116)環空內對流換熱系數，W/(m²·℃)；t為時間，s；

步驟8、再根據上述得到鉆具組合(114)內的鉆井液循環溫度、井眼(116)環空內的鉆井液循環溫度后對鉆井液密度、鉆井參數中的鉆具組合(114)轉速、泥漿泵(110)排量、鉆具組合(114)進行優化得到后續鉆井液井底循環溫度，返出鉆井喇叭口(101)的鉆井液繼續參與下一階段的循環降溫。

4.根據權利要求3所述的高溫頁巖氣長水平井鉆井控溫方法，其特征在于，步驟3中，泥漿泵(110)采用鉆進排量進行循環。