[發明專利]一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法及系統

有效

• 申請號: 202210085470.7
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114482923B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 宋洵成;黃宏強;汪威;史玉才;許玉強;李辰
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B36/00
• 分類號: E21B36/00;E21B47/017
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

1.一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法，鉆井施工過程中，將一定量的相變材料添加到鉆井液中，隨鉆井液循環進入井筒，當鉆井液循環溫度達到相變溫度后，相變材料發生相態轉變，吸收大量的相變潛熱，將能量儲存在相變材料中，達到降低鉆井液循環溫度的目的；其特征在于，包括：

對井筒傳熱物理模型進行節點劃分；

根據降溫材料的質量傳輸關系和熔融特性確定降溫材料和鉆井液在控制體內的組成及控制體邊界處的傳輸特性；

建立考慮相變的井筒內不同區域的溫度控制方程并進行離散和求解，包括：

分別針對鉆柱內、鉆柱管體、鉆柱外環空、井壁以及地層五個區域進行建立溫度控制方程，具體為：

①鉆柱內鉆井液

無相變區，溫度為目標變量：

相變區，比熱為目標變量：

②鉆柱管體

③環空鉆井液

無相變區，溫度為目標變量：

相變區，比熱為目標變量：

④地層

⑤井壁與地層界面

其中，r₁為鉆桿內徑，r₂為鉆桿外徑，r₃為井筒半徑，為鉆柱內流體生熱量，為環空內流體生熱量，c_p1為鉆柱內相變材料熱容，c_p2為鉆柱熱容，c_p3為環空內相變材料熱容，c_pe為地層熱容，T₁鉆柱內流體溫度，T₂鉆柱溫度，T₃環空內流體溫度，T₄井壁溫度，T_c中部相變區溫度，T_e地層溫度，k₂鉆柱導熱系數，k_e地層導熱系數，w₁鉆柱內流體對流換熱系數，w₂鉆柱對流換熱系數，w₃環空內流體對流換熱系數，ρ₁鉆柱內流體密度，ρ₂鉆柱密度，ρ₃環空內流體密度，ρ_f地層巖石密度；r為距井筒軸向的徑向距離，t為循環時間，Z為深度；

所述針對鉆柱內、鉆柱管體、鉆柱外環空、井壁以及地層五個區域內的溫度控制方程進行離散求解，包括：

鉆柱內鉆井液，無相變區控制方程離散，具體為：

將鉆柱內循環流體控制方程對控制體積分，節點j的控制體與上下相鄰節點的控制體交界面分別為U和D，積分需要計算鉆柱內流體在界面U和D處的值，由于鉆柱內鉆井液沿Z軸方向流動，對流換熱強度遠大于徑向與鉆柱管體的換熱和傳導換熱，故用T_j-1代表U界面處溫度，用T_j代表D界面處溫度，得到鉆柱內循環流體的有限體積法離散方程：

Δt為計算時間間隔，A_i,1為流入鉆柱內i節點的熱量，A_i,2為流入鉆柱i節點的熱量，A_i-1,1為Δt流入鉆柱內i-1節點的熱量，初始鉆柱內i節點的熱量，為Δt后初始鉆柱內i節點的熱量，S_i,1為鉆柱內Δt內生熱量，T_i,1為鉆柱內i節點的流體溫度，T_i-1,1為鉆柱內i-1節點的流體溫度，T_i,2為i節點的鉆柱溫度；

鉆柱內鉆井液，相變區控制方程離散，具體為：

將鉆柱內循環流體控制方程對控制體積分，得到鉆柱內循環流體的有限體積法離散方程：

鉆柱管體控制方程離散，具體為：

對鉆柱管體溫度控制方程進行控制體體積積分，計算節點控制體上下界面處的鉆柱管體溫度梯度值，由于鉆柱管體內傳熱機理為熱傳導，按照線性分布假設溫度在節點間的變化，也就是在界面處的溫度梯度取相鄰節點的線性平均，將鉆柱管體溫度控制方程對控制體積分得離散方程；

環空循環流體控制方程離散，具體為：

環空節點j的控制體與上下相鄰節點的控制體交界面分別為U和D，將環空內循環流體控制方程對控制體積分時需要計算環空內流體在界面U和D處的值，由于環空內鉆井液沿Z軸相反方向流動，故用T_j代表U界面處溫度，用T_j+1代表D界面處溫度，得到如下：

①無相變區控制方程離散

環空內循環流體的有限體積法離散方程：

②相變區控制方程離散

環空內循環流體的有限體積法離散方程：

其中，C_i,3為傳導入鉆柱3號節點的熱量，T_i,3為鉆柱3號節點的溫度，C_i+1,3為傳導入環空3號節點的熱量，T_i+1,3為環空3號節點的溫度，C_i,2為傳導入鉆柱內流體2號節點的熱量，T_i,2為鉆柱2號節點的溫度，C_i,4為傳導入鉆桿內流體4號節點的熱量，T_i,4為鉆桿內流體4號節點的溫度，c_pi,3為環空內i節點相變材料熱容，c_pi+1,3為環空內i+1節點相變材料熱容；

根據離散和求解的結果確定鉆井液循環換熱的控制參數。