[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

本發明提供了一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法及系統，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出的傳輸特性；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；根據離散和求解的結果確定鉆井液循環換熱的控制參數；在考慮材料相變的情況下，為了實現井筒溫度的準確預測與控制，根據井筒鉆井液的流動和傳熱特性，建立了計算井筒溫度分布的物理模型。采用熱力學關聯和有限體積積分法建立了離散方程，利用現場數據進行了理論計算，利用相變材料來控制井底溫度。

技術領域

本發明屬于深水油氣井鉆探技術領域，具體涉及一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

目前的井筒內傳熱和地層傳熱問題研究方法有兩大類：半瞬態法和全瞬態法。半瞬態法認為井筒內鉆井液傳熱速率遠大于地層內巖石的傳熱速率，故井筒內傳熱過程相對于地層傳熱，可視為穩態傳熱過程，地層內則為瞬態傳熱過程。Ramey模型提出之后被廣泛應用于研究石油行業和地熱采掘行業中的單向注入及流體循環過程發生的換熱問題。由于Ramey模型假設井筒為無限長線熱源，忽略了井筒的半徑，導致該模型在預測早期井筒與地層溫度分布時存在較大誤差。

全瞬態方法將井筒內換熱和地層內換熱均視為瞬態過程，主要應用于研究鉆井作業中鉆井液循環引起的井筒與地層換熱問題。該方法將換熱對象一般分為鉆柱內鉆井液、鉆柱、鉆柱外環空鉆井液、井筒與地層交界面、不同套管層內水泥環、地層等，對每一種換熱對象根據主要的換熱機理分別建立相應的用溫度表示的能量守恒方程(溫度控制方程)，對每一種換熱對象沿井筒軸線方向進行網格劃分。全瞬態法求解井筒和地層內溫度分布需要對換熱時間按時間步長分割，對每一個時間步都需要從內到外直至地層無窮遠處，逐列求解節點處溫度控制方程，反復迭代直至每一個時間步長內每一個換熱對象的溫度控制方程都得到收斂解。但該方法應用時要求在地層中進行網格劃分，較適合于直井，對斜井、大位移井和水平井應用該方法非常困難。這些計算方法都沒有考慮材料相變，無法解決針對地面降溫方法存在設備投入大、能耗高和冷卻介質消耗大等問題。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法及系統，本發明在考慮材料相變的情況下，為了實現井筒溫度的準確預測與控制，根據井筒鉆井液的流動和傳熱特性，建立了計算井筒溫度分布的物理模型。采用熱力學關聯和有限體積積分法建立了離散方程，利用現場數據進行了理論計算。

根據一些實施例，本發明的第一方案提供了一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法采用如下技術方案：

一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制方法，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出的傳輸特性；

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；

根據離散和求解的結果確定鉆井液循環換熱的控制參數。

根據一些實施例，本發明的第二方案提供了一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制系統，采用如下技術方案：

一種考慮材料相變的鉆井液循環換熱控制系統，包括：

節點劃分模塊，被配置為對井筒傳熱物理模型進行節點劃分；

材料傳輸特性確定模塊，被配置為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出的傳輸特性；

控制方程建立與求解模塊，被配置為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；