深水钻井井筒热效应研究

发布时间：2020-05-22 05:57

【摘要】：当今陆地石油储量逐渐减小,海洋油气勘探已成为目前研究的重点对象。深水钻井是深水油气资源开发非常重要的环节,随着水深不断增加,深水钻井的作业难度也不断加大。其中影响深水钻井的一个关键因素就是温度,在深水钻井过程中井筒温度场变化复杂,因此精准预测深水环境下井筒温度场对防止井下事故尤为重要。本文首先通过能量守恒定律、传热学理论结合深水条件的相关特点建立深水钻井井筒非稳态传热模型,采用全隐式差分的方法对模型进行离散,最后用高斯-赛德尔迭代求解,对影响温度场的相关参数进行敏感性分析,应用MATLAB编制出计算深水钻井井筒温度场程序。其次,为防止深水钻井过程中井壁坍塌、破裂等问题,需要预测井壁坍塌压力与破裂压力,以往对于井壁稳定性的研究没有考虑温度变化产生的热应力对井壁的影响,而热应力的影响是不可忽略的。因此需要通过建立井壁与地层温度场求解井壁与地层温度,从而结合热弹塑性理论计算不同循环时间下的井周应力,针对井底附加热应力对坍塌压力、破裂压力的影响,得出钻井液安全密度窗口。最后,通过岩石强度受温度影响的岩石力学实验,改变温度变化测量可钻性实验以及机械钻速研究温差对可钻性以及钻速的影响,宏观的确定温度对岩石强度的影响;再结合经验公式计算声波时差建立温差与弹性模量、泊松比之间的关系,从而从理论上确定温度的改变对地层参数的影响。将温度的改变对地层参数的影响考虑到井壁稳定性的研究,得出精确的钻井液安全密度窗口,为现场作业提供指导。
【图文】：

深水钻井,井筒,物理模型,钻井液

Ｆｉｇ３－１邋Ｗｅｌｌｂｏｒｅ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｄｅｅｐ邋ｗａｔｅｒ邋ｄｒｉｌｌｉｎｇ逡逑如图（３－１），，分别建立各区域的传热模型方程。逡逑在钻柱内的钻井液，取一微元控制体，主要发生的能量传递过程是钻井液上至下的对流换热；ｒ方向由环空内流体向钻杆外壁传递热量、钻杆外壁向钻杆壁传递热量、最后由钻杆内壁向钻杆内钻井液传递热量；微元体内钻井液形成热源。建立方程如下：逡逑Ｑｔ邋＝邋Ｕ－＾ｎｄ＾ｙＴａ｛ｚ，ｔ）邋－邋Ｔｐ（ｚ，ｔ）］＾ｚＡｔ逦（３－１在Ａｔ时间内，由于钻井液流动进入钻柱内的微元体热量变化为：逡逑＜？２⑵一＜？２0邋＋邋Ａｚ）邋＝邋Ｃｐ￡／爪［：ｒｐ（ｚ，0邋—邋＆0邋＋邋Ａｚ，0］Ａｔ逦（３—２在Ａｔ时间内，微元体内的钻井液流动和钻柱旋转等形成的内热源为：Ｑ３ＡｚＡ在Ｍ时间内，微元体内能总增量可表示为：？＾？ｃｐｐｐＡｚ｜７＞（ｚ，ｔ邋＋邋Ａｔ）－／ｒｐ0，ｔ）根据能量守恒定律可得，式（３－１）邋＋式（３－２）邋＋内热源＝微元体内能总增量，逡逑两边同时除以ＡｔＡｚ，微分代替差分，可以得到钻柱内能量微分方程：逡逑２

温度分布,井下温度

逦并ｆｆｉ径向西离（ｍ）逡逑图３－３井下温度分布逦图３－４近井壁岩石温度分布逡逑Ｆｉｇ３－３邋Ｄｏｗｎｈｏｌｅ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ逦Ｆｉｇ３－４邋Ｎｅａｒ邋ｂｏｒｅｈｏｌｅ邋ｒｏｃｋ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ逡逑图３－３是井筒内循环时间为１小时的钻柱内、环空、以及环境温度梯度的循环逡逑温度剖面。由图可知，对于海水井段，在海底泥线处上方一定距离为边界点，在逡逑此分界点以上，钻柱内温度逐渐降低，环空内温度也逐渐降低但幅度是先增大后逡逑平稳，原因受海水温度影响。在边界点以下，钻柱内和环空内的温度逐渐升高。逡逑在海底泥线处一下的地层井段，钻柱内的钻井液温度逐渐升高，钻井液流入井底逡逑■返向环空温度继续升高至温度最高点后降低。钻井液在井筒循环过程中的温度最逡逑大值不是出现在井底，而在是井底环空上方某一位置。这是由于钻井液从井底上逡逑返后，高温地层继续向钻井液传递热量所致。逡逑图３－４是图３－３的温度场图，从图３－３可以看出，在井口出入口温度２５°Ｃ进入逡逑钻柱后温度迅速降低
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE52

【参考文献】