[发明专利]一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法

权利要求书

1.一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，依次包括以下步骤：

(1)根据钻井设计和储层参数，获取海洋天然气水合物层钻井参数和初始条件，钻井参数包括：井身结构、钻具组合、泵入参数、海水深度、海水温度、地层温度、储层中水合物丰度、机械钻速、井深，初始条件包括：计算时刻的钻井液注入温度T_p(0)⁽ⁿ⁾、环空井口压力p_a(0)⁽ⁿ⁾；

(2)进行空间节点划分，空间域为整个井筒，自井口至井底，节点轴向序号从0开始依次递增，井口处的节点序号为0，井筒中任一计算节点序号用i表示，下一计算节点序号用i+1表示，井底处节点序号为k；

(3)建立海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算模型，计算网格内的温度变化表达式如下：

钻柱中：

环空中：

泥线以上井段，

泥线以下井段，

式中：i为计算节点，

n为计算时刻，

Δh为计算网格长度，计算中设定为1m，

H_sea为海水深度，m，

ΔT_p(i)⁽ⁿ⁾、ΔT_a(i)⁽ⁿ⁾分别为钻柱中、环空中计算网格内的温度变化，K，

ρ_p(i)、ρ_a(i)分别为钻柱中、环空中计算节点i处的混合流体密度，kg/m³，

v_p(i)、v_a(i)分别为钻柱中、环空中计算节点i处的混合流体流速，m/s，

c_p(i)、c_a(i)分别为钻柱中、环空中井筒中计算节点i处的混合流体比热容，J/(kg·K)，

D_pi、D_po、D_ri、D_ci分别为钻柱内径、钻柱外径、隔水管内径、套管内径，m，

Q_ap(i)为环空与钻柱内计算节点i处流体间热交换，W，

Q_wa(i)、Q_sa(i)分别为海水与环空内、地层与环空内计算节点i处流体间热交换，W，

Q_fp(i)、Q_fa(i)分别为钻柱中和环空中计算节点i处流动摩擦产生的热量，W，

Q_h(i)为环空中计算节点i处水合物分解吸收的热量，W；

环空与钻柱内计算节点i处流体间热交换Q_ap(i)计算如下：

海水与环空内计算节点i处流体间的热交换Q_wa(i)计算如下：

地层与环空内计算节点i处流体间的热交换Q_sa(i)计算如下：

钻柱中计算节点i处流动摩擦产生的热量Q_fp(i)计算如下：

环空中计算节点i处流动摩擦产生的热量Q_fa(i)计算如下：

环空中计算节点i处水合物分解吸收的热量Q_h(i)计算如下：

式中：

T_w(i)⁽ⁿ⁾、T_s(i)⁽ⁿ⁾分别为计算节点i处的海水温度、地层温度，K，

D_ro、D_co、D_cso、D_csi分别为隔水管外径、套管外径、水泥环外径、水泥环内径，m，

α_f1(i)、α_f2(i)、α_f3(i)分别为钻柱内表面、隔水管内表面、套管内表面上计算节点i处的受迫对流换热系数，W/(m²·K)，

α_m1(i)、α_m2(i)分别为钻柱外表面、隔水管外表面上计算节点i处的外绕面对流换热系数，W/(m²·K)，

λ_p(i)、λ_r(i)、λ_c(i)、λ_cs(i)、λ_s(i)分别为钻柱、隔水管、套管、水泥环、地层在计算节点i处的导热系数，W/(m·K)，

U_sa(i)为环空中流体与地层在计算节点i处的综合换热系数，W/(m²·K)，

T_D为瞬态传热函数，无因次，

v_p(i)、v_a(i)分别为钻柱中、环空中混合流体在计算节点i处的流速，m/s，

m_p(i)、m_a(i)分别为钻柱中、环空中混合流体在计算节点i处的质量流量，kg/s，

D_ao为环空外径，计算节点位于泥线以上井段即为隔水管内径D_ri，位于泥线以下井段即为套管内径D_ci，m，

Z_geq为节点处环空中温度、压力条件下的天然气压缩因子，无因次，

R为通用气体常数，J/(mol·K)，

p_eq(i)⁽ⁿ⁾为计算节点i处天然气水合物相平衡压力，Pa；

(4)井口处即i＝0时，钻柱中井口处的流体温度即计算时刻的钻井液注入温度T_p(0)⁽ⁿ⁾为已知参数，环空中井口处的流体温度T_a(0)⁽ⁿ⁾即从环空中返出流体的温度是未知参数，假设T_a(0)⁽ⁿ⁾的值；

(5)按照钻柱内和环空内的节点同时自井口至井底的顺序，根据节点i处钻柱中流体温度T_p(i)⁽ⁿ⁾和环空中流体温度T_a(i)⁽ⁿ⁾，计算下一节点i+1处的井筒温度：

式中：T_p(i)⁽ⁿ⁾、T_a(i)⁽ⁿ⁾分别为计算节点i处钻柱中、环空中流体温度，K，

T_p(i+1)⁽ⁿ⁾、T_a(i+1)⁽ⁿ⁾分别为计算节点i+1处钻柱中、环空中流体温度，K，

自井口迭代计算直至井底节点k处，得到钻柱中井底处的流体温度T_p(k)⁽ⁿ⁾和环空中井底处的流体温度T_a(k)⁽ⁿ⁾；

(6)如果满足下式：

式中：T_p(k)⁽ⁿ⁾为钻柱中井底处的流体温度，K，

T_a(k)⁽ⁿ⁾为环空中井底处的流体温度，K，

γ为井底处流体温度计算误差，

通过步骤(5)迭代计算所得所有节点处钻柱中、环空中流体温度即为海洋天然气水合物层钻井井筒温度场。