[发明专利]一种对高温钻井液进行井下持续降温的循环系统及方法

权利要求书

1.一种对高温钻井液进行井下持续降温的方法，其特征在于，该方法采用的循环系统包括冷却水储存罐(1)、冷却水注入泵(2)、若干个U型管、液氮降温罐(5)、螺旋管(6)、冷却水返回泵(7)和返回管线(8)，所述U型管固定在外层套管、内层套管之间固井水泥未封固的间隙中，且两端分别与冷却水注入泵(2)的输出端、螺旋管(6)连通，所述螺旋管(6)置于所述液氮降温罐(5)内，所述冷却水返回泵(7)的输入、输出端分别与螺旋管(6)、返回管线(8)连通，所述返回管线(8)的一端置于所述冷却水储存罐(1)内，所述冷却水注入泵(2)的输入端通过管线与所述冷却水储存罐(1)连通，所述U型管包括与冷却水注入泵(2)的输出端连通的冷却水保温管(3)、与螺旋管(6)连通的冷却水携热管(4)；

其具体包括以下步骤：

A、获取目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数和热力参数；

B、将U型管下放到外层套管、内层套管之间固井水泥未封固的间隙中；

C、同时打开冷却水注入泵(2)和冷却水返回泵(7)，使冷却水从井口流向井底，冷却水再沿着冷却水携热管(4)上返，其会通过强迫对流换热和热传导的作用不断地从环空内的高温钻井液中吸收热量，从而实现环空内高温钻井液的井下持续循环降温；

D、再通过以下公式分别计算钻柱内的循环温度、环空内的循环温度以及冷却水携热管内的循环温度；

钻柱内温度控制方程：

钻柱内温度控制方程的离散式：

环空内温度控制方程：

环空内温度控制方程的离散式：

冷却水携热管温度控制方程：

冷却水携热管温度控制方程的离散式：

式中：ρ_m、ρ_w表示钻井液、冷却水的密度，kg/m³；c_m、c_w表示钻井液、冷却水的比热容，J/(kg·℃)；A_pipe、A_ann、A_c分别表示钻柱、环空、冷却水携热管的横截面积，m²；ν_pipe、ν_ann、ν_c分别表示钻柱、环空、冷却水携热管内的流体流速，m/s；T_pf、T_ann、T_c表分别表示钻柱、环空、冷却水携热管内的流体循环温度，℃；R_pi、R_po、R_ci、R_co分别表示钻柱的内半径、钻柱的外半径、冷却水携热管的内半径、冷却水携热管的外半径，m；h_pi、h_po、h_ci、h_co分别表示钻柱内流体与钻柱内壁、环空内流体与钻柱外壁、冷却水携热管内流体与冷却水携热管内壁、冷却水携热管内流体与井壁的对流换热系数，W/(m·℃)；K_pipe、K_c表示钻柱和冷却水携热管的导热系数，W/(m·℃)；A₁、B₁、C₁分别表示钻柱内温度控制方程内的常数项；A₂、B₂、C₂、D₂分别表示环空内温度控制方程内的常数项；A₃、B₃、C₃、D₃分别表示冷却水携热管温度控制方程的常数项；

E、再根据步骤D计算得到的 钻柱内的循环温度、环空内的循环温度以及冷却水携热管内的循环温度对冷却水注入泵(2)和冷却水返回泵(7)的泵速进行调节；

F、携带着热量的冷却水流入螺旋管(6)内，在液氮降温罐(5)内进行降温；

G、降温后的冷却水会通过冷却水返回泵(7)泵入返回管线(8)，并重新注入到冷却水储存罐(1)内，继续参与下一阶段的循环降温。