[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

摘要

本发明公开了一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，包括：（1）获取海洋天然气水合物层钻井参数和初始条件；（2）进行空间节点划分；（3）建立海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算模型；（4）钻柱中井口处的流体温度即为计算时刻的钻井液注入温度Tp(0)(n)，环空中井口处的流体温度Ta(0)(n)即为从环空中返出流体的温度，假设Ta(0)(n)的值；（5）根据节点i处钻柱中流体温度Tp(i)(n)和环空中流体温度Ta(i)(n)，计算下一节点i+1处的井筒温度，得到钻柱中井底处的流体温度Tp(k)(n)和环空中井底处的流体温度Ta(k)(n)；（6）检验是否满足计算误差。本发明原理可靠，便于操作，能够为判断海洋天然气水合物层稳定状态、钻井液流变性、计算井筒流动参数，进而保障海洋钻井施工安全提供理论依据。

主权项

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Tp(0)(n)、环空井口压力pa(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：ΔTp(i)(n)=-4ρp(i)vp(i)cp(i)πDpi2·(Qap(i)+Qfp(i))]]>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，Hsea为海水深度，m，ΔTp(i)(n)、ΔTa(i)(n)分别为钻柱中、环空中计算网格内的温度变化，K，ρp(i)、ρa(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，vp(i)、va(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，cp(i)、ca(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)，Dpi、Dpo、Dri、Dci分别为钻柱内径、钻柱外径、隔水管内径、套管内径，m，Qap(i)为环空与钻柱内计算节点i处流体间热交换，W，Qwa(i)、Qsa(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，Qfp(i)、Qfa(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，Qh(i)为环空中计算节点i处水合物分解吸收的热量，W；(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Tp(0)(n)为已知参数，环空中井口处的流体温度Ta(0)(n)即从环空中返出流体的温度是未知参数，假设Ta(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Tp(i)(n)和环空中流体温度Ta(i)(n)，计算下一节点i+1处的井筒温度：Tp(i+1)(n)=Tp(i)(n)+ΔTp(i)(n)]]>Ta(i+1)(n)=Ta(i)(n)+ΔTa(i)(n)]]>式中：Tp(i)(n)、Ta(i)(n)分别为计算节点i处钻柱中、环空中流体温度，K，Tp(i+1)(n)、Ta(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Tp(k)(n)和环空中井底处的流体温度Ta(k)(n)；(6)如果满足下式：|Tp(k)(n)-Ta(k)(n)|<γ]]>式中：Tp(k)(n)为钻柱中井底处的流体温度，K，Ta(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。