技术领域
[0001] 本
发明实施例涉及钻井测量技术，尤其涉及一种温度场预测方法及装置。
背景技术
[0002] 在钻井过程中，井底以及井周
地层温度的预测是不可以忽视的影响因素。随钻的井底温度影响着
钻井液流变性，从而改变钻井过程中的压耗；在深井超深井中，影响
钻头性能；影响着井底泥浆
密度，在深井超深井中，由于井底和井口的温度相差很大，故导致从井口测得到泥浆密度不能够反映出井底泥浆的真实情况；在某些具有较高
地温梯度的地层中，泥浆受井筒温度的影响导致膨胀或收缩，进而导致不可预料的井下事故，如井涌、漏失等情况。井周温度的改变影响到固井工艺技术，单柱
套管位置顶部和底部的
水泥浆要同时应对不同位置的温度情况。而且对于温度的预测，要知道
水泥浆在此温度条件需要多长时间可以达到要求的应
力强度。
[0003] 目前唯一获取井底温度场的方法是PWD
测井工具，但是，随着深井超深井的逐渐增多，该PWD测量工具具有很大局限性，其无法在高温高压的环境下使用。另外，很多学者国内外学者基于
传热学基本理论对井底以及井周地层温度进行预测。但其预测方法仍然以定性分析为主，所使用的方法是有限元法和
解析法，该方法对计算机性能要求非常高、耗时耗力，最为关键的是预测
精度上不准确，达不到工程上的要求。目前国内外尚没有就该问题的解决方案。
发明内容
[0004] 为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种温度场预测方法及装置，能够在PWD无法使用的情况下，快速、准确地预测井筒温度场数据，保障施工的安全、节省钻井成本并提高钻井施工效率。
[0005] 为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种温度场预测方法，该方法包括：
[0006] 获取钻井作业参数；
[0007] 根据所述钻井作业参数和
温度计算模型以有限差分法计算不同钻井位置处的温度场数据；
[0008] 根据该不同钻井位置处的温度场数据绘制温度场分布示意图。
[0009] 可选地，钻井作业参数包括：基本参数、施工参数、井身结构参数、钻具组合参数、泥浆配方参数、热物理参数以及地层参数。
[0010] 可选地，该温度场数据包括：在当前钻井位置处钻井液在
钻杆处的温度、钻井液在环空处的温度以及当前钻井位置的井壁温度；
[0011] 温度计算模型包括：
[0013]
[0014] 环空处能量守恒模型：
[0015]
[0016] 井壁能量守恒模型：
[0017]
[0018] 其中， cp_mp、ρP分别代表钻杆处单位时间内流经单位面积的钻井液
质量、
比热容以及钻井液密度；rpi和rpo分别代表钻杆的钻杆内径和外径；Tp、Ta分别代表钻井液在钻杆处和环空处的温度； cp_ma、ρa分别代表环空处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比
热容以及钻井液密度；rw代表井眼半径；Tw代表井壁的温度；Uap代表钻杆和环空之间的热转换系数；kf代表热传递系数；Tf代表地层温度；CP_f代表地层比热容。
[0019] 可选地，有限差分法包括：
[0020] 以向前空间和向后时间
迭代的方式计算钻井液在钻杆处的温度；
[0021] 以向前空间和向前时间的迭代方式计算钻井液在环空处的温度；以及，[0022] 以向前时间的迭代方式计算井壁温度。
[0023] 可选地，迭代计算的初始条件包括：静止状态下将要实施钻井作业处的地层温度；地表温度、地温梯度以及井深；
[0024] 其中，Ti、j＝Tsurf+Gtz；Tsurf为地表温度，Gt为地温梯度,z为井深；Ti、j代表在径向i和深度j方向上的地层温度。
[0025] 可选地，迭代计算的结束条件包括：
[0026] 钻井液在管柱最末端的温度等同于钻井液在环空部分最底部的温度。
[0027] 为了达到上述目的，本发明实施例还提出了一种温度场预测装置，该装置包括：获取模
块、计算模块和绘
制模块；
[0028] 获取模块，用于获取钻井作业参数；
[0029] 计算模块，用于根据所述钻井作业参数和温度计算模型以有限差分法计算不同钻井位置处的温度场数据；
[0030] 绘制模块，用于根据不同钻井位置处的温度场数据绘制温度场分布示意图。
[0031] 可选地，钻井作业参数包括：基本参数、施工参数、井身结构参数、钻具组合参数、泥浆配方参数、热物理参数以及地层参数。
[0032] 可选地，温度场数据包括：在当前钻井位置处钻井液在钻杆处的温度、钻井液在环空处的温度以及当前钻井位置的井壁温度；
[0033] 温度计算模型包括：
[0034] 钻杆处能量守恒模型：
[0035]
[0036] 环空处能量守恒模型：
[0037]
[0038] 井壁能量守恒模型：
[0039]
[0040] 其中， cp_mp、ρP分别代表钻杆处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比热容以及钻井液密度；rpi和rpo分别代表钻杆的钻杆内径和外径；Tp、Ta分别代表钻井液在所述钻杆处和环空处的温度； cp_ma、ρa分别代表环空处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比热容以及钻井液密度；rw代表井眼半径；Tw代表井壁的温度；Uap代表钻杆和环空之间的热转换系数；kf代表热传递系数；Tf代表地层温度；CP_f代表地层比热容。
[0041] 可选地，有限差分法包括：
[0042] 以向前空间和向后时间迭代的方式计算钻井液在钻杆处的温度；
[0043] 以向前空间和向前时间的迭代方式计算钻井液在环空处的温度；以及，[0044] 以向前时间的迭代方式计算井壁温度。
[0045] 可选地，迭代计算的初始条件包括：静止状态下的地层温度、地表温度、地温梯度以及井深；
[0046] 其中，Ti、j＝Tsurf+Gtz；Tsurf为地表温度，Gt为地温梯度,z为井深；Ti、j代表在径向i和深度j方向上的地层温度。
[0047] 可选地，迭代计算的结束条件包括：
[0048] 钻井液在管柱最末端的温度等同于钻井液在环空部分最底部的温度。
[0049] 与当前技术相比，本发明实施例包括：获取钻井作业参数；根据所述钻井作业参数和温度计算模型以有限差分法计算不同钻井位置处的温度场数据；根据该不同钻井位置处的温度场数据绘制温度场分布示意图。通过本发明实施例的方案，能够在PWD无法使用的情况下，基于当前的钻井作业参数以及预设的温度计算模型以有限差分法快速、准确地预测井筒温度场数据，保障了施工的安全、节省了钻井成本并提高了钻井施工效率。
附图说明
[0050] 下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明实施例的进一步理解，与
说明书一起用于解释本发明实施例，并不构成对本发明实施例保护范围的限制。
[0051] 图1为本发明实施例的温度场预测方法
流程图；
[0052] 图2为本发明实施例的温度场分布示意图；
[0053] 图3为本发明实施例的温度场预测装置组成
框图。
具体实施方式
[0054] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。
[0055] 为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种温度场预测方法，如图1所示，该方法包括步骤S101-S103：
[0056] S101、获取钻井作业参数。
[0057] 在本发明实施例中，可选地，该钻井作业参数可以包括：基本参数、施工参数、井身结构参数、钻具组合参数、泥浆配方参数、井眼轨迹参数、热物理参数以及地层参数。这些参数可以通过与钻井现场的施工设备通信获得。
[0058] 其中，该基本参数包括：当前状态为静止过程或钻进过程；
[0059] 施工参数是指施工过程中，设备的工作参数，包括：
泵压、
排量以及ROP(ROP rate of penetration机械钻速)等；
[0060] 井身结构参数包括：当前所下套管的层次及相应尺寸、井眼尺寸、套管内径、外径等；
[0061] 钻具组合参数用以描述当前钻杆、
钻铤以及钻头等的属性参数，包括：钻杆内径、外径等；
[0062] 泥浆配方参数用以描述当前钻进过程中所用泥浆体系的关键参数，包括：流变性、密度等；
[0063] 井眼轨迹参数用以描述井的轨迹信息，包括：井斜
角、方位角、狗腿度等；
[0064] 热物理参数用以描述所有影响温度场实体(如泥浆、套管、地层)的热物理属性，包括：三者的热传导系数、比热容等；
[0065] 地层参数用以描述地层的地温梯度以及岩性等。
[0066] S102、根据所述钻井作业参数和温度计算模型以有限差分法计算不同钻井位置处的温度场数据。
[0067] 在本发明实施例中，获取上述所有钻井作业参数之后，便可以将该钻井作业参数作为输入参数传输到温度场计算
模拟器中，利用有限差分法进行大规模的动态计算模拟。
[0068] 可选地，该温度场数据包括：在当前钻井位置处钻井液在钻杆处的温度、钻井液在环空处的温度以及当前钻井位置的井壁温度。
[0069] 温度计算模型包括：
[0070] 钻杆处能量守恒模型：
[0071]
[0072] 其中， cp_mp、ρP分别代表钻杆处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比热容以及钻井液密度；rpi和rpo分别代表钻杆的钻杆内径和外径；Tp、Ta分别代表钻井液在钻杆处和环空处的温度；Uap代表钻杆和环空之间的热转换系数。
[0073] 在本发明实施例中，随着钻井液流入钻杆，它首先要从环空处吸收热量，这样就导致钻井液的温度升高，根据能量守恒定理，可以得到等式(1)所示的钻杆处能量守恒模型。
[0074] 其中，钻杆和环空之间总的热转换系数Uap可以通过等式(2)得到。
[0075]
[0076] hp和ha分别代表钻杆和环空之间的
对流传热系数，rpi代表钻杆半径，ksteel代表钻杆
钢级传热系数。
[0077] 在本发明实施例中，对流传热系数h可以通过Nusselt数(简称Nu)来确定，如下式(3)所示：
[0078]
[0079] 其中，D代表长度，例如钻杆内经(Dhole-Dpipe代表环空尺寸)；对于
层流来说，Nusselt为常数，对于紊流来说，Nusselt数可以通过下式(4)计算得到：
[0080] Nu＝0.023NRe0.8NPr0.3 (4)
[0081] 其中，Prandtl数(NPr)和Reynolds数(NRe)为无量纲数，可以通过(5)和(6)式得到：
[0082]
[0083]
[0084] 其中，μm是钻井液表观
粘度系数，cP_m是泥浆比热容，右式常数为单位制转换系数。
[0085] 在本发明实施例中，温度计算模型还包括：
[0086] 环空处能量守恒模型：
[0087]
[0088] 其中，rpo代表钻杆的钻杆内径和外径；Ta代表钻井液在环空处的温度； cp_ma、ρa分别代表环空处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比热容以及钻井液密度；rw代表井眼半径；Tw代表井壁的温度；Uap代表钻杆和环空之间的热转换系数。
[0089] 在本发明实施例中，钻井液密度的大小受岩屑产生量的影响，在实际钻井过程中，ROP要远大于0，所以岩屑产生量可以通过(8)式来计算：
[0090]
[0091] 其中，φ和Dbit分别代表岩层的孔隙度以及钻头直径。
[0092] 在本发明实施例中，环空处泥浆(即钻井液)返出量和注入量并不相等，换句话说，在钻井过程中，泥浆密度(钻井液密度)是随着岩屑的不断产生而变化着的，所以环空处泥浆密度(钻井液密度)可以由(9)式进行计算：
[0093]
[0094] 其中，ρf代表地层
岩石密度，Qa为环空位置的真实泥浆排量，它可以监测泥浆是否漏失或溢流。环空流速可以通过排量与泥浆返出因子的乘积来得到。泥浆返出因子表示所
注入井底的泥浆流入环空的比例。比如，泥浆的返出因子小于1，则表示有漏失的情况发生，如果其大于1，则有溢流的情况发生。环空处单位时间内流经单位面积的钻井液质量可以由(10)式得到:
[0095]
[0096] 同理，返出泥浆(即钻井液)的比热容可以由(11)式进行修正得到:
[0097]
[0098] 其中，CP_f代表地层比热容。
[0099] 在本发明实施例中，温度计算模型还包括：
[0100] 井壁能量守恒模型：
[0101]
[0102] 其中，kf代表热传递系数，Tf代表地层温度。在地层中，径向热传导是主要的传热方式，所以，可以忽略在纵向的沿着井眼轨迹的热传导，因为主要的温度梯度是在径向，因此，我们可以得到(13)式:
[0103]
[0104] 其中，af代表地层的热扩散系数，af＝kf/(CP_fρf)。
[0105] 在本发明实施例中，对于海上钻井来说，考虑到海床的因素，等式(7)和等式(12)可以
修改为(14)式:
[0106]
[0107] 其中，rRi和rRo分别代表隔水管的内径和外径；TRi代表隔水管内的环空温度；
[0108] UWR代表隔水管外部的总体热传热系数。
[0109] 在本发明实施例中，隔水管外部的总体热传热系数UWR可以由(15)式得到:
[0110]
[0111] 其中，kRiser代表隔水管热传导系数。
[0112] 在本发明实施例中，同样考虑到海床，式(12)也进行了修正。这里隔水管的内径代替了地层井壁的概念，因此，由式(12)可以修改为式(16)式:
[0113]
[0114] 其中，TRo代表隔水管外径部分的温度；CP_WR和ρR分别代表隔水管比热容和隔水管平均密度。
[0115] 在本发明实施例中，假设在隔水管和
海水之间传热导是
稳定性的，则隔水管外径的温度可以通过(17)式确定：
[0116] 2πrRoUWR(TRi-TRo)＝2πrRoh∞(TRo-T∞) (17)
[0117] 其中，h∞和T∞分别代表海水传热系数和对于某一深度位置海水温度，(17)式中的TRo可以由(18)式得到:
[0118]
[0119] 其中，kD无量纲参数，定义为式(19):
[0120]
[0121] 在本发明实施例中，基于上述的温度计算模型以及前述的钻井作业参数，便可以以有限差分法计算出不同钻井位置处的温度场数据。在上述温度计算模型中，基于井深数据以及沿着径向方向，井壁和地层可以分别用二维的网格系统代替，其可以包含8个径向元素和变化元素。沿井壁默认的网格尺寸可以是100-ft。与此同时，5个径向元素累加的步长可以为1.5-ft。假设井壁和地层的热交换不会改变温度场的外边界。
[0122] 可选地，有限差分法可以包括：
[0123] 以向前空间和向后时间迭代的方式计算钻井液在钻杆处的温度；
[0124] 以向前空间和向前时间的迭代方式计算钻井液在环空处的温度；以及，[0125] 以向前时间的迭代方式计算井壁温度。
[0126] 在本发明实施例中，可以采用上述的迭代方式分别将上一个钻井作业位置处的迭代结果数据作为下一个钻井作业位置处的迭代条件依次迭代，获取每个钻井位置处钻井液在钻杆处的温度、钻井液在环空处的温度以及每个钻井位置的井壁温度。
[0127] 在本发明实施例中，在通过迭代方式计算上述的各个温度值之前，需要先确定迭代计算最初的初始条件。
[0128] 可选地，迭代计算的初始条件包括：静止状态下将要实施钻井作业处的地层温度；地表温度、地温梯度以及井深；
[0129] Ti、j＝Tsurf+Gtz (20)
[0130] 其中，Tsurf代表地表温度，Gt代表地温梯度,z为井深；Ti、j代表在径向i和深度j方向上的地层温度。
[0131] 在本发明实施例中，在近海地区，可以以一个关联式来描述海水沿着深度的变化情况。一种比API-RP13D更为准确的描述海水温度场的数学模型如(21)式所示：
[0132]
[0133] 其中，Tsurf_sea代表海水表面的温度乘以0.338，z代表海水的深度，结果有：
[0134] f(z)＝1+e-0.016z+1.244 (22)
[0135] 在本发明实施例中，总的来说，对于近海海床以上部分的初始温度场可以通过式(21)和式(22)来计算。对于海床以下部分的温度场的计算，在式(20)中Tsurf可以由所计算的海床温度来代替。
[0136] 在本发明实施例中，假设地层和周围环境下没有热交换，则有(23)式：
[0137]
[0138] 在本发明实施例中，如果径向的步长足够大的话，那么我们可以假设在径向外部的边界条件仍然保持的初始温度，可以表示为(24)式:
[0139]
[0140] 上标代表着时间步长，管柱内泥浆的入口温度Tmud可由式(25)来给出：
[0141]
[0142] 在本发明实施例中，通过前述模型获得迭代的初始条件以后，还需要获取迭代的边界条件，即结束条件。为了确保在井底部分温度场的连续性，井底边界条件可以为(26)式所示：
[0143]
[0144] 上式(26)代表着泥浆在管柱最末端的温度等同于泥浆在环空部分最底部的温度。
[0145] 另外，在本发明实施例中，选择合适的时间步长是确保数值稳定性和收敛性关键因素。时间步长是基于井眼几何形状和空间步长选择。利用时间步长和one-way wave等式可以满足这一点，如式(27)所示:
[0146]
[0147] 其中，dt代表所选择的时间步长。
[0148] 在本发明实施例中，因为井眼尺寸和泥浆的密度是随着井深变化的，所以，该收敛准则也是需要对不同深度的进行校验的。
[0149] S103、根据该不同钻井位置处的温度场数据绘制温度场分布示意图。
[0150] 在本发明实施例中，通过上述步骤计算出不同钻井位置处的温度场数据以后，便可以以横坐标为温度值，纵坐标为井壁深度值，绘制出钻井作业中的温度场分布示意图，如图2实施例所示。
[0151] 为了达到上述目的，本发明实施例还提出了一种温度场预测装置1，如图3所示，需要说明的是，上述的方法实施例中的任何实施例均适用于本发明实施例的装置实施例中，在此不再赘述。该装置包括：获取模块11、计算模块12和绘制模块13；
[0152] 获取模块11，用于获取钻井作业参数；
[0153] 计算模块12，用于根据所述钻井作业参数和温度计算模型以有限差分法计算不同钻井位置处的温度场数据；
[0154] 绘制模块13，用于根据不同钻井位置处的温度场数据绘制温度场分布示意图。
[0155] 可选地，钻井作业参数包括：基本参数、施工参数、井身结构参数、钻具组合参数、泥浆配方参数、热物理参数以及地层参数。
[0156] 可选地，温度场数据包括：在当前钻井位置处钻井液在钻杆处的温度、钻井液在环空处的温度以及当前钻井位置的井壁温度；
[0157] 温度计算模型包括：
[0158] 钻杆处能量守恒模型：
[0159]
[0160] 环空处能量守恒模型：
[0161]
[0162] 井壁能量守恒模型：
[0163]
[0164] 其中， cp_mp、ρP分别代表钻杆处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比热容以及钻井液密度；rpi和rpo分别代表钻杆的钻杆内径和外径；Tp、Ta分别代表钻井液在所述钻杆处和环空处的温度； cp_ma、ρa分别代表环空处单位时间内流经单位面积的钻井液质量、比热容以及钻井液密度；rw代表井眼半径；Tw代表井壁的温度；Uap代表钻杆和环空之间的热转换系数；kf代表热传递系数；Tf代表地层温度；CP_f代表地层比热容。
[0165] 可选地，有限差分法包括：
[0166] 以向前空间和向后时间迭代的方式计算钻井液在钻杆处的温度；
[0167] 以向前空间和向前时间的迭代方式计算钻井液在环空处的温度；以及，[0168] 以向前时间的迭代方式计算井壁温度。
[0169] 可选地，迭代计算的初始条件包括：静止状态下的地层温度、地表温度、地温梯度以及井深；
[0170] 其中，Ti、j＝Tsurf+Gtz；Tsurf为地表温度，Gt为地温梯度,z为井深；Ti、j代表在径向i和深度j方向上的地层温度。
[0171] 可选地，迭代计算的结束条件包括：
[0172] 钻井液在管柱最末端的温度等同于钻井液在环空部分最底部的温度。
[0173] 与
现有技术相比，本发明实施例包括：获取钻井作业参数；根据所述钻井作业参数和温度计算模型以有限差分法计算不同钻井位置处的温度场数据；根据该不同钻井位置处的温度场数据绘制温度场分布示意图。通过本发明实施例的方案，能够在PWD无法使用的情况下，基于当前的钻井作业参数以及预设的温度计算模型以迭代的方式快速、准确地预测井筒温度场数据，保障了施工的安全、节省了钻井成本并提高了钻井施工效率。
[0174] 需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。
