半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法
阅读：707发布：2020-07-04
专利汇可以提供半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种半潜式平台瞬态钻井井筒 温度 计算方法，包括以下步骤：1)应用初始条件 海 水 区所有 节点 的初始温度为对应深度处 海水 温度； 地层 区所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度；2)根据 钻井液 总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间，每一时间步的 温度计 算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件， 迭代 计算，直至收敛。同时提供了实现该方法的 模拟器 ，本发明所述的模拟器是基于离散格式表示的二维全瞬态数学模型，并采用隐式的有限差分法进行求解，提高了计算的 精度 。，下面是半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法专利的具体信息内容。
1.一种半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)应用初始条件
海水区所有节点的初始温度为对应深度处海水温度；地层区所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度；
2)根据钻井液总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间，每一时间步的温度计算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件，迭代计算，直至收敛。
2.根据权利要求1所述的半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法，其特征在于，所述步骤2)的温度场计算步骤如下：
A用二维数组Node记录上一时间步结束时的温度数据；
B将节点温度数据复制一份保存至二维数组NodeNew中；
C收敛状态记为“假”；
D以Node中的数据作为初始值按照钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空、井筒界面、隔水管、地层的顺序按列依次计算各传热对象内所有节点的新时间步的温度数据，每一列节点的每个节点计算结束时都要比较新计算出的节点温度与NodeNew中保存的温度数据的差值，并记录在变量TDiff二维数组中，然后将新计算出的温度数据存入二维数组NodeNew中；
E找出数组TDiff中的最大值，若该值很小，则认为该时间步温度计算达到收敛，结束该时间步的迭代，将NodeNew中的温度数据复制到Node数组中，进入下一时间步；否则，重复步骤D直至收敛。
3.一种实现权利要求1所述方法的WHTSubmersible模拟器，其特征在于，包括以下19个模块：
DataInput函数是WHTSubmersible程序的数据输入函数，完成模拟井所有数据的输入；
TPField函数是WHTSubmersible程序的总功能模块，完成深水井筒温度场计算及数据存储功能；
GridGeneration函数根据模拟井的井身结构、钻具结构、海水深度对温度场求解域进行轴向和径向网格划分，存储网格节点的轴向和径向几何信息及介质信息；
TOriginGeneration函数根据海水和地层的垂直温度分布数据插值产生节点轴向深度处的原始温度；模拟器有两种方式建立原始温度剖面：根据海水和地层的温度分布关系式；根据实测海水和地层温度数据建立温度剖面，海洋油井海水段存在温跃层，地温也存在多个梯度；
Ini函数对求解域内网格节点变量应用初始条件，赋初值；
TInDrillStem函数、TDrillStem函数、TAnnu函数、TInterface函数、TRiser函数和TFormation函数分别用于计算钻柱内钻井液、钻柱管体、环空钻井液、环空外壁处、隔水管和地层内所有节点的温度；
HPipe函数、HAnnu函数、HAcross函数的功能分别是计算管流、环空流与内外壁两个的、液体横掠圆管的强迫对流换热系数；
ViscTM函数用于计算节点温度条件下钻井液的表观粘度；
Kbound函数可用于计算轴向或径向相邻节点控制体界面处的介质热导；
TriDiag函数用来求解具有三对角矩阵形式的代数方程组。
半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法
技术领域
背景技术
[0002] 半潜式钻井平台钻进作业时井筒的温度，特别是处于低温高压构造时，准确预测钻井液、水泥浆、以及井筒周围地层的温度对合理的钻井液设计至关重要。 [0003] 目前，国内外学者对井筒传热问题的研究主要集中在陆地井筒，即井筒内传热和地层传热问题。井筒换热研究成果主要有稳态模型和瞬态模型。全瞬态法原始模型由Raymond(1969)提出，其后，Keller(1973)在换热模型中加入了钻井液摩阻和机械能损失引起的内热源，Gary R.Wooley(1980)将全瞬态法应用于热流体注入和采油作业，David W.Marshall and Ramon G.Bentsen(1982)提出了采用直接接技术求解离散方程组进行全瞬态井筒与地层换热研究，B.Corre等(1984)进行了考虑井深随换热时间不断变化的全瞬态井筒温度分布研究，Beirute(1991)开发了用于估算循环和关井情况下温度计算的模拟器，Garcia(1998a)开发了一种热采数值模拟程序。
[0004] 半潜式平台钻井作业期间，钻井液不断循环，井筒不断加深，海水段井筒通过隔水管与海水换热，海水对钻井液的持续冷却和入口温度的持续改变，导致半潜式平台独特的瞬态井筒温度场。而现有温度场模拟器通常假设入口温度不变，尤其是没有描述海水段井筒换热，也没有考虑温度对钻井液热物性的影响，不能用于模拟半潜式平台钻井循环温度场。
发明内容
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法。基于海洋钻井液循环瞬态换热特征，采用全隐式有限体积法离散格式，耦合多换热区域，考虑钻井热源，开发了WHTSubmersible模拟器，并结合现场数据验证了模拟器的有效性。
[0006] 其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 1)应用初始条件
[0008] 海水区所有节点的初始温度为对应深度处海水温度；地层区所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度；
[0009] 2)根据钻井液总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间， 每一时间步的温度计算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件，迭代计算，直至收敛。
[0010] 进一步优选，所述步骤2)的温度场计算步骤如下：
[0011] A用二维数组Node记录上一时间步结束时的温度数据；
[0012] B将节点温度数据复制一份保存至二维数组NodeNew中；
[0013] C收敛状态记为“假”；
[0014] D以Node中的数据作为初始值按照钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空、井筒界面、隔水管、地层的顺序按列依次计算各传热对象内所有节点的新时间步的温度数据，每一列节点的每个节点计算结束时都要比较新计算出的节点温度与NodeNew中保存的温度数据的差值，并记录在变量TDiff二维数组中，然后将新计算出的温度数据存入二维数组NodeNew中；
[0015] E找出数组TDiff中的最大值，若该值很小，则认为该时间步温度计算达到收敛，结束该时间步的迭代，将NodeNew中的温度数据复制到Node数组中，进入下一时间步；否则，重复步骤D直至收敛。
[0016] 一种本发明所述方法的WHTSubmersible模拟器，包括以下19个模块： [0017] DataInput函数是WHTSubmersible程序的数据输入函数，完成模拟井所有数据的输入；
[0018] TPField函数是WHTSubmersible程序的总功能模块，完成深水井筒温度场计算及数据存储功能；
[0019] GridGeneration函数根据模拟井的井身结构、钻具结构、海水深度对温度场求解域进行轴向和径向网格划分，存储网格节点的轴向和径向几何信息及介质信息； [0020] TOriginGeneration函数根据海水和地层的垂直温度分布数据插值产生节点轴向深度处的原始温度；模拟器有两种方式建立原始温度剖面：根据海水和地层的温度分布关系式；根据实测海水和地层温度数据建立温度剖面。海洋油井海水段存在温跃层，地温也存在多个梯度。
[0021] Ini函数对求解域内网格节点变量应用初始条件，赋初值；
[0022] TInDrillStem函数、TDrillStem函数、TAnnu函数、TInterface函数、TRiser函数和TFormation函数分别用于计算钻柱内钻井液、钻柱管体、环空钻井液、环空外壁处、隔水管绝热层内和地层内所有节点的温度；
[0023] ThermalPhysics函数。该模块根据节点处钻井液的温度和压力计算节点处钻井液密度、钻井液表观粘度、钻井液比热、钻井液热导率和高温高压密度； [0024] HeatGeneration函数。该模块考虑钻井液摩阻压降生热、钻头破岩摩擦生热、钻柱与井 壁摩擦生热计算钻柱内和环空这两个换热区域的内热源；
[0025] HPipe函数、HAnnu函数、HAcross函数的功能分别是计算管流、环空流与内外壁两个的、液体横掠圆管的强迫对流换热系数；
[0026] ViscTM函数用于计算节点温度条件下钻井液的表观粘度；
[0027] Kbound函数可用于计算轴向或径向相邻节点控制体界面处的介质热导； [0028] TriDiag函数用来求解具有三对角矩阵形式的代数方程组。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] (1)本发明所述的模拟器是基于离散格式表示的二维全瞬态数学模型，并采用隐式的有限差分法进行求解，提高了计算的精度；
[0031] (2)本发明的技术方案对每个传热对象按照有限体积法沿轴向和径向进行网格划分，确定了程序的求解过程，并介绍了模拟器相关模块的功能；
[0032] (3)本发明中的模拟器WHTSubmersible不仅可以用于海洋半潜式平台钻井循环温度计算，也可以用来计算陆地井筒温度场，并校核温度场；而且模拟器的动态链接库技术可以将其与其他计算软件相结合，这样在一定程度上提高了模拟器的实用性、准确性和高效性；
[0034] 图1为半潜式钻井平台作业时的物理模型图；
[0035] 图2为钻柱内和钻柱管体轴向网格划分图；
[0036] 图3为地层内径向网格划分图；
[0037] 图4为本发明方法计算流程图；
[0038] 图5为本发明模拟器的模块结构图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图具体实施方式对本发明的方法作进一步详细地说明。 [0040] 半潜式钻井平台作业时的物理模型如图1所示，钻柱内流体区。钻井流体在地面流入钻柱内，沿钻柱向下一直到井底；钻柱管体区；钻柱与井壁之间的环空区。钻井流体从井底进入环空，向上流动，直至地面；井壁区；地层区；隔水管区；
[0041] 物理模型的分析说明循环流程可以看作一个热交换系统。在这个过程中，流体沿钻柱流下，再由环空返出。
[0042] 将井筒传热区域看作轴对称二维求解域，任意节点由两个序号标记(i，j)，j为轴向序 号，自井口向井底节点轴向序号递增，井口节点轴向序号为0；i为节点径向序号，自井筒轴线向地层或隔水管方向递增，钻柱内钻井液径向节点序号为0。
[0043] 轴向网格划分时，依据井身结构和钻具结构进行轴向分段，每一段内涉及到的所有传热对象的几何尺寸只有一种。然后自上至下对每一段再根据段长进行轴向网格划分，网格节点轴向坐标位于轴向控制区域中心。轴向划分结束后，从上至下对每一段进行径向网格划分。钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空三个传热对象内各分配一个径向节点，径向序号分别为0、1、2，节点径向坐标位于传热对象中心，环空外径处布置一个径向节点，径向序号为4，对环空外传热区域则根据每一段的套管层次情况增加相应的径向节点，直至进入地层，进入地层后，径向节点间距逐步增大，直至布置到径向坐标超过50米。 [0044] 海水段径向节点布置。半潜式平台作业时，环空钻井液通过隔水管与海水进行对流换热，环空节点与海水之间只有隔水管中心一个节点的控制体。
[0045] 依据半潜式平台钻井井筒换热机理，将换热对象分为：钻柱内钻井液、钻柱、环空钻井液、隔水管、地层(含套管及之间的水泥环)、界面(包括井壁与地层、井筒和海水)。 [0046] 1钻柱内换热模型：
[0047] 钻柱内(#1区)轴向节点和网格划分如图2所示，节点位于网格中心，温度控制方程如下：
[0048]
[0049] 式中： A2，j＝2πr1，jw1ΔzjΔt；A1，j-1＝m1c1，j-1/2Δt； [0050]
[0051] 上述方程中，Tj-1代表U界面处温度，用Tj代表D界面处温度。初始条件和边界条件为：
[0052] 初始条件：
[0053] 边界条件： (TE为钻井液入口温度，等于上一时刻环空钻井液出口温度 )；
[0054]
[0055] 2钻柱管体换热模型：
[0056]
[0057] 式中：
[0058]
[0059]
[0060] 上述方程中，U界面： D界面： (1)式的边界条件依然适用。
[0061] 3环空换热模型：
[0062]
[0063] 式中： C3，j+1＝m3c3，j+1/2Δt；C2，j＝2πw2，jr2，jΔZjΔt；
[0064] C4，j＝2πw3，jr3，jΔZjΔt；
[0065] 上述方程中，用Tj代表U界面处温度，用Tj+1代表D界面处温度。 [0066] 4隔水管换热模型：
[0067]
[0068] 式 中 ：
[0069]
[0070] 海 水 段 隔 水 管 绝 热 层 与 海 水 界 面
[0071] 5地层换热模型：
[0072] 地层内节点(i，j)及控制体如图3所示。其与上下节点的控制体界面为U和D，与内外节点的控制体界面为W和E。采用交替方向法计算地层内节点温度，离散格式温度控制方程如下：
[0073] (1)Z方向隐式，r方向显式
[0074]
[0075] 式中：
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] (2)r方向隐式，Z方向显式
[0083]
[0084] 式中：
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091] 上 述 离 散 方 程 中，W 界 面 处： E 界 面 处：
[0092] 地层段井壁界面处节点(i＝4)：
[0093] 6界面传热模型
[0094] 界面主要包括海水段井筒与海水交界面(即隔水管绝热层与海水交界面)和井筒与地层交界面。主要的模块即：井壁与地层界面换热模块TInterface和隔水管绝热层内节点温度模块Tins。
[0095] 海水段井壁界面处节点(i＝4)：
[0096] 海水段环空入口段井壁界面处节点(i＝4)：
[0097] 隔水管外海底节点(i，Jb)：
[0098] 隔水管内海底节点(i，Jb)：
[0099] 7钻井液热物性计算
[0100] 根据节点处钻井液的温度和压力计算节点处钻井液密度、钻井液表观粘度、钻井液比热、钻井液热导率。采用Karstad模型计算钻井液的高温高压密度： [0101] ρm＝ρm0eΓ(P，T)
[0102] Γ(P，T)＝γP(P-P0)+γPP(P-P0)2+ (3)
[0103] γT(T-T0)+γTT(T-T0)2+γPT(P-P0)(T-T0)
[0104] 公式中γp、γpp、γT、γTT和γpT为拟合系数。
[0105] 钻井液比热和热导率预测模型如下：
[0106] cp(o，T)＝c0+cco+cTT
[0107] k(o，T)＝k0-kco+kTT
[0108] 式中c0、cc、cT为钻井液定压比热拟合参数，k0、kc、kT为热导率拟合参数。 [0109] 8热源计算
[0110] 模拟器考虑钻井液摩阻压降生热、钻头破岩摩擦生热、钻柱与井壁摩擦生热计算钻柱内和环空这两个换热区域的内热源。
[0111] 摩阻压降生热：
[0112] 钻头破岩生热：
[0113] 钻柱与井壁摩擦生热：
[0114] 网格划分结束后，按照下述步骤求解海洋半潜式平台钻井井筒循环温度场。 [0115] 1)应用初始条件
[0116] 海水区(泥线以上)所有节点的初始温度为对应深度处海水温度；地层区(泥线以下)所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度。
[0117] 2)根据钻井液总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间，每一时间步的温度计算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件，迭代计算，直至收敛。每一时间步的温度场计算步骤如下：
[0118] A用二维数组Node记录上一时间步结束时的温度数据；
[0119] B将节点温度数据复制一份保存至二维数组NodeNew中；
[0120] C收敛状态记为“假”；
[0121] D以Node中的数据作为初始值按照钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空、井筒界面、隔水管、地层的顺序按列依次计算各传热对象内所有节点的新时间步的温度数据，每一列节点的每个节点计算结束时都要比较新计算出的节点温度与NodeNew中保存的温度数据的差值，并记录在变量TDiff二维数组中，然后将新计算出的温度数据存入二维数组NodeNew中。
[0122] E找出数组TDiff中的最大值，若该值很小，则认为该时间步温度计算达到收敛，结束该时间步的迭代，将NodeNew中的温度数据复制到Node数组中，进入下一时间步；否则，重复步骤D直至收敛。计算流程如图4所示。
[0123] 模拟器动态链接库的入口函数为WHTSumbersible(char FileInput，char FileCir，char FileMonitor。其中FileInput为温度场分析输入的数据文件名，FileCir为温度场分析结果输出文件名，模拟器将温度场分析结果存储到FileCir指定的文本文件中，FileMonitor为钻井液循环期间监视位置处不同时刻的温度数据文件名。 [0124] 数据输入：模拟器从FileInput指定的文件读入基础数据，数据文件组织见表1。 [0125] 表1输入文件数据结构
[0126]
[0127]
[0128] 模拟器根据输入数据计算分析结束后，将井筒内与近井地层区域的节点深度和温度场数据输出到FileCir指定的文本文件中，将监视位置的温度变化数据输出到FileMonitor指定的文件中。温度场输出文件数据结构见表2，监视位置温度输出文件数据结构见表3。
[0129] 表2温度场文件数据结构
[0130]
[0131] 表3监视位置数据文件结构
[0132]
[0134] WHTSubmersible模拟器由19个主要功能模块组成，模块结构如图5所示，各模块功能如下。
[0135] DataInput函数是WHT程序的数据输入函数，完成模拟井所有数据的输入； [0136] TPField函数是WHT程序的总功能模块，完成深水井筒温度场计算及数据存储功能；
[0137] GridGeneration函数根据模拟井的井身结构、钻具结构、海水深度对温度场求解域进行轴向和径向网格划分，存储网格节点的轴向和径向几何信息及介质信息； [0138] TOriginGeneration函数根据海水和地层的垂直温度分布数据插值产生节点轴向深度处的原始温度；模拟器有两种方式建立原始温度剖面：根据海水和地层的温度分布关系式；根据实测海水和地层温度数据建立温度剖面。海洋油井海水段存在温跃层，地温也存在多个梯度。
[0139] Ini函数对求解域内网格节点变量应用初始条件，赋初值；
[0140] TInDrillStem函数、TDrillStem函数、TAnnu函数、TInterface函数、TRiser函数和TFormation函数分别用于计算钻柱内钻井液、钻柱管体、环空钻井液、环空外壁处、隔水管绝热层内和地层内所有节点的温度；
[0141] ThermalPhysics函数。该模块根据节点处钻井液的温度和压力计算节点处钻井液密度、钻井液表观粘度、钻井液比热、钻井液热导率和高温高压密度； [0142] HeatGeneration函数。该模块考虑钻井液摩阻压降生热、钻头破岩摩擦生热、钻柱与井壁摩擦生热计算钻柱内和环空这两个换热区域的内热源；
[0143] HPipe函数、HAnnu函数、HAcross函数的功能分别是计算管流、环空流与内外壁两个的、液体横掠圆管的强迫对流换热系数；
[0144] ViscTM函数用于计算节点温度条件下钻井液的表观粘度；
[0145] Kbound函数可用于计算轴向或径向相邻节点控制体界面处的介质热导； [0146] TriDiag函数用来求解具有三对角矩阵形式的代数方程组。
[0147] 采用Visual C++动态链接库技术开发半潜式平台循环温度场计算模拟器。 [0148] 有效性分析
[0149] 现场数据如下：水深63m，海面温度为28℃，排量为30l/s，钻井液密度为1.80g/cm3，定压比热为2.00kJ/kg/K，热导率为，钻具组合为：8-3/8″PDC钻头+12根6-1/2″钻铤+15根5″加重钻杆+5″钻杆，井身结构见表4，地温分三段描述：泥线至1500m、1500m至2100m和2100m至3000m，地温梯度依次为4.82℃/100m、2.41℃/100m和4.43℃/100m。 [0150] 表4井身结构
[0151]
[0152] 利用该模拟器计算了南海某半潜式平台井筒温度，计算结果与实际结果基本吻合(理论 值与实测值对比见表5)，误差不超过5％。
[0153] 表5理论与实测出口温度对比
[0154]
[0155] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
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