CN110927206B - 一种测试地层综合导热系数剖面的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试地层综合导热系数剖面的试验装置及方法,所述装置包括实验底座、流体池、循环泵、模拟循环管线、模拟钻杆、模拟地层、电加热套、温度传感器以及流量计,流体池和模拟地层均设置在实验底座上,所述模拟地层的外表面覆盖有电加热套,所述模拟地层的内部中空,模拟钻杆设置在模拟地层的中空部分位置,所述模拟钻杆的一端插入所述模拟地层的底部,所述模拟钻杆的另一端连接模拟循环管线的一端,模拟循环管线的另一端与流体池连通,循环泵设置在模拟循环管线上,流量计安装在模拟钻杆的上端部,温度传感器安装在模拟地层的下端部。本发明可快速的进行地层综合导热系数剖面的确定,进而提高井筒循环温度计算的便捷性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及石油工程钻井技术领域,特别涉及一种测试地层综合导热系数剖面的试验装置及方法。
背景技术
钻井过程中,井筒循环温度计算与确定十分关键,直接影响流体流动性能及井筒压力分布,固井过程中井筒循环温度还直接影响水泥浆的稠化时间,与固井安全密不可分。目前确定井筒循环温度主要有两种方法,一种是钻井过程中随钻测量,实时监测井筒循环温度,这种方法较为准确;另一种是基于理论模型或经验公式计算,由于地层自上而下密度、含水量、成分、岩性在不断变化,地层导热系数难以确定,导致理论计算与实测温度相比存在一定的偏差。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处,本发明的目的在于提供一种测试地层综合导热系数剖面的试验装置及方法,可快速地进行地层综合导热系数剖面的确定,进而提高井筒循环温度计算的便捷性和准确性。
为了达到上述目的,本发明采取了以下技术方案:
一种测试地层综合导热系数剖面的试验装置,包括实验底座、流体池、循环泵、模拟循环管线、模拟钻杆、模拟地层、电加热套、温度传感器以及流量计,所述流体池内填充有钻井液,所述流体池和模拟地层均设置在所述实验底座上,所述模拟地层的外表面覆盖有电加热套,所述模拟地层的内部中空,所述模拟钻杆设置在所述模拟地层的中空部分位置,所述模拟钻杆的一端插入所述模拟地层的底部,所述模拟钻杆的另一端连接模拟循环管线的一端,所述模拟循环管线的另一端与所述流体池连通,所述循环泵设置在所述模拟循环管线上,所述流量计安装在所述模拟钻杆的上端部,所述温度传感器安装在所述模拟地层的下端部。
一种测试地层综合导热系数剖面的方法,包括如下步骤:
搭建如上所述的测试地层综合导热系数剖面的试验装置,并获取装置参数;
启动循环泵将模拟地层和模拟钻杆形成的模拟井筒灌满后,用所述电加热套对模拟地层进行加热,并由所述温度传感器对所述模拟地层的底部进行温度监测;
当温度传感器监测到模拟地层的底部温度达到电加热套的预设温度时,启动循环泵并以循环排量Qn进行循环,记录时刻ti下温度传感器监测的温度Tcni,并获取不同循环排量及不同时刻下的多个井筒循环温度,其中n为钻井液循环排量标识,n为不小于1的自然数,i为循环时刻标识,i为不小于1的自然数;
预设模型井筒循环温度综合修正系数为1,并将装置参数代入井筒循环温度计算方程组中计算出循环排量Qn条件下某ti时刻井筒底部的循环温度Tsni;
计算出多个不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度综合修正系数λi后,计算多个井筒循环温度综合修正系数的平均值得到实际综合修正系数,并将实际综合修正系数代入井筒循环温度计算方程组中得到修正的井筒循环温度计算方程组;
根据修正的井筒循环温度计算方程组计算出实际钻井时钻头下至地层分层中的某层位底部时的地层综合导热系数。
相较于现有技术,本发明提供的测试地层综合导热系数剖面的试验装置及方法中,所述装置包括实验底座、流体池、循环泵、模拟循环管线、模拟钻杆、模拟地层、电加热套、温度传感器以及流量计,所述流体池内填充有钻井液,所述流体池和模拟地层均设置在所述实验底座上,所述模拟地层的外表面覆盖有电加热套,所述模拟地层的内部中空,模拟钻杆设置在模拟地层的中空部分位置,所述模拟钻杆的一端插入所述模拟地层的底部,所述模拟钻杆的另一端连接模拟循环管线的一端,所述模拟循环管线的另一端与所述流体池连通,所述循环泵设置在所述模拟循环管线上,所述流量计安装在所述模拟钻杆的上端部,所述温度传感器安装在所述模拟地层的下端部。本发明可快速的进行地层综合导热系数剖面的确定,进而提高井筒循环温度计算的便捷性和准确性。
附图说明
图1为本发明提供的测试地层综合导热系数剖面的试验装置的一较佳实施例的结构示意图;
图2为本发明提供的测试地层综合导热系数剖面的方法的一较佳实施例的流程图;
图3为本发明提供的测试地层综合导热系数剖面的方法中所述步骤S600的一较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种测试地层综合导热系数剖面的试验装置及方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,其为本发明提供的测试地层综合导热系数剖面的试验装置的一较佳实施例的结构示意图,所述试验装置包括实验底座1、流体池2、循环泵3、模拟循环管线4、模拟钻杆5、模拟地层6、电加热套7、温度传感器8以及流量计9,所述流体池2内填充有钻井液,所述流体池2和模拟地层6均设置在所述实验底座1上,所述模拟地层6的外表面覆盖有电加热套7,所述模拟地层6的内部中空,所述模拟钻杆5设置在所述模拟地层6的中空部分位置,所述模拟钻杆5的一端插入所述模拟地层6的底部,所述模拟钻杆5的另一端连接模拟循环管线4的一端,所述模拟循环管线4的另一端与所述流体池2连通,所述循环泵3设置在所述模拟循环管线4上,所述流量计9安装在所述模拟钻杆5的上端部,所述温度传感器8安装在所述模拟地层6的下端部。
具体来说,模拟钻杆5的外径rp可以有两种尺寸,分别为127mm、139.7mm,且所述模拟钻杆5的内径、比热、导热系数、钢材密度均已知;模拟地层6和模拟钻杆5形成的模拟井筒的尺寸rb为215.9mm、311.2mm、444.5mm等典型井眼尺寸,以模拟真实的井眼,模拟地层6的高度ΔL根据温度传感器8能有效识别井筒循环温度为标准进行设计,所述电加热套7的最高施加温度100℃,且保持时间不低于6h;所述模拟地层6为已知导热系数的人造地层,可更换,包括油田常见的地层类型,如砂岩、泥岩、灰岩等,其密度、导热系数、比热均已知;所述流体池2的体积至少为模拟井筒的容积的20倍,所述流体池2内灌有钻井液,或性能与钻井液性能相似的非牛顿流体,其密度、粘度、比热、导热系数、塑性粘度、动切力均已知。
请参阅图2,基于上述测试地层综合导热系数剖面的试验装置,本发明还提供一种测试地层综合导热系数剖面的方法,包括如下步骤:
S100、搭建测试地层综合导热系数剖面的试验装置,并获取装置参数。
本实施例中,所述试验装置为上述实施例所述的测试地层综合导热系数剖面的试验装置,所述装置参数在搭建所述测试地层综合导热系数剖面时即可获取,所述装置参数至少包括钻杆外径、钻杆内径、钻杆钢材比热、钻杆导热系数、钻杆钢材密度、地层高度、地层导热系数、地层原始温度、地层密度、地层导热系数、地层比热、钻井液密度、钻井液粘度、钻井液比热、钻井液导热系数、钻井液塑性粘度以及钻井液动切力。
S200、启动循环泵将模拟地层和模拟钻杆形成的模拟井筒灌满后,用所述电加热套对模拟地层进行加热,并由所述温度传感器对所述模拟地层的底部进行温度监测。
本实施例中,首先启动循环泵将模拟井筒内灌满流体,然后设置加热温度,运用电加热套对模拟地层进行加热,此时温度传感器持续对所述模拟地层的底部进行温度监测,监测的温度可直接通过读取温度传感器上的参数获取。
S300、当温度传感器监测到模拟地层的底部温度达到电加热套的预设温度时,启动循环泵并以循环排量Qn进行循环,记录时刻ti下温度传感器监测的温度Tcni,并获取不同循环排量及不同时刻下的多个井筒循环温度,其中n为钻井液循环排量标识,n为不小于1的自然数,i为循环时刻标识,i为不小于1的自然数。
本实施例中,当模拟地层的底部温度达到电加热套预设的温度时(如70℃),启动循环泵以排量Qn进行循环,并开始计时,记录每个时刻ti下温度传感器监测的温度Tcni,从而可以获取不同循环排量及不同时刻下的多个井筒循环温度,例如以排量Q1进行循环时,可以获取t1,t2,t3……ti时刻共i个井筒循环温度,以排量Q2进行循环时,可以获取t1,t2,t3……ti时刻共i个井筒循环温度,以此类推,可以获取i*n个不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度,从而为后续计算提供支持。
S400、预设模型井筒循环温度综合修正系数为1,并将装置参数代入井筒循环温度计算方程组中计算出循环排量Qn条件下某ti时刻井筒底部的循环温度Tsni。
本实施例中,所述井筒循环温度计算方程组为:
,其中,QC表示管内流体单位长度功率,QC的值等于管内单位长度压降与体积流量的乘积;Qa表示环空流体单位长度功率,Qa的值等于环空单位长度压降与体积流量的乘积。ρm表示钻井液密度;ρw表示钻杆钢材密度;q表示钻井液循环排量;Cm表示钻井液比热;Cw表示钻柱钢材比热;Tc表示钻杆内钻井液温度;Tw表示钻柱壁温度;Ta表示环空钻井液温度;Tf表示地层原始温度;kw表示钻杆导热系数;kf表示地层导热系数;rci表示钻杆内半径;rco表示钻杆外半径;rb表示井眼半径;hci表示钻杆内壁与钻井液的对流换热系数;hco表示钻杆外壁与钻井液的对流换热系数;hb表示地层与环空钻井液的对流换热系数;z表示井筒轴向长度;t表示钻井液循环时间;f(t)为无因次时间函数;λ表示井筒循环综合温度修正系数;在实际的钻井过程中,地层导热系数Kf未知,其他参数已知或可通过其他已知参数计算得到,本发明通过采用地层导热系数已知的模拟地层来代入方程组中,然后反推得到实际井筒循环综合温度修正系数后,得出修正后的方程组,方便实际钻井过程中对地层导热系数的计算。
具体的,本实施例首先假设λ=1,将实验装置中涉及的相关参数代入该方程组,即可自动计算出循环排量Qn条件下某ti时刻井筒底部的循环温度Tsni。
S500、计算出多个不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度综合修正系数λi后,计算多个井筒循环温度综合修正系数的平均值得到实际综合修正系数,并将实际综合修正系数代入井筒循环温度计算方程组中得到修正的井筒循环温度计算方程组。
本实施例中,在计算出了多个不同循环排量及不同时刻的井筒循环温度后,即可计算出多个不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度综合修正系数λi,具体的,不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度综合修正系数λi的计算公式为:λi=Tcni/Tsni;然后对多个井筒循环温度综合修正系数求取平均值即可得到实际综合修正系数,将实际综合修正系数代入方程组中即可得到修正的井筒循环温度计算方程组,所述修正的井筒循环温度计算方程组可用于实际钻井过程中的地层导热系数的计算。
S600、根据修正的井筒循环温度计算方程组计算出实际钻井时钻头下至地层分层中的某层位底部时的地层综合导热系数。
本实施例中,可通过获取实际钻井的钻井数据后,代入所述修正的井筒循环温度计算方程组即可得到实际钻井时钻头下至地层分层中的某层位底部时的地层综合导热系数。所述步骤S600的具体流程图如图3所示。
请参阅图3,其为所述步骤S600的具体流程图,包括如下步骤:
S601、当钻头下至地质分层中的某层位底部时,通过安装在钻头附近的随钻测量系统测量以循环排量Qm循环钻井液时某一时刻tj下的井筒循环温度Tcmj,其中,m为钻井液循环排量标识,m为不小于1的自然数,j为循环时刻标识,j为不小于1的自然数;
S602、预设一地层导热系数,并通过修正的井筒循环温度计算方程组计算出预设地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj;
S603、比较测量的以循环排量Qm循环钻井液时某一时刻tj下的井筒循环温度Tcmj以及计算出的预设地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj;
S604、当Tcmj和Tsmj的差值不小于预设最小值时,给预设的地层导热系数加上或减去一预设值,并形成新的地层导热系数后计算出新的地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至Tcmj和Tsmj的差值小于预设值时将最终的地层导热系数作为钻头所处地层的真实导热系数,并获取多个不同循环排量及不同时刻下的地层真实导热系数;
S605、求取多个地层真实导热系数的平均值并将求取的平均值作为钻头所处地层的地层综合导热系数。
本实施例中,在钻井下钻过程中,钻头下至地质分层中某一层位底部时,开泵以排量Qm循环钻井液,通过安装在钻头附近的随钻测量系统测量某一循环时刻tj下的井筒循环温度Tcmj,从而获取多个井筒循环温度Tcmj;之后预设一地层导热系数ξmj,再将地层导热系数预设值ξmj和该井涉及的其他相关参数代入方程组,计算出循环排量Qm和循环时刻tj下的井筒循环温度Tsmj,最后比较后采用迭代算法推导出真实导热系数。
具体的,所述步骤S604具体包括:
当|Tcmj-Tsmj|不小于0.1且Tcmj>Tsmj时,给预设的地层导热系数加上一预设值并形成新的地层导热系数,将新的地层导热系数代入井筒循环温度计算方程组中并计算出新的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至|Tcmj-Tsmj|<0.01时,将|Tcmj-Tsmj|<0.01时的地层导热系数作为地层真实导热系数;当|Tcmj-Tsmj|不小于0.1且Tsmj>Tcmj时,给预设的地层导热系数减去一预设小值并形成新的地层导热系数,将新的地层导热系数代入井筒循环温度计算方程组中并计算出新的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至|Tcmj-Tsmj|<0.01时,将|Tcmj-Tsmj|<0.01时的地层导热系数作为地层真实导热系数。
本实施例中,如果|Tcmj-Tsmj|不小于0.1则需要迭代处理,具体方法如下:当Tcmj>Tsmj,需要在预设值ξmj基础上加上一预设小值ε重新迭代,直至|Tcmj-Tsmj|小于0.1为止;当Tsmj>Tcmj,需要在预设值ξmj基础上减去一预设小值ε重新迭代,直至|Tcmj-Tsmj|小于0.1为止。
优选的,所述步骤S600还包括:
当Tcmj和Tsmj的差值小于预设最小值时,将预设的地层导热系数作为钻头所处地层的真实导热系数。
换而言之,如果|Tcmj-Tsmj|小于0.1即认为预设值ξmj为钻头所处地层的真实导热系数。
优选的,所述测试地层综合导热系数剖面的方法还包括:
计算钻头处于每个岩性层位底部时地层综合导热系数并得到钻井的地层综合导热系数剖面。
具体来说,按照上述方法可获取不同循环排量及不同时刻下的多个地层导热系数,对多个地层导热系数求取算数平均值即可获得钻头所处地层的地层综合导热系数。如此往下当钻头处于每个岩性层位底部时按该方法处理即可获得该井的地层综合导热系数剖面,后续在不具备随钻温度监测手段时,可应用该剖面数据和方程组计算井筒循环温度,提高计算便捷性和准确性。
应该理解的是,虽然图2和图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示,但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明,这些步骤的执行并没有严格的顺序限制,这些步骤可以以其它的顺序执行。
此外,本发明所述的测试不规则井眼段环空流动压降的方法中的部分或全部步骤均可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成,所述程序可以存储于计算机可读存储介质中,如只读存储器、磁盘或光盘等。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
综上所述,本发明可快速的进行地层综合导热系数剖面的确定,进而提高井筒循环温度计算的便捷性和准确性。
可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种测试地层综合导热系数剖面的方法,其特征在于,包括如下步骤:
搭建测试地层综合导热系数剖面的试验装置,并获取装置参数;其中,所述测试地层综合导热系数剖面的试验装置包括实验底座、流体池、循环泵、模拟循环管线、模拟钻杆、模拟地层、电加热套、温度传感器以及流量计,所述流体池内填充有钻井液,所述流体池和模拟地层均设置在所述实验底座上,所述模拟地层的外表面覆盖有电加热套,所述模拟地层的内部中空,所述模拟钻杆设置在所述模拟地层的中空部分位置,所述模拟钻杆的一端插入所述模拟地层的底部,所述模拟钻杆的另一端连接模拟循环管线的一端,所述模拟循环管线的另一端与所述流体池连通,所述循环泵设置在所述模拟循环管线上,所述流量计安装在所述模拟钻杆的上端部,所述温度传感器安装在所述模拟地层的下端部;所述流体池的体积至少为模拟地层和模拟钻杆形成的模拟井筒体积的20倍;
启动循环泵将模拟地层和模拟钻杆形成的模拟井筒灌满后,用所述电加热套对模拟地层进行加热,并由所述温度传感器对所述模拟地层的底部进行温度监测;
当温度传感器监测到模拟地层的底部温度达到电加热套的预设温度时,启动循环泵并以循环排量Qn进行循环,记录时刻ti下温度传感器监测的温度Tcni,并获取不同循环排量及不同时刻下的多个井筒循环温度,其中n为钻井液循环排量标识,n为不小于1的自然数,i为循环时刻标识,i为不小于1的自然数;
预设模型井筒循环温度综合修正系数为1,并将装置参数代入井筒循环温度计算方程组中计算出循环排量Qn条件下某ti时刻井筒底部的循环温度Tsni;
计算出多个不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度综合修正系数λi后,计算多个井筒循环温度综合修正系数的平均值得到实际综合修正系数,并将实际综合修正系数代入井筒循环温度计算方程组中得到修正的井筒循环温度计算方程组;
根据修正的井筒循环温度计算方程组计算出实际钻井时钻头下至地层分层中的某层位底部时的地层综合导热系数;
所述装置参数至少包括钻杆外径、钻杆内径、钻杆钢材比热、钻杆导热系数、钻杆钢材密度、地层高度、地层导热系数、地层原始温度、地层密度、地层比热、钻井液密度、钻井液比热、钻井液导热系数、钻井液塑性粘度以及钻井液动切力;
所述井筒循环温度计算方程组为:
,其中,QC表示管内流体单位长度功率,QC的值等于管内单位长度压降与体积流量的乘积;Qa表示环空流体单位长度功率,Qa的值等于环空单位长度压降与体积流量的乘积;ρm表示钻井液密度;ρw表示钻杆钢材密度;q表示钻井液循环排量;Cm表示钻井液比热;Cw表示钻柱钢材比热;Tc表示钻杆内钻井液温度;Tw表示钻柱壁温度;Ta表示环空钻井液温度;Tf表示地层原始温度;kw表示钻杆导热系数;kf表示地层导热系数;rci表示钻杆内半径;rco表示钻杆外半径;rb表示井眼半径;hci表示钻杆内壁与钻井液的对流换热系数;hco表示钻杆外壁与钻井液的对流换热系数;hb表示地层与环空钻井液的对流换热系数;z表示井筒轴向长度;t表示钻井液循环时间;f(t)为无因次时间函数;λ表示井筒循环温度综合修正系数。
2.根据权利要求1所述的测试地层综合导热系数剖面的方法,其特征在于,不同循环排量及不同时刻下的井筒循环温度综合修正系数λi的计算公式为:λi=Tcni/Tsni。
3.根据权利要求2所述的测试地层综合导热系数剖面的方法,其特征在于,所述根据修正的井筒循环温度计算方程组计算出实际钻井时钻头下至地层分层中的某层位底部时的地层综合导热系数的步骤具体包括:
当钻头下至地质分层中的某层位底部时,通过安装在钻头附近的随钻测量系统测量获取以循环排量Qm循环钻井液时某一时刻tj下的井筒循环温度Tcmj,其中,m为钻井液循环排量标识,m为不小于1的自然数,j为循环时刻标识,j为不小于1的自然数;
预设一地层导热系数,并通过修正的井筒循环温度计算方程组计算出预设地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj;
比较测量的以循环排量Qm循环钻井液时某一时刻tj下的井筒循环温度Tcmj以及计算出的预设地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj;
当Tcmj和Tsmj的差值不小于预设最小值时,给预设的地层导热系数加上或减去一预设值,并形成新的地层导热系数后计算出新的地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至Tcmj和Tsmj的差值小于预设值时将最终的地层导热系数作为钻头所处地层的真实导热系数,并获取多个不同循环排量及不同时刻下的地层真实导热系数;
求取多个地层真实导热系数的平均值,并将求取的平均值作为钻头所处地层的地层综合导热系数。
4.根据权利要求3所述的测试地层综合导热系数剖面的方法,其特征在于,所述当Tcmj和Tsmj的差值不小于预设最小值时,给预设的地层导热系数加上或减去一预设值,并形成新的地层导热系数后计算出新的地层导热系数对应的以循环排量Qm循环并在循环时刻tj时的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至Tcmj和Tsmj的差值小于预设值时将最终的地层导热系数作为钻头所处地层的真实导热系数,获取多个不同循环排量及不同时刻下的地层真实导热系数的步骤具体包括:
当|Tcmj-Tsmj|不小于0.1且Tcmj>Tsmj时,给预设的地层导热系数加上一预设值并形成新的地层导热系数,将新的地层导热系数代入井筒循环温度计算方程组中并计算出新的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至|Tcmj-Tsmj|<0.01时,将|Tcmj-Tsmj|<0.01时的地层导热系数作为地层真实导热系数;当|Tcmj-Tsmj|不小于0.1且Tsmj>Tcmj时,给预设的地层导热系数减去一预设小值并形成新的地层导热系数,将新的地层导热系数代入井筒循环温度计算方程组中并计算出新的井筒循环温度Tsmj,并反复迭代计算直至|Tcmj-Tsmj|<0.01时,将|Tcmj-Tsmj|<0.01时的地层导热系数作为地层真实导热系数。
5.根据权利要求3所述的测试地层综合导热系数剖面的方法,其特征在于,所述根据修正的井筒循环温度计算方程组计算出实际钻井时钻头下至地层分层中的某层位底部时的地层综合导热系数的步骤还包括:
当Tcmj和Tsmj的差值小于预设最小值时,将预设的地层导热系数作为钻头所处地层的真实导热系数。
6.根据权利要求1所述的测试地层综合导热系数剖面的方法,其特征在于,还包括:
计算钻头处于每个岩性层位底部时的地层综合导热系数并得到钻井的地层综合导热系数剖面。
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