CN111814100B - 无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，包括：获取目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数、热力参数；分别建立海水段钻柱内的温度控制方程、地层段钻柱内的温度控制方程、地层段环空内的温度控制方程、海水段回流管线内的温度控制方程；再确定初始及边界条件；采用内节点法对全系统的空间结构进行离散化处理；将控制方程在相应的节点上进行离散化处理；最后将相应的参数带入离散式计算得到海水段钻柱内的循环温度、地层段钻柱内的循环温度、地层段环空内的循环温度、海水段回流管线内的循环温度。本发明所建立的动态分析模型与实际作业情况更加贴合，且模拟结果更准确。

Description

无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法

技术领域

本发明涉及无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，属于深水油气井钻探技术领域。

背景技术

随着世界能源需求量的不断增加，对深水油气资源进行勘探开发显得越发重要。若使用常规海洋钻井技术进行钻井作业，巨大的隔水管悬挂载荷会增加平台作业的风险性，且难以应对深水钻井作业常面临的安全压力窗口窄的难题。基于上述问题，挪威AGR公司研发了无隔水管海底泵举升钻井系统(Riserless Mud Recovery System,RMR)。

其中由于RMR系统不使用隔水管，其在海水段的钻柱直接暴露于海水中，钻柱内的钻井液会与外部的海水进行换热。其次，该部分钻柱与用于钻井液上返的回流管线为两个相互独立的单元，二者之间不存在相互的热量交换过程，这使得RMR系统在进行深水钻井作业时的流体循环温度变化特征与常规海洋钻井技术存在着很大的不同，而温度又是影响各项作业参数的关键因素。

目前，用于RMR系统流体温度变化计算的模型主要为H.R.Lima和F.F.Pereira所建立的解析解模型，该类模型的不足之处在于，其仅能够模拟不同作业参数下的温度变化结果，而不能够模拟任意作业时长下的温度变化结果，模拟的情况与实际钻井作业情况有所差别。

因此，有必要针对RMR系统的结构特点，搭建适用于其全系统循环温度变化模拟的数学模型，对深水钻井作业过程中相应构成部分内的流体循环温度变化进行动态模拟分析，为使用RMR系统进行深水钻井作业时的全系统温度管理提供相应的理论依据。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：无隔水管钻井系统循环温度变化动态模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、获取目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数、热力参数；

步骤二、分别建立海水段钻柱内的温度控制方程、地层段钻柱内的温度控制方程、地层段环空内的温度控制方程、海水段回流管线内的温度控制方程；

步骤三、再确定初始及边界条件；

步骤四、采用内节点法对全系统的空间结构进行离散化处理；

步骤五、将控制方程在相应的节点上进行离散化处理；

步骤六、最后将步骤一获得的各个参数带入步骤五中的离散式计算得到海水段钻柱内的循环温度、地层段钻柱内的循环温度、地层段环空内的循环温度、海水段回流管线内的循环温度。

进一步的技术方案是，所述作业参数包括钻井液密度、钻井液注入温度、机械钻速、钻井泵排量、海底泵排量、回流管线内径；所述环境参数包括作业水深、海水表面温度、地温梯度；所述井身结构参数包括井深、井眼直径、套管外径、套管内径、钻柱外径、钻井内径；所述热力参数包括钻井液比热容、钻柱比热容、套管比热容、水泥环比热容、回流管线比热容、钻井液导热系数、钻柱导热系数、套管导热系数、水泥环导热系数、回流管线导热系数。

进一步的技术方案是，所述海水段钻柱内的温度控制方程为：

所述地层段钻柱内的温度控制方程为：

所述环空内的温度控制方程为：

所述海水段回流管线内的温度控制方程为：

T_ret≥T_sea：

T_ret＜T_sea：

式中：ρ_m表示钻井液的密度，kg/m³；c_m表示钻井液的比热容，J/(kg·℃)；A_pipe、A_ann、A_ret分别表示钻柱、环空、回流管线的横截面积，m²；ν_pipe、ν_ann、ν_ret分别表示钻柱、环空、回流管线内的流体流速，m/s；T_sea、T_f、T_ps、T_pf、T_ann、T_ret表分别表示海水、地层、海水段钻柱、地层段钻柱、环空、回流管线内的循环温度，℃；R_pi、R_po、R_w、R_ri、R_ro分别表示钻柱的内半径、钻柱的外半径、井眼的半径、回流管线的内半径、回流管线的外半径，m；U_ps、U_ap、U_rs分别表示海水段钻柱内流体与外部海水、环空内流体与钻柱内流体、回流管线内流体与外部海水的总换热系数，W/(m·℃)；h_pi、h_po、h_ri、h_w、h_sea分别表示钻柱内流体与钻柱内壁、环空内流体与钻柱外壁、回流管线内流体与回流管线内壁、环空内流体与井壁、海水与相应结构外壁间的对流换热系数，W/(m·℃)；K_pipe、K_ret分别表示钻柱、回流管线的导热系数，W/(m·℃)。

进一步的技术方案是，所述初始及边界条件如下：

(1)初始时刻，海水段钻柱和回流管线内的流体温度与外部海水温度相等；

(2)初始时刻，地层段钻柱和环空内的流体温度与地层温度相等；

(3)在钻柱顶端节点处，流体的温度始终为注入温度；

(4)在井底节点处，地层段钻柱和环空内的流体温度相等。

进一步的技术方案是，所述步骤四中各个的离散式分别为：

海水段钻柱内温度控制方程的离散式：

地层段钻柱内温度控制方法的离散式：

地层段环空内温度控制方法的离散式：

海水段回流管线内温度控制方程的离散式：

T_ret≥T_sea：

T_ret＜T_sea：

式中：T_sea、T_f、T_ps、T_pf、T_ann、T_ret表分别表示海水、地层、海水段钻柱、地层段钻柱、环空、回流管线内的循环温度，℃；A₁、B₁、C₁分别表示海水段钻柱内的温度控制方程内的常数项；A₂、B₂、C₂分别表示地层段钻柱内的温度控制方程内的常数项；A₃、B₃、C₃、D₃分别表示环空内的温度控制方程内的常数项；A₄、B₄、C₄分别当回流管线内的流体温度大于或等于外部海水温度时海水段回流管线内的温度控制方程内的常数项；A₅、B₅、C₅分别当回流管线内的流体温度小于外部海水温度时海水段回流管线内的温度控制方程内的常数项。

本发明具有以下有益效果：本发明与H.R.Lima和F.F.Pereira所建立的解析解模型相比，本发明所建立的动态分析模型与实际作业情况更加贴合，且模拟结果更准确。

附图说明

图1为RMR系统构成部分内流体换热过程的物理模型图；

图2为空间区域的离散化处理结果图；

图3为不同模型计算结果的对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

本发明的无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、获取目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数、热力参数；

步骤二、分别建立海水段钻柱内的温度控制方程、地层段钻柱内的温度控制方程、地层段环空内的温度控制方程、海水段回流管线内的温度控制方程；

其中在建立上述各个温度控制方程时，首先应确定系统各构成部分内的流体换热方式。相应构成部分内流体换热过程的物理模型如图1所示。从图1中可以看到，由于海水段的钻柱直接暴露于海水中，且海水的温度往往较低，钻柱内的钻井液会通过对流换热和热传导的方式，将其热量通过钻柱内壁和钻柱外壁向外部的海水传递，这一点与常规海洋钻井技术的流体换热方式存在着很大的不同，但地层段钻柱和环空内流体的换热方式仍与常规海洋钻井技术保持相同。另一方面，海水段回流管线内的钻井液可能会通过对流换热和热传导的方式，将其热量向外部的海水传递，也有可能通过同样的方式从外部的海水中吸收热量，在进行具体计算时需要对该部分热量传递方向的转换进行判别。

选取各构成部分内的流体流动方向为正方向，并在相应部分内截取单位长度的控制体。其次，依据各构成部分内流体的换热方式，推导相应换热作用发生时的热量计算方程。最后，依据热量守恒定律，将同一构成部分内的热量计算方程进行联立，从而得到相应的控制方程如下：

所述海水段钻柱内的温度控制方程为：

所述地层段钻柱内的温度控制方程为：

所述环空内的温度控制方程为：

所述海水段回流管线内的温度控制方程为：

T_ret≥T_sea：

T_ret＜T_sea：

式中：ρ_m表示钻井液的密度，kg/m³；c_m表示钻井液的比热容，J/(kg·℃)；A_pipe、A_ann、A_ret分别表示钻柱、环空、回流管线的横截面积，m²；ν_pipe、ν_ann、ν_ret分别表示钻柱、环空、回流管线内的流体流速，m/s；T_sea、T_f、T_ps、T_pf、T_ann、T_ret表分别表示海水、地层、海水段钻柱、地层段钻柱、环空、回流管线内的循环温度，℃；R_pi、R_po、R_w、R_ri、R_ro分别表示钻柱的内半径、钻柱的外半径、井眼的半径、回流管线的内半径、回流管线的外半径，m；U_ps、U_ap、U_rs分别表示海水段钻柱内流体与外部海水、环空内流体与钻柱内流体、回流管线内流体与外部海水的总换热系数，W/(m·℃)；h_pi、h_po、h_ri、h_w、h_sea分别表示钻柱内流体与钻柱内壁、环空内流体与钻柱外壁、回流管线内流体与回流管线内壁、环空内流体与井壁、海水与相应结构外壁间的对流换热系数，W/(m·℃)；K_pipe、K_ret分别表示钻柱、回流管线的导热系数，W/(m·℃)；

步骤三、再确定如下的初始及边界条件；(1)初始时刻，海水段钻柱和回流管线内的流体温度与外部海水温度相等；(2)初始时刻，地层段钻柱和环空内的流体温度与地层温度相等；(3)在钻柱顶端节点处，流体的温度始终为注入温度；(4)在井底节点处，地层段钻柱和环空内的流体温度相等；

步骤四、采用内节点法对全系统的空间结构进行离散化处理，空间区域的离散化处理结果如图2所示；

步骤五、将控制方程在相应的节点上进行离散化处理时间项采用两点向前的差分格式，而空间项则采用两点向后的差分格式，时间步长Δt设置为1s，空间步长Δh设置为1m；

海水段钻柱内温度控制方程的离散式：

地层段钻柱内温度控制方法的离散式：

地层段环空内温度控制方法的离散式：

海水段回流管线内温度控制方程的离散式：

T_ret≥T_sea：

T_ret＜T_sea：

式中：T_sea、T_f、T_ps、T_pf、T_ann、T_ret表分别表示海水、地层、海水段钻柱、地层段钻柱、环空、回流管线内的循环温度，℃；A₁、B₁、C₁分别表示海水段钻柱内的温度控制方程内的常数项；A₂、B₂、C₂分别表示地层段钻柱内的温度控制方程内的常数项；A₃、B₃、C₃、D₃分别表示环空内的温度控制方程内的常数项；A₄、B₄、C₄分别当回流管线内的流体温度大于或等于外部海水温度时海水段回流管线内的温度控制方程内的常数项；A₅、B₅、C₅分别当回流管线内的流体温度小于外部海水温度时海水段回流管线内的温度控制方程内的常数项；

步骤六、最后将步骤一获得的各个参数带入步骤五中的离散式计算得到海水段钻柱内的循环温度、地层段钻柱内的循环温度、地层段环空内的循环温度、海水段回流管线内的循环温度。

实施例

某油田从井深2613m开始钻进，共用时12h钻至井深2781m。所使用的作业参数为：钻井液密度1.36g/cm³，钻井液注入温度30℃，机械钻速14m/h，钻井泵排量45L/s，海底泵排量30L/s，回流管线内径53.4mm。环境参数为：作业水深1200m，海水表面温度25℃，地温梯度3℃/100m。海水温度主要采用我国南海水温的计算方式。具体的井身结构数据如表1所示，计算所用的热力参数如表2所示。

表1井身结构数据表

表2热力参数表

在钻进过程中，分别使用动态分析模型、H.R.Lima模型和F.F.Pereira模型对全系统的循环温度变化进行模拟。当钻进至2781m时，三种模型的模拟结果如图3所示。

从图3中可以看到，本发明所建立的动态分析模型的模拟结果基本处于两种解析解模型之间。因此，模型的模拟结果具备较高的准确性。另一方面，相比于H.R.Lima和F.F.Pereira的解析解模型，动态分析模型可对钻进过程中不同作业时长下的循环温度变化进行动态模拟，这更加贴合钻井作业的实际情况。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数、热力参数；

步骤二、分别建立海水段钻柱内的温度控制方程、地层段钻柱内的温度控制方程、地层段环空内的温度控制方程、海水段回流管线内的温度控制方程；

所述海水段钻柱内的温度控制方程为：

所述地层段钻柱内的温度控制方程为：

所述环空内的温度控制方程为：

所述海水段回流管线内的温度控制方程为：

T_ret≥T_sea：

T_ret＜T_sea：

式中：ρ_m表示钻井液的密度，kg/m³；c_m表示钻井液的比热容，J/(kg·℃)；A_pipe、A_ann、A_ret分别表示钻柱、环空、回流管线的横截面积，m²；ν_pipe、ν_ann、ν_ret分别表示钻柱、环空、回流管线内的流体流速，m/s；T_sea、T_f、T_ps、T_pf、T_ann、T_ret表分别表示海水、地层、海水段钻柱、地层段钻柱、环空、回流管线内的循环温度，℃；R_pi、R_po、R_w、R_ri、R_ro分别表示钻柱的内半径、钻柱的外半径、井眼的半径、回流管线的内半径、回流管线的外半径，m；U_ps、U_ap、U_rs分别表示海水段钻柱内流体与外部海水、环空内流体与钻柱内流体、回流管线内流体与外部海水的总换热系数，W/(m·℃)；h_pi、h_po、h_ri、h_w、h_sea分别表示钻柱内流体与钻柱内壁、环空内流体与钻柱外壁、回流管线内流体与回流管线内壁、环空内流体与井壁、海水与相应结构外壁间的对流换热系数，W/(m·℃)；K_pipe、K_ret分别表示钻柱、回流管线的导热系数，W/(m·℃)；

步骤三、再确定初始及边界条件；

步骤四、采用内节点法对全系统的空间结构进行离散化处理；

步骤五、将控制方程在相应的节点上进行离散化处理；

步骤六、最后将步骤一获得的各个参数带入步骤五中的离散式计算得到海水段钻柱内的循环温度、地层段钻柱内的循环温度、地层段环空内的循环温度、海水段回流管线内的循环温度。

2.根据权利要求1所述的无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，其特征在于，所述作业参数包括钻井液密度、钻井液注入温度、机械钻速、钻井泵排量、海底泵排量、回流管线内径；所述环境参数包括作业水深、海水表面温度、地温梯度；所述井身结构参数包括井深、井眼直径、套管外径、套管内径、钻柱外径、钻井内径；所述热力参数包括钻井液比热容、钻柱比热容、套管比热容、水泥环比热容、回流管线比热容、钻井液导热系数、钻柱导热系数、套管导热系数、水泥环导热系数、回流管线导热系数。

3.根据权利要求1所述的无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，其特征在于，所述初始及边界条件如下：

(1)初始时刻，海水段钻柱和回流管线内的流体温度与外部海水温度相等；

(2)初始时刻，地层段钻柱和环空内的流体温度与地层温度相等；

(3)在钻柱顶端节点处，流体的温度始终为注入温度；

(4)在井底节点处，地层段钻柱和环空内的流体温度相等。

4.根据权利要求1所述的无隔水管海底泵举升钻井系统循环温度变化动态模拟方法，其特征在于，所述步骤四中各个的离散式分别为：

海水段钻柱内温度控制方程的离散式：

地层段钻柱内温度控制方法的离散式：

地层段环空内温度控制方法的离散式：

海水段回流管线内温度控制方程的离散式：

T_ret≥T_sea：

T_ret＜T_sea：

式中：T_sea、T_f、T_ps、T_pf、T_ann、T_ret表分别表示海水、地层、海水段钻柱、地层段钻柱、环空、回流管线内的循环温度，℃；A₁、B₁、C₁分别表示海水段钻柱内的温度控制方程内的常数项；A₂、B₂、C₂分别表示地层段钻柱内的温度控制方程内的常数项；A₃、B₃、C₃、D₃分别表示环空内的温度控制方程内的常数项；A₄、B₄、C₄分别当回流管线内的流体温度大于或等于外部海水温度时海水段回流管线内的温度控制方程内的常数项；A₅、B₅、C₅分别当回流管线内的流体温度小于外部海水温度时海水段回流管线内的温度控制方程内的常数项。

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