钻井过程中井筒温度分布影响建模研究

2024-05-07高金龙闫旭光毛登周李超陈喜东

粘接 2024年3期

高金龙闫旭光毛登周李超陈喜东

摘要：为掌握钻井过程中的井筒温度分布规律。建立了直井钻井过程中井筒和地层瞬态二维传热模型，研究了入口温度、钻井液导热系数和地温梯度对直井井筒温度分布的影响，实验结果表明，环空内钻井液和钻柱内钻井液温差最大在井筒温度等于地层温度处；入口温度影响井口附近井筒温度，但井深增加后地温影响更大；钻井液密度增加，井筒上部温差增大；钻井液导热系数增加，井筒上部环空内温度降低，下部升高。模型计算结果与现场温度数据吻合度高，最大相对误差仅为1.65%和0.79%，表明模型有效可靠，可为钻井作业提供指导。

关键词：钻井；循环阶段；井筒温度；分布规律

中图分类号：TE242;TQ326.4

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0120-05

Modeling research on influence of wellbore temperature distribution during drilling

GAO Jinlong1，YAN Xuguang2，MAO Dengzhou2，LI Chao2，CHEN Xidong2

（1.Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Yanchang Gas Field Production Plant 3，Yanan 716000，Shaanxi;

2.Xian Alberta Environmental Analysis and Testing Technology Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710000）

Abstract： In order to grasp the temperature distribution of the wellbore during the drilling process，a transient two-dimensional heat transfer model of the wellbore and formation during the drilling process of the vertical well was established，and the effects of inlet temperature，thermal conductivity of drilling fluid and geothermal gradient on the temperature distribution of the vertical wellbore were studied.The experimental results showed that the maximum temperature difference between the drilling fluid in the annulus and the drilling fluid in the drill string occurred when the wellbore temperature was equal to the formation temperature.The inlet temperature affected the temperature of the wellbore near the wellhead，but the influence of ground temperature was greater with an increase in well depth.The density of drilling fluid increased，and the temperature difference in the upper part of the wellbore increased.The thermal conductivity of drilling fluid increased，causing a decrease in temperature in the upper annular space of the wellbore and an increase in temperature in the lower part.The calculated results of the model were highly consistent with the on-site temperature data，with maximum relative errors of only 1.65% and 0.79%，indicating that the model is effective and reliable，and can provide guidance for drilling operations.

Key words：drilling;cycle stage;wellbore temperature;distribution pattern

隨着油气开发深度的增加，深井和超深井钻井技术面临着巨大的挑战。井底高温对钻井液流变性、井筒压力平衡、固井质量、井壁稳定性、钢材热疲劳和腐蚀等方面都有重大影响［1-4］。深井超深井钻井过程中，常遇到地层流体侵入环空的情况［5-6］。溢流流体与环空钻井液混合后，会改变环空流体的密度、黏度、导热系数和比热容，从而影响井筒温度分布［7-9］。如果预测不准确，容易导致钻井事故和经济损失。因此，准确预测复杂条件下的深井超深井钻井温度，掌握其变化规律，对于保证钻井安全和效率具有极其重要的意义。因此，建立了直井钻井循环过程中井筒和地层的二维瞬态传热模型，分析了钻井液热物理性质随温度变化对井筒温度的影响。利用现场实测温度数据对模型进行了验证［10-14］。

1 研究方法

1.1 循环条件下井筒温度分布的数学模型

1.1.1 模型建立前置假设

（1）本文假设钻井液为恒定性质的单相流体，不考虑钻井液的相变和压缩性；

（2）假设井眼为理想的圆形，钻柱与井眼同心，地层为各向同性均质介质；

（3）假设远场地层温度不变，地面钻井液冷却充分，钻柱运动对井筒温度无影响。

1.1.2 井筒和地层传热模型

（1）钻柱内钻井液传热模型。

钻井过程中，钻柱内充满钻井液，并由井口向井底输送。钻井液在钻柱内的轴向对流换热是主要的传热方式，因此钻柱内流体单元的能量守恒方程可以表示为：

（ρ2c2T2）t+y（ρ2c2T2）=x（λ2T2x）+y（λ2T2y）+S2（2）

式中：下标2表示环空内钻井液。

1.2 初始条件和边界条件

（1）初始条件。

初始地层温度的分布如下：

Tf=Ts+G×H（3）

式中：Tf为初始地层温度，℃；Ts为地表温度，℃；G为地温梯度，℃/m；H为井深，m。

（2）邊界条件。

井口处的钻柱内钻井液温度始终等于入口钻井液温度：

T1（y=0，t）=Tin（4）

式中：Tin为入口温度，℃。

井底处的钻柱内流体温度、钻柱壁温度和环空流体温度相同，因此井底处的边界条件可以表示为：

T1（y=Htotal，t）=T2（y=Htotal，t=0）=T3（y=Htotal，t）（5）

式中：Htotal为总井深，m。

在循环过程中，远场地层温度不受钻井影响，保持初始地层温度不变，边界条件可以表示为：

T（x→SymboleB@，y，t）=Ts+GH（6）

2 结果与分析

2.1 入口温度对直井井筒温度分布的影响

图1显示了不同入口温度（20、30和40 ℃）下，循环12 h后的环空流体温度分布曲线。

由图1可以看出，入口温度的变化主要影响井口附近的井筒温度，而对井底温度的影响较小。当入口温度为20、30 ℃和40 ℃时，循环12 h后的井底温度分别为97.06、97.13 ℃和97.19 ℃。入口温度越高，钻井液携带的热量越多，使井口附近的井筒温度升高。但随着井深的增加，地层温度升高，地层温度对井筒温度的影响更显著，而入口温度对井筒温度的影响逐渐减弱。

图2为不同入口温度下，循环12 h后的环空流体温度差分布曲线。可以看出，入口温度越高，同一井深处的环空流体温度差越小，但随着井深的增加，不同入口温度下的温度差趋于一致，表明入口温度对井筒温度的影响随井深减弱。图中还可以看出，当入口温度为40 ℃时，井口附近的环空流体温度低于钻柱内流体温度，出现负的温度差。这是因为地表温度为10 ℃，井口附近的环空流体与地层有较大的温差，导致环空流体在井口附近散失较多热量。

2.2 钻井液导热系数对直井井筒温度分布的影响

由图4可以看出，同一井深处的环空流体温度差随着钻井液导热系数的增加而减小。这是因为钻井液导热系数越高，钻井液与钻柱的传热效率越高，在相同的时间内两者之间的热平衡越接近，因此两者的温度差越小。所以为更好的实现对钻井过程中复杂工况下的井筒温度的控制，可以通过改变钻井液中加入的粘土、聚合物和盐类对钻井液导热系数进行调节。一般来说，粘土颗粒越絮凝，钻井液的导热系数越高。这是因为絮凝的粘土颗粒会减少钻井液的有效流动阻力，提高对流换热效率；聚合物分子量越小，分支度越低，交联程度越弱，钻井液的导热系数越高。这是因为小分子量、低分支度、弱交联的聚合物会形成较松散的微胶团结构，减少钻井液的粘弹性和抗剪切能力，提高对流换热效率；盐类含量越高，盐类种类越多样化（如NaCl、KCl、CaCl2等），钻井液的导热系数越高。

2.3 地温梯度对直井井筒温度分布的影响

图5为不同地温梯度下（0.020、0.025和0.030 ℃/m），循环12 h后的环空流体温度分布曲线。

由图5可知，地温梯度越高，同一井深处的环空流体温度越高。这是因为地温梯度反映了地层温度的变化率，地温梯度越高，地层温度越高，井筒从地层吸收的热量越多，因此井筒温度越高。此外，井深越深，地温梯度对井筒温度的影响越明显，而对井口附近的温度影响较小。这是因为井口附近的地层温度与地表温度相近，不同地温梯度下的温差较小，而随着井深的增加，在同一井深处，不同地温梯度下的温差越大，其对井筒温度的影响也越大。

图6为不同地温梯度下（0.020、0.025和0.030 ℃/m），循环12 h后井筒环空内钻井液温差随深度变化的曲线。

由图6可知，在同一深度处，环空内钻井液与钻柱内钻井液的温差随地温梯度的升高而增大。环空内钻井液从地层吸热后，部分热量传递给钻柱内钻井液。显然，由于地温梯度的增加导致环空内钻井液温升幅度大于钻柱内钻井液温升幅度，因此两者之间的温差扩大。

2.4 影响因素与出口温度的关系

图7为各影响因素对出口温度变化率影响情况。

由图7可知，入口温度的变化对出口温度的影响最显著，其次是地温梯度的影响。这是由于入口钻井液与出口钻井液在同一深度处，而钻井过程中入口钻井液温度通常高于地表温度和近地表地层温度，因此，入口钻井液温度对井筒近地表部分的温度有重要影响。相反，其他因素对出口温度的影响较小。

图8为各种影响因素对井底温度变化率的影响情况。

由图8可知，地温梯度的变化对井底温度的影响最显著，其次是钻井液导热系数的影响。地温梯度的变化改变了井筒周围的初始地层温度，而井筒温升主要依赖于地层热传导，因此井底温度会发生较大变化。此外，入口温度的变化对井底温度的影响微乎其微，这是由于入口钻井液温度升高带来的热量与井筒从地层吸收的热量相比可以忽略不计，因此入口钻井液温度只能影响井口附近的井筒温度，而随着深度的增加，井筒内钻井液从地层吸热量越来越多，入口钻井液温度升高带来的热量对井筒温度的影响越来越小，因此入口钻井液温度变化时井底温度的变化极小。

综上，在钻井方案设计中，应合理确定井深结构和钻井参数，并且需获取初始地层温度分布特征，以便为安全高效快速钻井提供理论依据。

3 现场验证

研究建立了直井钻井过程中的井筒和地层温度分布模型，并用现场实测温度数据进行了验证。实验过程如下：在牙哈井216.2 mm裸眼，用温度储存记录仪（采样间隔30 s）测量127.5 mm钻杆内的温度，从井底5300 m泵送至钻头处的排量为48.56 m3/h。然后按照正常钻进时排量（87.33 m3/h）循环15 h，起钻至5 000 m，继续循环4 h。循环测温结束后，通井循环，起钻读取温度数据，结果见图9。

在179.3 mm套管固井后，钻完水泥塞（5 300 m），起钻静止57 h后，用测井电缆下入测温仪，沿整个井深测量静止温度。静止温度测量后，将钻杆下至5 300 m处，接循环头，用电缆将温度储存记录仪下入井深5 300 m处（采样间隔75 s），座封循环头，以39.25 m3/h的排量循环15 h。循环测温结束后读取温度数据，结果见图10。

由图9和图10可知，所建模型的计算结果与实测井底循环温度非常接近，2种情况下所建模型的计算结果与实测温度的最大相对误差分别为1.65%和0.79%，由此可以证明所建立的直井钻井过程中井筒温度分布模型的有效性。

4 结语

（1）在直井钻井过程中，井筒温度随深度增加而上升，环空中钻井液温度呈现出“高-低-高”的分布特征，即上部环空温度高于地层初始温度，下部环空温度低于地层初始温度。钻柱内钻井液温度最高点位于井底，而环空内钻井液温度最高点位于井底附近的某一深度处;

（2）研究了直井钻井过程中井筒温度分布对入口温度、钻井液导热系数和地温梯度的敏感性。对比分析结果表明，入口温度是影响出口钻井液温度的主要因素，而地温梯度是影響井底钻井液温度的主要因素。可通过改变钻井液中粘土、聚合物和盐类的加量来实现对钻井液导热系数的改变;

（3）建立了直井钻井过程中的井筒温度分布模型，并与典型模型的计算结果和现场实测数据进行了对比。结果表明，所建模型与实测温度的最大相对误差仅为1.65%和0.79%，说明所建模型具有较高的有效性和精确性。

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