一种获取固井循环温度的方法及装置制造方法及图纸

一种获取固井循环温度的方法及装置，包括：将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分；结合径向和/或轴向导热信息，获得计算各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。本发明专利技术实施例结合径向和/或轴向导热信息进行固井循环温度的计算，提升了固井循环温度的计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种获取固井循环温度的方法及装置
本文涉及但不限于石油钻探技术，尤指一种获取固井循环温度的方法及装置。
技术介绍
井筒循环温度对钻井和固井工程的影响很大，它不仅关系到注水泥作业的成败和注水泥质量的高低，而且与井内压力平衡、井壁稳定、井内工作液体系选择、套管和钻柱强度设计等方面有关。因此，准确地确定井筒循环温度分布及其变化规律，对水泥浆体系设计、井控和安全快速钻进有重要的意义。从20世纪60年代起，国外有很多学者针对井筒循环温度进行了研究，建立了不同的理论模型和算法，国内近二十多年来也对井下温度预测做了大量的研究，比较有代表性有针对地面钻井及注水泥过程建立的井内循环温度计算模型，井内循环温度计算模型包括以下几个部分：管柱内液体：管柱壁：环空内液体：地层：计算公式(I)到(IV)中，q为排量，单位为立方每小时(m3/h)；z为井深，单位为米(m)；t为时间，单位为秒(s)；rci为管柱内半径，单位为毫米(mm)；rco为管柱外半径，单位为mm；rb为井眼半径，单位为mm；ρL为液体密度，单位为克每立方厘米(g/cm3)；ρw为管柱材料的密度，单位为g/cm3；ρf为地层岩石的密度，单位为g/cm3；cL为液体比热，焦耳每千克(J/gK)；cw为管柱材料的比热，单位为J/gK；cf为地层比热，单位为J/gK；kw为管柱材料的热导率，单位为瓦特/米开(W/mK)；kf为地层岩石的热导率，单位为W/mK；Tc为管柱内液体的温度，单位为摄氏度(℃)；Tw为管柱壁的温度，单位为℃；Ta为环空内液体的温度，单位为℃；Tf为地层温度，单位为℃；Tin为管柱入口的液体温度，单位为℃；Tout为环空出口液体温度，单位为℃；Ta为地表温度，单位为℃；G为地温梯度，单位为℃/m。hci、hco、hb分别为管柱内壁、管柱外壁和井壁的对流换热系数，单位为瓦特/平方米开(W/m2K)；Qc、Qa分别为管柱内、环空内液体的热源，通常指液体流动摩擦生热。采用上述计算计算公式，基于数值迭代方法，即可获得井下循环温度；上述方法虽然简练，但参考因素不全，影响计算精度，对钻井和固井存在相应的影响。
技术实现思路
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。本专利技术实施例提供一种获取固井循环温度的方法及装置，能够提升井筒循环温度的计算精度，降低由井筒循环温度精度对钻井和固井造成的影响。本专利技术实施例提供了一种获取固井循环温度的方法，包括：将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分；结合径向和/或轴向导热信息，获得计算各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。可选的，所述径向和/或轴向导热参数包括：筒壁的径向导热信息、筒壁的轴向导热信息、和/或流体的轴向导热信息。可选的，所述将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分包括：将井筒沿径向方向划分为管柱内流体、套管、环空流体、地层。可选的，所述套管包括：第一筒壁、夹层流体、第二筒壁。可选的，所述管柱内流体的传热微分方程为：式中，Pp为管柱内流体单位长度压力损失，单位为帕每米Pa/m；G为钻井液体积流量，单位为立方米每秒m3/s；hci_1为第一筒壁内壁面的对流换热系数，单位为瓦每平方米开w/m2k；rco_1、rci_1分别为第一筒壁外壁面半径、内壁面半径，单位为m；ρL为液体密度，单位为千克每立方米kg/m3；kL为液体导热系数，单位为瓦每米开w/mk；cp为流体比热，单位为焦耳每千克J/kgK；kw1为第一筒壁的导热系数，单位为w/mk；Tp为筒内液体的温度，单位为摄氏度℃；Tw1为第一筒壁的温度，单位为℃；z为轴向单元长度，单位为米m；t为时间，单位为秒s。其中，所述压力损失包括：流动摩损、和/或机械摩损。可选的，所述第一筒壁的传热微分方程为：所述第二筒壁的传热微分方程为：所述夹层流体的传热微分方程为：式中，k为导热系数，单位为w/mk；T为温度，单位为摄氏度℃；ρ为密度，单位为千克每立方米kg/m3；c为比热，单位为焦耳每千克J/kgK；h为对流换热系数，单位为瓦每平方米开w/m2k；r为半径，单位为m。其中，下标ci_1代表第一筒壁内壁面；co_1代表第一筒壁外壁面；ci_2、co_2分别代表第二筒壁内壁面、第二筒壁外壁面；w1代表第一筒壁；w2代表第二筒壁；o代表夹层流体；p代表管柱内流体；a代表环空流体。可选的，所述环空流体的传热微分方程为：式中，Pa为环空流体单位长度压力损失，单位为Pa/m；G为钻井液体积流量，单位为m3/s；hco_2、hwe为第二筒壁外壁面及井壁的对流换热系数，单位为w/m2k；rco_2、rci_2、rwe分别为第二筒壁外壁面半径、内壁面半径及井壁半径，单位为m；kw2为第二筒壁的导热系数，单位为w/mk；Tw2为第二筒壁的温度，单位为℃；Ta为环空内液体的温度，单位为℃；Twe为地层温度，单位为℃；其他参数前式已定义。其中，所述压力损失包括：流动摩损、和/或机械摩损。可选的，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对管柱内流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的管柱内流体温度的计算方程：其中：可选的，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对第一筒壁的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的第一筒壁温度的计算方程为：其中：对第二筒壁的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的第二筒壁温度的计算方程为：其中：对夹层流体的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的夹层流体温度的计算方程为：其中：可选的，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对环空流体的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的环空流体温度的计算方程为：其中：Ca＝2πrwehwe；可选的，所述套管的传热微分方程为：可选的，所述管柱内流体的传热微分方程为：可选的，所述环空流体的传热微分方程为：可选的，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对管柱内流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的管柱内流体温度的计算方程：其中：Cp＝-2πrci_1hci_1；可选的，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对套管的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的套管温度的计算方程：其中：可选的，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对环空流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的环空流体温度的计算方程：其中：Ca＝2πrwehwe；Fa＝2πrco_2hco_2。另一方面，本专利技术实施例还提供一种获取固井循环温度的装置，包括：划分单元、传热微分单元、离散迭代单元；其中，划分单元用于，将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分；传热微分单元用于，结合径向和/或轴向导热信息，获得计算各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；离散迭代单元用于，对所述传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。可选的，所述径向和/或轴向导热参数包括：筒壁的径向导热信息、筒壁的轴向导热信息、和/或流体的轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取固井循环温度的方法，其特征在于，包括：将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分；结合径向和/或轴向导热信息，获得计算各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。

【技术特征摘要】
1.一种获取固井循环温度的方法，其特征在于，包括：将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分；结合径向和/或轴向导热信息，获得计算各组成部分的瞬态传热信息的传热微分方程；对传热微分方程进行离散和数值迭代处理，获得井筒的瞬态温度分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述径向和/或轴向导热参数包括：筒壁的径向导热信息、筒壁的轴向导热信息、和/或流体的轴向导热信息。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将井筒沿径向方向划分为两个或两个以上组成部分包括：将井筒沿径向方向划分为管柱内流体、套管、环空流体、地层。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述套管包括：第一筒壁、夹层流体、第二筒壁。5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述管柱内流体的传热微分方程为：式中，Pp为管柱内流体单位长度压力损失，单位为帕每米Pa/m；G为钻井液体积流量，单位为立方米每秒m3/s；hci_1为第一筒壁内壁面的对流换热系数，单位为瓦每平方米开w/m2k；rco_1、rci_1分别为第一筒壁外壁面半径、内壁面半径，单位为m；ρL为液体密度，单位为千克每立方米kg/m3；kL为液体导热系数，单位为瓦每米开w/mk；cp为流体比热，单位为焦耳每千克J/kgK；kw1为第一筒壁的导热系数，单位为w/mk；Tp为筒内液体的温度，单位为摄氏度℃；Tw1为第一筒壁的温度，单位为℃；z为轴向单元长度，单位为米m；t为时间，单位为秒s；其中，所述压力损失包括：流动摩损、和/或机械摩损。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一筒壁的传热微分方程为：所述第二筒壁的传热微分方程为：所述夹层流体的传热微分方程为：式中，k为导热系数，单位为w/mk；T为温度，单位为摄氏度℃；ρ为密度，单位为千克每立方米kg/m3；c为比热，单位为焦耳每千克J/kgK；h为对流换热系数，单位为瓦每平方米开w/m2k；r为半径，单位为m；其中，下标ci_1代表第一筒壁内壁面；co_1代表第一筒壁外壁面；ci_2代表第二筒壁内壁面、co_2代表第二筒壁外壁面；w1代表第一筒壁；w2代表第二筒壁；o代表夹层流体；p代表管柱内流体；a代表环空流体。7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述环空流体的传热微分方程为：式中，Pa为环空流体单位长度压力损失，单位为Pa/m；G为钻井液体积流量，单位为m3/s；hco_2、hwe为第二筒壁外壁面及井壁的对流换热系数，单位为w/m2k；rco_2、rci_2、rwe分别为第二筒壁外壁面半径、内壁面半径及井壁半径，单位为m；kw2为第二筒壁的导热系数，单位为w/mk；Tw2为第二筒壁的温度，单位为℃；Ta为环空内液体的温度，单位为℃；Twe为地层温度，单位为℃；其中，所述压力损失包括：流动摩损、和/或机械摩损。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对管柱内流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的管柱内流体温度的计算方程：其中：9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对第一筒壁的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的第一筒壁温度的计算方程为：其中：对第二筒壁的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的第二筒壁温度的计算方程为：其中：对夹层流体的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的夹层流体温度的计算方程为：其中：10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对环空流体的传热微分方程进行离散，获得第i+1时刻，包含井深轴向方向上第j节点的环空流体温度的计算方程为：其中：Ca＝2πrwehwe；11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述套管的传热微分方程为：12.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述管柱内流体的传热微分方程为：13.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述环空流体的传热微分方程为：14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对管柱内流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的管柱内流体温度的计算方程：其中：Cp＝-2πrci_1hci_1；15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对套管的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的套管温度的计算方程：其中：16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述对传热微分方程进行离散处理包括：对环空流体的传热微分方程进行离散处理，获得第i+1时刻，包含井身轴向方向上第j节点的环空流体温度的计算方程：其中：Ca＝2πrwehwe；Fa＝2πrco_2hco_2。17.一种获取固井循环温度的装置，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文成，罗宇维，赵琥，赵丹汇，李旭，宋茂林，郭朝红，姜玉雁，李志刚，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海油田服务股份有限公司，中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11