一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法、装置及设备制造方法及图纸

本申请公开了一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法、装置及设备。该方法包括：根据钻杆和环空区内流体热传递、海水热传递以及岩石热

【技术实现步骤摘要】
一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法、装置及设备


[0001]本申请属于海洋钻井工程
，尤其涉及一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]钻井是在开采海洋石油、天然气等常规和非常规能源的一种常用手段。在钻井流体循环过程中，井筒/储层系统周围的力学行为受许多因素的影响，非常复杂。地下岩层复杂的地质环境容易造成井筒失稳甚至破坏，从而造成巨大的经济损失。因此，准确预测钻井液循环钻井过程中井筒
‑
储层系统的力学行为，包括温度、压力、应力和位移等，具有重要意义。
[0003]现有技术中，多数深海钻井过程中井筒/储层系统力学行为的预测方法重点关注井筒/储层系统中的流体流动和传热，没有考虑储层中的固体变形，即便少数考虑储层中的固体变形，也没有考虑井筒内部钻井液的循环，导致预测结果准确性低。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法、装置及设备，考虑了储层中的固体变形，以及井筒内部钻井液的循环，能够更加准确地预测深海钻井过程中井筒和储层的力学行为，进而更加准确地预测深海钻井过程中井筒稳定性。
[0005]一方面，本申请实施例提供一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法，所述方法包括：
[0006]步骤S1：根据深海钻井过程中钻杆和环空区内流体热传递、立管附近海水热传递以及岩石热
‑
孔
‑
弹性变形，并将井筒内的流体循环与岩层热
‑
孔
‑
弹性变形过程相结合，构建井筒/储层力学行为全耦合模型；所述井筒/储层力学行为全耦合模型包括：互相耦合的钻井液循环模型、岩石储层的热
‑
孔
‑
弹性模型以及海水区的热传导模型；
[0007]步骤S2：对所述钻井液循环模型、岩石储层的热
‑
孔
‑
弹性模型以及海水区的热传导模型中的模型参数进行无量化处理，得到无量化处理后的井筒/储层力学行为全耦合模型；
[0008]步骤S3：对无量化处理后的井筒/储层力学行为全耦合模型进行拉普拉斯变换，得到钻杆与环空区钻井液温度、立管附近海水温度、储层温度、孔隙压力、应力和位移在拉普拉斯空间的解析解；
[0009]步骤S4：基于所述解析解预测深海钻井时井筒稳定性。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述步骤S1，具体包括：
[0011]步骤S11，建立钻杆与环空区内流体温度控制方程；
[0012]步骤S12，建立立管附近海水的温度控制方程以及岩石的温度、孔隙压力、应力的控制方程；
[0013]步骤S13，建立将问题分解为对称和反对称两个子问题，并设置两对应的初始条件
和边界条件。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述步骤S11，具体包括：
[0015]建立钻杆和环空区内的钻井液温度由z方向的热对流和流体与周围固体的热交换控制方程，即:
[0016][0017][0018]其中，ρ
l
和c
l
分别为流体的密度和比热容；A
0i
为温度梯度，其中i＝s表示海水温度梯度，i＝r表示岩层温度梯度，A
m
、v
m
和T
m
(m＝d为钻杆，m＝a为环空)分别表示截面积、流体速度和相对于初始温度T0的流体温度变化。
[0019]在一种可能的实现方式中，所述步骤S12，具体包括：
[0020]建立岩石的力平衡方程和协调方程，在轴对称坐标(r，θ)下表示为：
[0021][0022][0023]用张量形式表示各向同性的热
‑
孔
‑
弹性本构关系，得到：
[0024][0025]其中，σ
ij
为相比于初始状态σ
0ij
的应力变化张量(正值表示为拉应力)；ε
v
为体应变；ε
ij
为应变张量；p为孔隙压力变化；G、ν和K分别为多孔介质排水条件下的剪切模量、泊松比和体模量，γ＝3αK，其中α是排水条件下的热膨胀系数；b为Biot系数；δ
ij
是Kronecker函数；
[0026]海水区域的传热仅考虑轴对称热扩散，根据一般线性的热
‑
孔
‑
弹性模型得到岩石区域的温度与压强扩散：
[0027](海水区),
[0028](岩石区)，
[0029]其中，T
r
、T
s
分别表示井筒附近岩石和海水中的流体温度变化，κ＝k/μ
s
，其中k为岩石渗透率，μ
s
为岩石中流体的动力粘度，k
p
＝Φk
s
+(1
‑
Φ)k
r
为多孔介质的平均导热系数，λ
s
和λ
r
分别为流体和岩石的导热系数；Φ为孔隙度，ρc＝Φρ
s
c
s
+(1
‑
Φ)ρ
r
c
r
，ρ
s
和ρ
r
分别为流体和岩石的质量密度，c
s
和c
r
分别为流体和岩石的比热容，L为与流体质量变化相关的潜热，M为Biot模量。
[0030]在一种可能的实现方式中，所述步骤S13，具体包括：
[0031]建立深海钻井过程中初始情况下温度、压力和应力场表达式，得到：
[0032]T0＝A
s0
z+B0atz＜H
s
,
[0033]T0＝A
r0
z+(A
s0
‑
A
r0
)H
s
+B0atz＞H
s
,
[0034]P0＝ρ
s
gz+P
a
,atz＞H
s
,
[0035]σ
z
＝
‑
[ρ
s
Φ+ρ
r
(1
‑
Φ)]g(z
‑
H
s
)
‑
ρ
s
gH
s
,atz＞H
s
,
[0036]σ
H
＝K
H
σ
z
,atz＞H
s
,
[0037]σ
h
＝K
h
σ
z
,atz＞H
s
,
[0038]其中，B0和P
a
分别为海平面温度和大气压，与重力压强相比可以忽略不计，H
s
为海水深度，海底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海钻井时井筒稳定性的预测方法，所述方法包括：步骤S1：根据深海钻井过程中钻杆和环空区内流体热传递、立管附近海水热传递以及岩石热
‑
孔
‑
弹性变形，并将井筒内的流体循环与岩层热
‑
孔
‑
弹性变形过程相结合，构建井筒/储层力学行为全耦合模型；所述井筒/储层力学行为全耦合模型包括：互相耦合的钻井液循环模型、岩石储层的热
‑
孔
‑
弹性模型以及海水区的热传导模型；步骤S2：对所述钻井液循环模型、岩石储层的热
‑
孔
‑
弹性模型以及海水区的热传导模型中的模型参数进行无量化处理，得到无量化处理后的井筒/储层力学行为全耦合模型；步骤S3：对无量化处理后的井筒/储层力学行为全耦合模型进行拉普拉斯变换，得到钻杆与环空区钻井液温度、立管附近海水温度、储层温度、孔隙压力、应力和位移在拉普拉斯空间的解析解；步骤S4：基于所述解析解预测深海钻井时井筒稳定性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1，具体包括：步骤S11，建立钻杆与环空区内流体温度控制方程；步骤S12，建立立管附近海水的温度控制方程以及岩石的温度、孔隙压力、应力的控制方程；步骤S13，建立将问题分解为对称和反对称两个子问题，并设置两对应的初始条件和边界条件。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S11，具体包括：建立钻杆和环空区内的钻井液温度由z方向的热对流和流体与周围固体的热交换控制方程，即:即:其中，ρ
l
和c
l
分别为流体的密度和比热容；A
0i
为温度梯度，其中i＝s表示海水温度梯度，i＝r表示岩层温度梯度，A
m
、v
m
和T
m
(m＝d为钻杆，m＝a为环空)分别表示截面积、流体速度和相对于初始温度T0的流体温度变化。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12，具体包括：建立岩石的力平衡方程和协调方程，在轴对称坐标(r,θ)下表示为：在轴对称坐标(r,θ)下表示为：用张量形式表示各向同性的热
‑
孔
‑
弹性本构关系，得到：其中，σ
ij
为相比于初始状态σ
0ij
的应力变化张量(正值表示为拉应力)；ε
v
为体应变，ε
ij
为应变张量；p为孔隙压力变化；G、ν和K分别为多孔介质排水条件下的剪切模量、泊松比和体模量，γ＝3αK，其中α是排水条件下的热膨胀系数；b为Biot系数；δ
ij
是Kronecker函数；
海水区域的传热仅考虑轴对称热扩散，根据一般线性的热
‑
孔
‑
弹性模型得到岩石区域的温度与压强扩散：(海水区),(岩石区)，其中，T
r
、T
s
分别表示井筒附近岩石和海水中的流体温度变化，κ＝k/μ
s
，其中k为岩石渗透率，μ
s
为岩石中流体的动力粘度，k
p
＝Φk
s
+(1
‑
Φ)k
r
为多孔介质的平均导热系数，λ
s
和λ
r
分别为流体和岩石的导热系数；Φ为孔隙度，ρc＝Φρ
s
c
s
+(1
‑
Φ)ρ
r
c
r
，ρ
s
和ρ
r
分别为流体和岩石的质量密度，c
s
和c
r
分别为流体和岩石的比热容，L为与流体质量变化相关的潜热，M为Biot模量。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S13，具体包括：建立深海钻井过程中初始情况下温度、压力和应力场表达式，得到：T0＝A
s0
z+B0atz＜H
s
,T0＝A
r0
z+(A
s0
‑
A
r0
)H
s
+B0atz＞H
s
,P0＝ρ
s
gz+P
a
,atz＞H
s
,σ
z
＝
‑
[ρ
s
Φ+ρ
r
(1
‑
Φ)]g(z
‑
H
s
)
‑
ρ
s
gH
s
,atz＞H
s
,σ
H
＝K
H
σ
z
,atz＞H
s
,σ
h
＝K
h
σ
z
,atz＞H
s
,其中，B0和P
a
分别为海平面温度和大气压，与重力压强相比可以忽略不计，H
s
为海水深度，海底以下井筒长度用H
r
表示，即井筒总长度H＝H
s
+H
r
；根据井筒内的温度变化，得到：T
d
(z,t)＝T
in
‑
B0,atz＝0,T
d
(z,t)＝T
a
(z,t),atz＝H,p＝0,T
s
＝T
r
＝0,σ
rr
＝0,σ
rθ
＝0,atr
→
∞,T
a
＝T
d
＝0,p
w
＝ρ
l
gz+P
a
+P
in
,p
W
＝p
w
‑
p0,atr＝r
wi
,,将储层远端应力分解为对称和反对称分量，即：q0＝(σ
H
+σ
h
)/2,s0＝(σ
H
‑
σ
h
)/2.根据叠加原理，将问题分解为对称和反对称两种加载模式，得到边界条件分别为：q0＝(σ
H
+σ
h
)/2,s0＝(σ
H
‑
σ
h
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴必胜，张莉，王光进，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：