井筒-储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法技术

本发明专利技术公开了一种井筒

【技术实现步骤摘要】
井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法


[0001]本专利技术涉及深水井筒安全保障
，尤其涉及一种井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法
。

技术介绍

[0002]天然气水合物俗称“可燃冰”，由甲烷或其他碳氢化合物气体与水在低温高压下相互作用形成，在自然条件是天然气和水的冰状组合物
。
天然气水合物广泛存在于永久冻土区和大陆边缘外围的海底沉积物中，一般认为存在于天然气水合物聚集中的天然气资源大大超过了已知的天然气储量
。
除了作为一种未来的能源资源，天然气水合物还代表着巨大的钻探和生产风险
。
[0003]目前深水油气资源勘探开发不断深化，海洋钻井日趋增多，与陆地钻井不同，受海水低温环境影响，海底附近及以上井筒温度较低；在重力和钻井液流动的作用下，井筒压力高；所以海底附近和上方的井筒在海水低温
、
井筒高压的情况下更容易达到天然气水合物所需的温度和压力条件，这将导致井筒堵塞和流动安全等钻井问题
。
[0004]海洋钻井过程中，依次钻至地
(
储
)
层
、
天然气水合物层
、
地层，其中钻井液从钻柱中自井口注入井筒后，流经泥线以上井段即海底至海平面井筒，再经过泥线附近后，进入海底地层井段至井底钻头处流出，最后通过环空返排至井口处
。
在此过程中，泥线上方的钻柱
、
环空流体
、
立管和海水中的流体之间发生连续的热交换；这也发生在泥线以下的钻柱
、
环空流体
、
套管
、
水泥环和地层中的流体之间
。
同时，井筒中的流体流动将携带热量并摩擦壁以产生热量
。
井筒中这种复杂的热量交换对于研究水合物生成条件准确判断至关重要，对于水合物生成堵塞井筒风险预测起关键性作用
。
但是当前还没有一套方法
(
系统
)
可以准确的对井筒温度
、
压力进行模拟计算
。
[0005]当前国内外对钻井过程中的井筒温度场和压力场一些学者进行了大量研究并取得了很大进展，但对深水钻井井筒温压场模拟及水合物形成风险预测还不够，特别是深水钻井中的井筒
‑
储层耦合温度场，压力场模拟以及井筒中水合物生成区域内生成厚度及堵塞率刻画较少，没有形成一套完整的井筒水合物风险预测方法
。
专利
CN106951666A
公开了一种海洋天然气水合物层钻井井筒温度场计算方法，将井筒轴向进行划分，自井口至井底通过建模迭代计算某节点温度，提供了一种钻遇水合物层井筒温度场传热及计算方法，但是没有涉及压力场及水合物形成条件判断；专利
CN104895560A
公开了一种深水测试井井筒压力
、
温度场模拟及水合物预测方法，只适用于测试阶段井筒温压场计算，没有涉及钻井液注入及返排过程中井筒
‑
环空
‑
地层之间的热传递，不能直接应用到井筒
‑
储层耦合温度场计算及井筒水合物形成区域预测
。
因此，迫切需要对深水钻井井筒水合物形成区域及水合物生成风险预测进行研究，迫切需要建立井筒
‑
储层耦合温度场
、
压力场模拟和计算水合物形成区域内生成量及堵塞率，形成水合物堵塞井筒的风险判别方法，对保障深水油气资源勘探开发安全具有重要的理论意义
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，以解决如何精确模拟钻井井筒温度
、
压力变化，以及如何对水合物堵塞井筒风险进行判别的技术问题
。
[0007]本专利技术是采用以下技术方案实现的：井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，包括如下步骤：
[0008]S1
：准备基础参数，所述基础参数包括钻井工程参数
、
井筒结构及套管参数和基本热物理参数；
[0009]S2
：井筒网格划分，将井筒和井周围的海水或地层划分为不同的控制层和控制节点；
[0010]S3
：定义初始条件和边界条件；
[0011]S4
：建立井筒
‑
储层耦合温度模型
、
环空压力梯度模型以及水合物生成模型；
[0012]S5
：通过井筒
‑
储层耦合温度模型和环空压力梯度模型分别计算井筒任意节点温度和环空压力，并通过水合物生成模型预测水合物生成风险
。
[0013]进一步的，所述钻井工程参数包括：井深
、
钻头直径
、
海水深度
、
钻柱内外径
、
海平面温度
、
地温梯度
、
钻井液排量
、
钻井液注入温度
、
循环时间和钻杆长度中的一种或多种；
[0014]井筒结构及套管参数包括：立管
、
套管内外径及下放深度中的一种或多种；
[0015]基本热物理参数包括：钻井液密度
、
比热容及导热系数
、
钻柱
、
钻杆
、
立管
、
套管
、
水泥环密度
、
比热容及导热系数
、
海水和地层密度
、
比热容及导热系数中的一种或多种
。
[0016]进一步的，步骤
S2
具体为：
[0017]将垂直于井筒的方向设置为径向，并将井筒和井周围的海水或地层沿径向划分为不同的控制层；
[0018]将井筒方向设置为轴向，并将井筒和井周围的海水或地层沿轴向划分为不同的控制节点
。
[0019]进一步的，步骤
S3
具体为：定义初始条件和边界条件：井各层的初始温度等于海水和地层的原始温度；海水的温度
、
远端海水温度不随时间变化；井口钻柱中的钻井液温度等于钻井液注入温度；钻柱中的钻井液温度以及环空温度和钻柱井底处相等；井口的环空压力等于井口背压
。
[0020]进一步的，所述井筒
‑
储层耦合温度模型包括钻柱流体单元传热方程
、
钻柱传热控制方程
、
环空换热控制方程
、
套管第一层传热控制方程及套管
、
水泥环与周围地层传热控制方程
。
[0021]进一步的，所述钻柱流体单元传热方程为：
[0022]式中，
ρ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
：准备基础参数，所述基础参数包括钻井工程参数
、
井筒结构及套管参数和基本热物理参数；
S2
：井筒网格划分，将井筒和井周围的海水或地层划分为不同的控制层和控制节点；
S3
：定义初始条件和边界条件；
S4
：建立井筒
‑
储层耦合温度模型
、
环空压力梯度模型以及水合物生成模型；
S5
：通过井筒
‑
储层耦合温度模型和环空压力梯度模型分别计算井筒任意节点温度和环空压力，并通过水合物生成模型预测水合物生成风险
。2.
如权利要求1所述的井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，其特征在于，所述钻井工程参数包括：井深
、
钻头直径
、
海水深度
、
钻柱内外径
、
海平面温度
、
地温梯度
、
钻井液排量
、
钻井液注入温度
、
循环时间和钻杆长度中的一种或多种；井筒结构及套管参数包括：立管
、
套管内外径及下放深度中的一种或多种；基本热物理参数包括：钻井液密度
、
比热容及导热系数
、
钻柱
、
钻杆
、
立管
、
套管
、
水泥环密度
、
比热容及导热系数
、
海水和地层密度
、
比热容及导热系数中的一种或多种
。3.
如权利要求1所述的井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，其特征在于，步骤
S2
具体为：将垂直于井筒的方向设置为径向，并将井筒和井周围的海水或地层沿径向划分为不同的控制层；将井筒方向设置为轴向，并将井筒和井周围的海水或地层沿轴向划分为不同的控制节点
。4.
如权利要求1所述的井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，其特征在于，步骤
S3
具体为：定义初始条件和边界条件：井各层的初始温度等于海水和地层的原始温度；海水的温度
、
远端海水温度不随时间变化；井口钻柱中的钻井液温度等于钻井液注入温度；钻柱中的钻井液温度以及环空温度和钻柱井底处相等；井口的环空压力等于井口背压
。5.
如权利要求1所述的井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，其特征在于，所述井筒
‑
储层耦合温度模型包括钻柱流体单元传热方程
、
钻柱传热控制方程
、
环空换热控制方程
、
套管第一层传热控制方程及套管
、
水泥环与周围地层传热控制方程
。6.
如权利要求5所述的井筒
‑
储层耦合温度场模拟及水合物生成风险预测方法，其特征在于，所述钻柱流体单元传热方程为：式中，
ρ
为密度；
ν
为流速；
qv
为钻井液驱替位移；
c
为比热容；
h
为对流换热系数；
d
pi
为钻柱内径；所述钻柱传热控制方程为：式中，
λ
为导热系数；
d
po
为钻柱外径；
所述环空换热控制方程为：式中，
d
ci
为井筒第一层套管内径，所述套管第一层传热控制方程及套管...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纳，吴江，李海涛，冯安平，薛瑾，张傲洋，王鑫伟，李聪，胡海渔，吴昭暇，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：