孫萬通　孟英峰　魏　納　李永杰　李　皋　陳光凌

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川　新都　610500）

海洋鉆井過程中的井筒溫度敏感性研究

孫萬通孟英峰魏納李永杰李皋陳光凌

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川新都610500）

海洋鉆井過程中，井筒中鉆井液溫度變化規(guī)律與常規(guī)陸地鉆井不同，而由于鉆井液流變性主要受井筒溫度變化的影響，進(jìn)而會影響到鉆井施工的順利進(jìn)行。為此，需要深入了解海洋鉆井井筒溫度變化，以井筒能量守恒關(guān)系和傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立海洋鉆井井筒溫度分布數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行敏感性分析，形成海洋鉆井井筒溫度分布研究的數(shù)學(xué)方法，得到了其敏感性影響因素及變化規(guī)律：隨排量增大，泥線以上井筒溫度增大，泥線以下井筒溫度降低；隨注入溫度增大，泥線以上井筒溫度升高，泥線以下井筒溫度保持不變；保溫層使泥線以上井筒溫度變化的幅度降低，有利于鉆井液性能穩(wěn)定。

海洋鉆井井筒溫度海水溫度熱交換敏感性

0　引言

海洋鉆井過程中，由于海水的作用，泥線以上井段其鉆井液溫度會隨著井深的增加而減小，而泥線以下井段由于地層的作用又隨著井深的增加而增大，鉆井液溫度的這種變化規(guī)律與常規(guī)陸地鉆井中隨著井深增加而增大不同［1］。由于海底低溫和地層高溫的作用，鉆井液性能會隨井深的變化發(fā)生較大改變，進(jìn)而影響井筒流動參數(shù)和鉆井施工安全［2-5］。因此，深入研究海洋鉆井井筒溫度變化，對其影響因素進(jìn)行敏感性分析，對于進(jìn)一步分析鉆井液流變性的全井筒剖面、海洋鉆井安全施工等具有重大意義。為此，筆者在分析海水溫度垂向分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳熱學(xué)理論和能量守恒基本定理，建立了海洋鉆井井筒溫度分布數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行敏感性分析，形成了海洋鉆井井筒溫度分布研究的數(shù)學(xué)方法，得到了其敏感性因素及變化規(guī)律。

1　海洋鉆井中井筒溫度分布模型

1.1泥線以上井段

海洋鉆井過程中，泥線以上井筒傳熱示意圖如圖1A所示。為得到海洋鉆井井筒溫度分布模型，假設(shè)鉆井液在井筒中的流動為一維軸向流動，根據(jù)傳熱理論和能量守恒定律，建立傳熱微分單元體，如圖2所示。環(huán)空中能量方程如下：

圖1　井筒熱量傳遞示意圖

圖2　井筒中傳熱微分單元體圖

式中，ma為環(huán)空中流體質(zhì)量流量，kg/s；va為環(huán)空流速，m/s；qa為環(huán)空中傳熱微分單元的焓變速率，J/s；g為重力加速度，m/s2；qwa為微元體上海水向環(huán)空的傳熱速率，J/s；qpa為微元體上鉆桿向環(huán)空的傳熱速率，J/s；qfa為環(huán)空中微元體上鉆井液摩擦產(chǎn)熱速率，J/s。

式（2）中各參數(shù)求解過程如下：

環(huán)空中傳熱微分單元體的焓變速率為

其中

微元體上鉆桿向環(huán)空的傳熱速率為

其中

微元體上鉆井液摩擦產(chǎn)熱速率［6-7］為

聯(lián)合式（3）～（8）和式（2），整理得到

采用和環(huán)空溫度分布相同的計(jì)算方法，可得鉆桿內(nèi)溫度分布如下：

結(jié)合式（10）與式（12）可得鉆桿內(nèi)鉆井液溫度分布如下：

式中，mp為鉆桿中流體質(zhì)量流量，kg/s；vp為鉆桿中流體流速，m/s；qp鉆桿中傳熱微分單元體的焓變速率，J/s；qfp為鉆桿中微元體上鉆井液摩擦產(chǎn)熱速率，J/s；pp為鉆桿中的壓力，Pa。

從式（10）和式（13）可以看出，無論是井筒中或者鉆桿內(nèi)，井筒溫度的分布均與海水溫度有很大影響，筆者對海水溫度分布情況作如下分析：

海洋溫度自上而下一般分為混合層、溫躍層和恒溫層。經(jīng)過調(diào)研分析，根據(jù)我國南海實(shí)際情況，海水混合層垂向溫度剖面為［8］：

式中，T0為海表溫度，℃；h為海水深度，m，0≤h≤200 m。

根據(jù)通用擬合公式，海水溫躍層和恒溫層的垂向溫度剖面方程［9］：

式中，a1、a2、a3、a4為曲線擬合系數(shù)，a1=2.307 13，a2=39.398 39，a3=130.137 19，a4=402.731 77；h為海水深度，m，h≥200 m。

1.2泥線以下井段

海洋鉆井過程中，泥線以下井筒傳熱示意圖如圖1B所示。對比泥線以上井筒傳熱示意圖可以看出，泥線以下井段的井筒傳熱主要受到地層溫度的影響，同理，可得環(huán)空中能量方程如下：

式中，qsa為微元體上地層向環(huán)空的傳熱速率，J/s；其他參數(shù)與泥線以上井段相同。

微元體上地層向井筒外壁的傳熱速率為

微元體上井筒外壁向井筒環(huán)空的傳熱速率為

其中

根據(jù)能量守恒，單位時(shí)間微元體上地層向井筒外壁的傳熱量等于單位時(shí)間微元體上井筒外壁向井筒環(huán)空的傳熱量，則可得微元體上地層向環(huán)空的傳熱速率為，采用與

泥線以上井段相同的方法，可得泥線以下井段環(huán)空內(nèi)鉆井液溫度分布如下：

同理，泥線以下鉆桿溫度分布如下：

2數(shù)值求解

假設(shè)條件與邊界條件如下：

1）鉆井液循環(huán)時(shí)間足夠長，井筒溫度分布基本穩(wěn)定。

2）鉆桿中鉆井液在井口的溫度等于注入溫度，即

3）鉆桿中鉆井液的井底溫度等于環(huán)空中鉆井液的井底溫度，即

求解過程：海洋鉆井井筒溫度求解中，由于外界溫度包括海水溫度和地層溫度兩個(gè)不同計(jì)算過程的溫度梯度，因此須采用數(shù)值方法進(jìn)行求解。以井筒溫度模型為基礎(chǔ)，采用有限差分迭代方法［12］，對不同排量、不同注入溫度、有無保溫層條件下的井筒溫度進(jìn)行敏感性數(shù)值模擬研究。

3　算例分析

基礎(chǔ)參數(shù)：正常鉆進(jìn)，井深4 500 m；海水深度1 500 m；隔水管直徑508 mm；套管直徑406 mm；套管下入泥線以下2 980 m；鉆桿直徑127 mm；鉆頭尺寸320.7 mm；地溫梯度4℃/100 m。

3.1不同鉆井液排量

假設(shè)海洋鉆井過程中正常循環(huán)鉆進(jìn)條件下，循環(huán)時(shí)間足夠長，海面溫度和鉆井液注入溫度為25℃，井筒外無保溫層，鉆井液排量分別為30 L/s、50 L/s、70 L/s條件下，對井筒溫度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3　不同排量下井筒溫度分布圖

從圖3可以看出，排量從30 L/s增大到70 L/s，泥線以上海水井段，鉆桿中的溫度最小值從11℃增大到18℃，環(huán)空中的溫度最小值從8℃增大到13℃；泥線以下井段，隨著排量增大，鉆桿和環(huán)空中的溫度均有所降低，井底溫度從69℃降低到50℃。主要原因是隨著鉆井液排量的增大，井筒中的流體與海水、地層換熱不充分。在泥線以上井段，海水溫度隨著井深變大而降低，因此排量增大會造成井筒溫度變大；在泥線以下井段，地層溫度隨著井深變大而升高，因此排量增大會造成井筒溫度變小。

因此，海洋鉆井過程中，為了避免產(chǎn)生較大的溫度波動，進(jìn)而造成鉆井液流變性的變化和井筒施工參數(shù)的改變，可以適當(dāng)增大鉆井液排量。

3.2不同鉆井液入口溫度

假設(shè)海洋鉆井過程中正常循環(huán)鉆進(jìn)條件下，循環(huán)時(shí)間足夠長，鉆井液排量為50 L/s，鉆井液注入溫度分別為20℃、25℃、30℃，井筒外無保溫層條件下，對井筒溫度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4　不同注入溫度下井筒溫度分布圖

從圖4可以看出，鉆井液注入溫度從20℃增大到30℃，泥線以上海水井段，鉆桿中的溫度最小值從13℃增大到17℃，環(huán)空中的溫度最小值從10℃增大到14℃，環(huán)空井口溫度從16℃增大到21℃；泥線以下井段，鉆桿和環(huán)空中的溫度隨注入溫度的增大變化不大，井底處的溫度均維持在58℃左右。主要原因是鉆井液入口溫度較大，泥線以上井段，注入鉆井液與海水換熱時(shí)間較短，其溫度仍然較高；而泥線以下井段，地層溫度相同，由于井筒中的鉆井液與地層接觸時(shí)間較長而換熱充分，其最終到達(dá)井底處的溫度主要受地層溫度的影響，因此，泥線以下井段，鉆桿和環(huán)空溫度隨著注入溫度的增大變化不大。

因此，海洋鉆井過程中，為了避免鉆井液流變性由于井筒溫度變化而發(fā)生較大變化，應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件適當(dāng)調(diào)整鉆井液入口溫度以穩(wěn)定鉆井液性能。

3.3保溫層的影響

海洋鉆井中，隔水管外層安裝保溫層對穩(wěn)定井筒溫度具有有利作用。為了深入了解保溫層對海洋鉆井井筒溫度的影響，筆者假設(shè)正常循環(huán)鉆進(jìn)條件下，循環(huán)時(shí)間足夠長，海面溫度和井筒注入溫度為25℃，排量為50 L/s，井筒外是否有保溫層條件下，對井筒溫度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5　有、無保溫層時(shí)井筒溫度分布圖

從圖5可以看出，海洋鉆井過程中，井筒外有無保溫層，對泥線以上井段井筒溫度變化影響較大。圖5中，有保溫層時(shí)，鉆桿中最低溫度為21℃，環(huán)空中最低溫度為18℃；無保溫層時(shí)，鉆桿中最低溫度為14℃，環(huán)空中最低溫度為11℃。主要原因是保溫層的加入使井筒與海水的換熱系數(shù)降低，泥線以上井筒溫度變化較小，最低溫度高于無保溫層條件下的井筒最低溫度。

因此，海洋鉆井過程中，在海水井段加入保溫材料可以防止井筒溫度大幅變化，進(jìn)而穩(wěn)定鉆井液性能。

4　結(jié)論

1）分析了海洋鉆井中井筒與海水、地層的傳熱機(jī)理，建立并推導(dǎo)了海洋鉆井井筒溫度數(shù)學(xué)模型，并以此對海洋鉆井井筒溫度進(jìn)行數(shù)值分析，得到了其敏感性影響因素，為鉆井液流變性的全井筒剖面分析和海洋鉆井安全施工設(shè)計(jì)奠定了重要基礎(chǔ)。

2）通過分析得到：隨排量增大，泥線以上井段井筒溫度升高，泥線以下井段井筒溫度降低，適當(dāng)增大排量有利于鉆井液性能穩(wěn)定；隨注入溫度增大，泥線以上井段井筒溫度升高，泥線以下井段井筒溫度保持不變，合理調(diào)節(jié)入口溫度有利于控制鉆井液流變性；保溫層可促進(jìn)泥線以上井段井筒溫度變化幅度降低，有利于鉆井液性能穩(wěn)定和海洋鉆井安全施工。

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（編輯：李臻）

B

2095-1132（2016）04-0036-05

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.04.010

修訂回稿日期：2016-07-05

中國工程院—國家自然基金委聯(lián)合咨詢項(xiàng)目（L13220021）、國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（NO.51204140）資助。

孫萬通（1992-），博士研究生，研究方向?yàn)橛蜌饩こ?。E-mail：1403543721@qq.com。