深水钻探井筒温度场计算与分析

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1、深水钻探井筒温度场计算与分析深水钻探井筒温度场计算与分析??高永海1,孙宝江1,王志远1，曹式敬2,宋林松2，程海清11中国石油大学石油工程学院，山东，东营，2570612中海油田服务股份有限公司，北京，100027摘要：通过对海水温度数据回归分析，得到了南海海水温度场随深度的分布规律。在传热学基本理论的基础上，通过理论推导，得到了深水钻探井筒温度场在循环及停止循环条件下的温度场理论公式。计算结果表明，循环钻进期间，要维持隔水管内的温度，应保证隔水管的保温层完好，并在满足钻井施工条件下，尽量增大循环排量。停止循环时，随

2、着关井时间的增加，井筒内流体温度逐渐接近外界环境温度。为避免在井筒及防喷器处生成大量水合物，关井时间要尽量短。关键词：深水钻井，井筒，温度场，预测1引言深水钻井时，海水的温度梯度与地层的温度梯度相反，同时伴随着海水与隔水管或钻杆内流体的对流热交换[1]，海水同隔水管或钻杆的换热与地层同井筒热交换计算方法不同。海底的低温会影响钻井液的密度及流变性[2~7><4]，同时由于海底低温和高压的共同作用，如果有油气的产出，可能会生成水合物[5，6]，因此有必要对深水钻井的井筒温度场进行研究。2海水温度场目前海水温度场随深度关系的

3、描述还不清楚，首先应对海水温度场进行研究，得到其数学描述。大致在南、北纬<45°之间，海水水温的垂直分布可分三层：混合层、温跃层及恒温层[7，8]。海水的温度同深度具有一定的相关性。温跃层下界最大深度为200m，温跃层以下的海水温度受海面温度影响很小，可以用一通用的公式进行拟合，从而得到海水温度同深度的关系式[9]，[10]。)1/(30/)(21aahseaeaaT+++=，h>200m(1)基金项目：国家“863”计划项目（2006AA09A106），教育部博士点基金项目（20060<425502）//.pa

4、per.edu.cn1式中，a1＝39.<4，a2＝37.1，a0＝130.1，a3＝<402.7Tsea为海水温度，℃；h为海水深度，m。对于我国南海深度小于200m的海水温度，在春夏两个季节混合层不明显，而秋冬季混合层分别达到50与100m[11]。假设温跃层有固定的温度梯度值，在这一区域温度随深度逐渐降低，得到以下拟合方程：春季：20068h.13)h200(+??=SseaTT0≤h<200m夏季：SseaTT=0≤h<20m180)20h(7.13)h200(??+??=SseaTT20≤h<

5、;200m秋季：SseaTT=0≤h<50m150)50h(7.13)h200(??+??=SseaTT50≤h<200m冬季：SseaTT=0≤h<100m100)100h(7.13)h200(??+??=SseaTT0≤h<200m(2)其中，TS为海水表面温度，℃。3井筒温度场模型的建立3.1钻井循环期间(1)海底以下井段井筒及钻柱温度计算方程式正常钻进期间，井筒内的流动为稳定流动。为得到环空及钻杆内的流体温度，建立如图1所示的微元体，微元体满足能量平衡。//.paper.edu.cn2图

6、1井筒同外界能量守恒物理模型图中，)(dzzha+、)(zha为环空中单位时间流体进入、流出微元体的焓，J/s；)(dzzht+、)(zht为钻柱内单位时间流体进入、流出微元体的焓，J/s；Fq为单位时间环空与外界交换的能量，J/s；taq为单位时间环空与钻杆微元体交换的能量，J/s；θ为井斜角,度；v为流体速度，m/s。环空能量方程为：0cos)(21)(21)()(22=??+????++??+taFaaaaagdzwzvwdzzvwzhdzzhθ(3)即：0cos=??+????+dzdqdzdqgwdzdvvw

7、dzdhtaFaaaaaθ(<4)其中，Fq为单位时间地层进入环空微元体的热量，J/s：dzTTTkqwbeiDeF)(2??=π(5)θ为井斜角,度；)(dzzha+为单位时间流体进入微元体的焓，包括内能和压能，J/s；)(zha为单位时间流体流出微元体的焓，包括内能和压能，J/s；taq//.paper.edu.cn3为单位时间环空传递给钻杆微元体的能量，J/s；v为流体速度，m/s；aw为环空流体质量流量，kg/s；Tei为地层温度，℃；Twb为井筒同地层界面（第二界面）温度，℃；TD为瞬态传热函数，具体计算方法

8、见文献12。井筒同地层界面温度与井筒环空能量满足[13]：)(2awbacoTTUrq??=π(6)F=，由（5）及（6），得：dzTTAcwqaeipaaF)(??=(7)其中，][2eacoDacoepaakUrTUrkcwA+=π(8)Ua为环空流体与地层的总传热系数，cemcowbcoackrrrhUa)/ln(11+=?