钻头机械能对深水钻井井简温度场的影响分析

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1、石油机械2010年第38卷第11期CHINAPETROLEUMMACHINERY钻井新技术钻头机械能对深水钻井井简温度场的影响分析崔猛翟应虎于洋翟小强(1．中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室2．中国石油集团钻井工程技术研究院)摘要从影响深水钻井井筒温度分布的因素出发，在常规钻井井筒温度计算理论和模型的基础上，应用能量守恒方法，建立了深水钻井井筒温度预测模型，综合考虑了钻头机械能破岩生热、钻井液循环摩阻生热等诸多热源对钻井液温度场的影响。结果表明，钻头机械能在破岩过程中产生的热量流入地层岩石，钻井液

2、在井底携岩过程中温度产生了瞬时波动，温度波动范围为2～4℃，钻头机械能是研究深水钻井井筒温度场不可忽略的一部分。所建模型的求解结果与实测结果相比，最大误差小于5％，证明该模型具有较高的精度。关键词深水钻井钻头机械能井筒温度生热摩擦阻力破岩0引言1井筒循环温度数学模型在深水钻井中实施控压钻井方式，可以在钻井1．1方法原理液密度窗口低的深水钻井条件下顺利钻进。控压钻笔者的方法是在所有热力学参数、钻井液有关井要求在精确确定钻井液井底当量循环密度(ECD)参数及井身结构已知的情况下，根据钻井液、钻的基础上，合理调节

3、井口回压或钻井液密度，以达柱、套管、井壁、地层、海水、隔水管之间的热传到控压钻井的效果。对于深水钻井而言，由于其井导及热对流过程，并考虑钻井液循环摩阻生热和钻筒温度分布与陆地钻井不同，而且温度影响钻井液头机械能损耗生热因素，将井筒的热量传递过程分密度和其他流变参数，进而影响流动压耗和ECD为钻柱内井口至井底、环空井底至海底泥线、海底值，所以深水钻井井筒温度对深水井控安全有着重泥线至海平面环空出口3个阶段。根据能量守恒原要影响，有必要建立深水钻井温度计算模型。传统理，建立了相应的井筒温度场计算数学模型，通过的

4、井筒温度计算方法主要有3种：一是API的经验对模型求解得到随井深变化的井筒内温度值。计算方法¨，二是以Ramey为代表的经典温度计算1．2基本假设模型¨，三是以Hasan—Kabir为代表的机理计算模在模型的建立过程中，为了优化计算模型，并型¨。以上3种方法均没有考虑井底钻头机械能损使优化模型满足深水钻井施工的精确计算，根据井耗生热造成的温度影响，不适用于深水钻井井筒温筒中实际流体的传热特点，笔者提出以下假设条件：度计算。(1)由于井筒内轴向热对流产生的热量远远笔者从影响深水钻井井筒温度分布的因素出发，小于

5、径向上热对流产生的热量，故忽略轴向上热对在常规钻井井筒温度计算理论和模型的基础上，应流产生的热量；用能量守恒方法，建立深水钻井井筒温度预测模型，(2)在计算中忽略海水、地层、管材、水泥环综合考虑了钻头机械能破岩生热、钻井液循环摩阻及钻井液径向温度梯度，即径向上不存在温度梯度；生热等诸多热源对钻井液温度场的影响，使井筒温(3)在计算中忽略温度和压力对海水、地层、度计算结果更加准确。钻井液、管材及水泥石的热物性参数影响，并且假基金项目：国家“863”计划项目“深水钻井井控技术”(2006AA09A106)的部分

6、内容。石油机械2010年第38卷第11期设钻井液为高压，不可压缩；钻杆出口与环空入口能量平衡方程为：(4)假设地温与海水温度梯度是恒定的，钻Q(+)=Q(；+)+Q(2)井过程中，地温和海水温度不受井筒传热的影响；式中Q+——环空内流入微元体的热量，J；(5)钻杆内为一维稳态传热，环空中地层段Q——钻井液吸收钻头机械能产生的热量，J。的热传递是非稳态的；1．3．3环空内温度场模型(6)假设钻井液流速不受井眼缩径和扩径的如图1所示，取环空中某处微元体作为分析对影响，即钻井液在井眼内流速恒定。象。微元体的热量组

7、分有钻井液带人的静热量、与1．3井筒内温度场模型建立钻杆内的径向对流换热的热量、与地层之间的径向根据能量守恒方程以及热量传递的基本原理，对流换热的热量、钻井液循环摩阻生成的热量及钻分别取钻杆内和环空内的微元体作为研究对象(图头机械能产生的热量。因此，环空内微元体的能量1)，推导这些微元体的能量守恒方程，最终分别得平衡方程为：出钻杆内与环空中海水段、地层段的传热模型。地层段Q()=Q。(；+)一Q+Q。+Qs．(3)葺水隔钻杆壁钻杆壁；管水l式中Q——环空中流出微元体的热量，J；—一Q——径向上对流换热从地层

8、流人的热量，／，≥逶J：Q——环空内钻井液摩阻生成的热量，J。井海底泥线到井口段擘；ll#壁圭层liQ。(：)：Q。()一Q一Q+Qm(4)式中Q——径向上对流换热流人海水的热量，J。ll，；ll2温度场模型求解图1深水钻井传热示意图式(1)～式(4)组成了循环时的井筒温度1．3．1钻杆内温度场模型场基本模型，通过解析解的方式求解该温度场模如图1所示，取钻杆内某处的微元体作为分析型，就可以得到循环时的井筒温度分布