钻头机械能对深水钻井井简温度场的影响分析.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 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 1 ．中国石油 大学 北京石油工程教育部重点实验 室 洋 翟小强 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 在深水钻井中实施控压钻井方式 ，可以在钻井 液密度窗 口低的深水钻井条件下顺利钻进。控压钻 井要求在精确确定钻井液井底当量循环密度 E C D 的基础上，合理调节井 口回压或钻井液密度，以达 到控压钻井的效果。对于深水钻井而言，由于其井 筒温度分布与陆地钻井不同，而且温度影响钻井液 密度和其他流变参数，进而影响流动压耗 和 E C D 值 ，所以深水钻井井筒温度对深水井控安全有着重 要影响，有必要建立深水钻井温度计算模 型。传统 的井筒温度计算方法主要有 3种一是 A P I 的经验 计算方法 ，二是以 R a me y为代表的经典温度计算 模型 ，三是 以 H a s a n K a b i r 为代表的机 理计算模 型 。以上 3种方法均没有考虑井底钻头机械能损 耗生热造成的温度影响，不适用于深水钻井井筒温 度计算 。 笔者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，使井筒温 度计算结果更加准确。 1 井筒循环温度数学模型 1 ． 1 方法原 理 笔者的方法是在所有热力学参数 、钻井液有关 参数及井身结构 已知 的情况下 ，根 据钻井液、钻 柱 、套管 、井壁 、地层 、海水 、隔水管之间的热传 导及热对流过程 ，并考虑钻井液循环摩阻生热和钻 头机械能损耗生热因素 ，将井筒 的热量传递过程分 为钻柱 内井 口至井 底 、环空井底 至海 底泥线 、海底 泥线至海平面环空出口3个阶段 。根据能量守恒原 理 ，建立了相应的井筒温度场计算数学模型 ，通过 对模型求解得到随井深变化的井筒内温度值。 1 ． 2 基本 假设 在模型的建立过程 中，为了优化计算模型，并 使优化模型满足深水钻井施工的精确计算，根据井 筒中实际流体的传热特点，笔者提出以下假设条件 1 由于井筒 内轴向热对流产生 的热量远远 小于径向上热对流产生的热量 ，故忽略轴 向上热对 流产生的热量； 2 在计算中忽略海水 、地层 、管材 、水泥环 及钻井液径向温度梯度，即径向上不存在温度梯度 ； 3 在计算中忽略温度和压力对海水 、地层 、 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 “ 8 6 3 ”计划项 目 “ 深水钻井井控技 术” 2 0 0 6 A A 0 9 A1 0 6 的部分 内容 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 设钻井液为高压 ，不可压缩 ； 4 假设地温与海水温度梯度是恒定 的，钻 井过程中，地温和海水温度不受井筒传热的影响 ； 5 钻杆内为一维稳态传热 ，环空 中地层段 的热传递是非稳态的 ； 6 假设 钻井液流速不受井眼缩径和扩径 的 影响，即钻井液在井眼内流速恒定。 1 ． 3 井筒 内温度场 模型 建立 根据能量守恒方程 以及热量传递 的基本原理， 分别取钻杆内和环空内的微元体作为研究对象 图 1 ，推导这些微元体的能量守恒方程 ，最终分别得 出钻杆内与环空中海水段、地层段的传热模型。 葺 水 隔 钻 杆 壁 钻 杆 壁 ； 管 水 l 一 ／ ， ≥ 逶 井 ll 圭li 层 ； 壁 擘 l ； ll l ， 图 1 深 水 钻 井 传 热 示 意 图 1 ． 3 ． 1 钻杆 内温度 场模型 如图 1所示 ，取钻杆内某处的微元体作为分析 对象。微元体的热量组分有钻井液带人的静热量 、 与环空内径 向对流换热的热量及钻杆内钻井液循环 摩阻生成的热量。因此 ，钻杆内微元体的能量平衡 方程为 井 口到井底 Q Q P Q 叩Q 咖 1 式中Q 钻杆内流出微元体的热量 ，J ； Q 钻杆内流人微元体的热量 ，J ； Q 径 向上对 流换热 流人环空的热量 ，J ； Q 钻杆内钻井液摩阻生成的热量 ，J 。 1 ． 3 ． 2井底 温度 场模型 钻井过程中，钻头机械能用于切割岩石使其脱 离钻头齿面，基于现场测量结果，最大钻头效率一 般处于 3 0 ％ ～ 4 0 ％之 间，也就是有大部分的机械 能转换成热 能流人到破 碎 的岩 石和钻 头体 内 。 当钻井液循环到井底钻杆处，迅速冷却钻头 ，并携 带高温岩屑进入到环空人 口。此时，钻头机械能产 生的大量热量流入钻井液，使井底钻井液温度迅速 产生波动。因此 ，井底钻头机械能产生的热量是研 究深水钻井井筒温度场不可忽略的一部分。井底处 钻杆 出口与环空入口能量平衡方程为 Q Q ； Q 2 式中Q 环空内流入微元体的热量 ，J ； Q 钻井液吸收钻头机械能产生的热量，J 。 1 ． 3 ． 3环 空 内温度 场模 型 如图 1 所示 ，取环空中某处微元体作为分析对 象。微元体的热量组分有钻井液带人的静热量 、与 钻杆内的径 向对流换热的热量 、与地层之间的径向 对流换热的热量 、钻井液循环摩阻生成的热量及钻 头机械能产生的热量。因此 ，环空内微元体的能量 平衡方程为 地层段 Q Q 。 ； 一Q Q 。Q s ． 3 式中Q 环空中流出微元体的热量 ，J ； Q 径向上对流换热从地层流人 的热量 ， J Q 环空内钻井液摩阻生成的热量，J 。 海底泥线到井 口段 Q 。 Q 。 一Q 一Q Q m 4 式中 Q 径向上对流换热流人海水的热量 ，J 。 2温度场模 型求解 式 1 ～式 4 组成 了循环时的井筒温度 场基本模型 ，通过解析解 的方式求解该温度场模 型 ，就可以得到循环时的井筒温度分布。为了能够 使求解过程简便 ，且保证求解结果与实际测量的温 度场结果误差小 、精度高，笔者将温度场模型的求 解分了以下步骤。 2 ． 1 模型化简 。 由第 1 部分可知，钻井液温度场模型的建立可 分为不同的阶段 ，对流换热时，热量表达式为 Q K U A T 5 式 中 对 流换热 面积 ，m ； AT 对流换热温度差 ， ℃ ； 综合换热系数 ，w／ m q C 。 热传导时 ，热量表达式为 Q c mA T 6 式中c 钻井液比热容 ，J ／ k g ℃ ； m所研究单元体的质量流量 ，k g ／ s ； △卜热传导时的温度差 ， ℃。 根据式 5 和式 6 将管柱和环空参数带 入式 1 ～式 4 ，可以分别得到钻杆 内、环空 地层段及环空海水段的温度模型微分表达式。 钻杆内的温度模型微分表达式为 2 0 1 0年 第3 8卷 第 1 l 期 崔猛等钻头机械能对深水钻井井筒温度场的影响分析 百 1 一 。 P 。 其中，B C q r p 。 式中 井深 z 处环空内钻井液温度 ， q C； 井深 z 处管柱内钻井液温度 ， q C； p 钻井液密度 ，k g ／ m ； q 钻井液热流密度 ，W／ I l l c IC ； 管柱内半径，m； ，一 6 海水段和地层段分别对应水温梯度和 地温梯度 ， C I ／ m。 钻杆内摩擦生热温度 ， ℃。 环空地层段温度模型的微分表达式 誓 百1 一 一 1 T 一 一 8 鼽4 。 式中 地层的导热系数 ，W／ I l l ℃ ； r 井眼半径，I n ； 环 空 与井 壁 之 间 的换 热 系数 ，W／ i n ℃ ； 无因次时间量； 地层初始温度 ， o C； 井深 z 处地层温度 ， ℃。 环空海水段温度模型微分表达式 d L I L 一 1 一 一 9 其中，A 。 式 中h s 海水 和环 空钻井 液对 流换 热 系数 ， W／ m o C ； 井深 处海水温度 ， c 【 。 2 ． 2 模型求解 求微分方程 7 、 8 和 9 的通解，则钻 杆内和环空内的温度分别为 C l e c 2 e 一B 6C o 1 0 C l e B r I1 C 2 e 曰 r 21 C 0 1 1 其 中，r 1 ll__ ／ 2 A ，r 1 一、 ／ 2 4 ，C I 一 r e B 6 一 C o 一 ] ／ F Ie rlz _ F 2 e r2z ， C r I e rlz T i B 6 一C 。 一 6 e _ r 2 e ，c 。 T AB A ，参数． A、 、△ 、6及 换热系数均取各 自对应层段的温度模型参数。 式中 钻井液在管柱内的人 口温度 ， o C； 2 ． 3 模型中相关参数的计算 2 ． 3 ． 1 钻井液摩阻产生的温度计算 钻井液流动摩阻产生的温度 用下式计算 1 d Pf 1 2 式 中P ， 流动压耗 ，P a 。 ‘ 2 ． 3 ． 2 钻头机械能产生的温度计算 笔者认为在钻头齿 面产生 的热 量 q为摩擦 因 数 、平均正应力和钻头旋转速度的乘积 ，即 q l 1 3 式中q 钻头机械能产生的热量 ，J ； 产__摩擦因数 ，无量纲 ； 平均正应力 ，P a ； 钻头旋转速度 ，m ／ s 。 而该热量流人钻头的表达式为 Q q a 。 1 4 式中0 热量流入钻头的比例系数 ； Q 钻头机械能产生的热量流入钻头的部 分 ，J 。 岩石和钻头接触面的平均温度 可表示为 一 4 3 A Q ， r ＼ a 2 1 ， ] 1 5 其中，Q ， q 1 一n 。 式 中A 岩石的热传导系数，w／ I n ℃ ； n 热扩散系数 ，无量纲； f 热 源长度 ，m； 机 械钻速 ，m ／ s 。 钻头的平均温度为 Q 1 6 式中 钻头的热阻， c C m ／ w。 联立式 1 4 、式 1 5 和式 1 6 可得 一 [ ] ‘ ， 将式 1 3 、式 1 7 代人式 1 4 可得 Q ， 再将 Q 代人式 6 可得 △ 。 2 ． 3 ． 3 对 流换 热 系数 计算 钻杆内和环空之间采用综合传热系数 U，计算 公式为 U 1 1 8 其中，h 0 ． 0 1 0 7 R e P r 后 f ／ 2 G ，h 。 0 ． 0 1 0 7 R e P r 0 ∞ k f ／ 2 G 。 ，P tx C ／ k 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 式中 钻柱内壁与钻井液的对流换热系数 ， W／ Il l 。 ； 钻柱外壁与钻井液的对流换热系数， W／ I l l o c ； P r 普朗特数 ，无量纲； ，钻井液的导热系数 ，W／ I T I c 【 ； r 』 }fJ 管柱外半径，m； 肛 钻井液动力粘度，P a S 。 环空与井壁之间的换热系数 h 计算公式为 1 9 凡 ■ 一 l ￡ r 环空和海水之 间的综 合传热系数 h 与环 空和 钻杆内传热系数的计算同理。 3 计算结果及分析 3 ． 1 井筒温度场计算分析 通过以上方法建立深水钻井模型后 ，编制 了相 应软件 ，对南海某 口深水井井筒温度进行计算。钻 井液在钻杆内向下循环至井底 ，温度逐渐升高；而 环空中的钻井液从井底上返到 出口，温度受管柱内 温度和海水温度的双重制约 ，随时间的变化而改变。 过去研究传热过程规律分析时没有涉及钻井液摩阻 生热及钻头机械能生热，但笔者在温度场建模中考 虑了这几种因素。图2为计算得出的井筒温度曲线。 0 500 1 000 E l 500 媸 2 0 0 0 2 50 0 3 0 0 0 3 5O0 4 00 0 图 2深 水 钻 井 井 筒 温度 曲线 1 如图 2所示，钻井液进入钻杆 内，温度 为 2 5 c I ，带人大量的静热量进入钻杆 ，环空 中的 钻井液从地层上返到海水段带入大量的地层热量 ， 在与海水进行热交换的同时 ，向钻杆内释放热量 ， 所以钻井液在钻杆内向下循环初期到海底泥线 ，钻 杆内的温度逐渐升高。 2 钻井液从钻杆内进入地层段之后 ，环空中 钻井液与地层进行对流换热 ，吸收大量 的热量，从 而向钻杆内释放更多的热量，钻杆内钻井液循环到 井底温度升至4 O℃，地层段钻井液温度升高幅度要 大于海水段。当到达裸 眼段 3 4 0 0 m的时候，温度 由3 8 q C 迅速升至 4 0 c ，原因是环空钻井液直接与 地层发生热交换 ，导致向钻杆 内释放更多的热量。 3 钻井液进入井底携带大量破碎岩屑，吸 收了大量机械能导致温度突升到 4 3 c c进入环空。 与陆地钻井不同的是，深水钻井井底温度与地层温 度温差很 大，主要是因为海水段换热。进入环空 后 ，由于地温梯度 ，钻井液 向井 口循环 ，随着井深 变浅 ，吸收地层热量减少 ，导致环空温度降低。值 得注意的是 ，环空中钻井液最高温度不是在井底而 是在地层 段 2 8 0 0 m处 ，为 4 5℃ 。 4 环空中钻井液循环到 1 4 8 0 m进人海水 段 ，环空 中钻井液向钻杆内释放热量的同时，又向 海水释放热量 ，导致海水段环空中钻井液温度比地 层段钻井液温度降低幅度大 ，循环至井 口时温度降 至 3 3℃ 。 表 1为环空内计算温度和实测温度对比表。整 个井筒温度场计算结果与实际测量结果最大误差小 于 5 ％ ，表明该方法的计算结果精度 比较高 ，对深 水钻井井筒温度场计算具有重要的应用价值和工程 参考 意 义 表 1 环 空内计算温度和实测温度对 比 3 ． 2 机 械能对 井筒温 度 的影响分 析 笔者建立的井筒温度计算模型考虑了井底钻头 机械能产生的热量 ，钻井液流经井底 ，携带大量的 高温岩屑，导致温度迅速提升。通过实际测量 ，当 钻井液从钻杆底部携岩至环空底部 ，平均升温 2～ 5 。如图3所示 ，通过软件计算 ，考虑到钻头机 械能生热，钻杆 内井底温度在井底产生波动 ，导致 O 50 0 1 0 0 0 誊 l 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 o o o ． 图 3 机械能对井筒温度 影响 的曲线 温度迅速升高 3 进入环空 ，计算结果与实测数据 吻合。图 3中 1表示不考虑机械能钻杆内温度的影 响 ，2表示考虑机械能钻杆内温度的影响 ，3表示 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 1 1 期 崔猛等 钻头机械 能对深水钻 井井筒温度场的影响分析 不 考虑机 械能环空 内温 度 的影 响 ，4表 示 考虑 机 械 能环空内温度的影响。因此 ，研究深水钻井井筒温 度模型必须考虑钻头机械能生热的影响。 4 结 论 1 钻头机械能在破岩过程中产生的热量流入 地层岩石 ，钻井液在井底携岩过程 中温度产生了瞬 时波动，其温度波动范围为 2～ 4℃。因此 ，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 。 2 建立 了深水钻井井筒温度场计算 优化数 学模型。该模型主要由钻杆内钻井液 、环空内钻井 液 、地层及海水之间建立的能量守恒偏微分方程构 成，与此同时考虑了钻井液摩阻生热以及钻头机械 能破岩生热等因素。通过解析解的方式对偏微分方 程求解 ，得到井筒循环温度的解析解 ，并将求解结 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。 3 不同于陆地钻井，深水钻井井筒 内的热传 递是一个非常复杂的过程。主要原因是海水和地层 的温度梯度不同。为了使模型的计算结果更加准确， 需要结合大量的现场真实数据 ，修正模型中的系数。 参考文献 宋金初 ，蔡清 ，梁定 火 ．井 眼循 环温度分 布规律 [ J ]．江汉石油科技，2 0 0 6 ，1 6 4 5 1 5 3 ． 易灿 ，闫振来 ，郭磊 ．井下循 环温度及其影 响 因素的数值 模拟研 究 [ J ]．石油钻 探技 术 ，2 0 0 7 ， 3 5 64 74 9 ． Z i j s l i n g D H ． A n a l y s i s o f t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a n d P e ffo r ma n c e o f p o l y c r y s t a l l i n e d i a mo n d c o mp a c t b i t s un d e r fi e l d d r i l l i n g c o n d i t i o n s[ R]． S P E 1 3 2 6 0 ，1 9 8 4 ． Ka b i r C S ．De t e r mi ne c i r c ul a t i o n flu i d t e mp e r a t u r e i n d r i l l i n g ，w o r k o v e r ，a n d w e l l c o n t r o l o p e r a t i o n s[ R]． S PE Dr i l l i n g＆ Co mp l e t i o n． 1 99 6． R o me r o J ． T e mp e r a t u r e p r e d i c t i o n f o r d e e p wa t e r w e e l l s a fi e l d v a l i d a t e d m e t h o d o l o g y [ R] ． S P E 4 9 0 5 6 ， 】 9 9 8． 第一作者简介 崔猛 ，生于 1 9 8 0年 ，2 0 0 6年毕业 于 悉尼科技大学 澳大利亚 ，获硕士学位 ，现为 中国石油 大 学 北 京 油 气 井 工 程 专 业 在 读 博 士 研 究 生 。地 址 1 0 2 2 4 9 北京市 昌平区。E m a i l e u i m e n g d n c n p c ． c o n ． e n 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 1 6 本文编辑王刚庆 上接第2 2页 4 结 论 1 新型接头在保持与普 通 A P I 接头具 有相 当的连接强度的同时，还显著提高了接头的抗扭性 能，而且其密封性能优于 A P I 标准接头 ，不容易发 生胀扣和刺漏等失效事故。 2 与 A P I 钻杆接头相 比，笔者设计 的新型 接头结构更适用于大扭矩 、弯 曲载荷的高压及超高 压等复杂的油气井中。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 石 晓兵 ，施太和 ．一种新型 钻柱稳定器 连接螺纹 减 应力 区的研究 [ J ]．天 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甫青 ，张毅 ． G 1 0 5反 扣钻杆胀扣 失效 分析 [ J ]．宝钢技术，2 0 0 1 1 1 9 2 1 ． 第一作者简介 任辉 ，生于 1 9 8 5年 ，华东理工大学 机械与动力工程学 院硕士研 究生 ，主要研究 方 向为钻具接 头的有 限 元分 析 。地 址 2 0 0 2 3 7 上海 市徐 汇 区。 电话 0 2 1 6 4 2 5 2 9 l 0 。E m a i l r e n h u i0 1 7 1 6 3 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 3 本 文编辑王刚庆 1 』] j] ， 1 J 1 J _l