循環(huán)壓井井底溫度預(yù)測(cè)模型研究

循環(huán)壓井井底溫度預(yù)測(cè)模型研究

隨著能源規(guī)劃的不斷增加和油氣勘探和開發(fā)領(lǐng)域的擴(kuò)大，油氣藏的開發(fā)已成為一個(gè)重要的替代能源。近年來,國內(nèi)的深井、超深井越來越普遍,井筒循環(huán)溫度對(duì)深井、超深井壓井的影響非常大,不但關(guān)系到井內(nèi)壓力平衡、壓井液性能和井壁穩(wěn)定性,而且直接影響油管和套管設(shè)計(jì)。精確預(yù)測(cè)壓井過程中井筒溫度分布和變化規(guī)律,是鉆井完井作業(yè)安全、高效進(jìn)行的重要保證。通過深入研究影響井筒溫度分布的因素,確定各因素對(duì)井筒溫度的影響程度,為現(xiàn)場(chǎng)施工中根據(jù)需要采取措施控制井筒溫度的變化提供了理論依據(jù)。壓井井筒溫度分布受地層、壓井液、注入溫度等多種因素影響,采用實(shí)驗(yàn)方法來模擬這些因素對(duì)井筒溫度的影響難度非常大,因此數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于井筒溫度的預(yù)測(cè)研究中。筆者根據(jù)正循環(huán)和反循環(huán)壓井工藝特點(diǎn),建立了循環(huán)壓井過程中井筒二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型,并采用有限差分法對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)值求解。對(duì)排量、井深、注入溫度、油管尺寸4個(gè)重要影響因素進(jìn)行敏感性分析,研究各因素對(duì)井筒溫度的影響。采用差分網(wǎng)格對(duì)式(1)~(6)進(jìn)行離散處理,結(jié)合不同壓井方式對(duì)應(yīng)的邊界條件、初始條件,采用有限差分法求解式(1)~(6)便可得到不同時(shí)刻整個(gè)井筒二維剖面不同位置的溫度值。2井底溫度分布采用本文建立的壓力溫度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型及求解方法,對(duì)中石化西南油氣分公司1口超深井——元壩1井壓井作業(yè)時(shí)井筒溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,該井的工況參數(shù)及基本參數(shù)如表1、2所示。根據(jù)正循環(huán)壓井和反循環(huán)壓井兩種工況特點(diǎn),分別采用本文建立的預(yù)測(cè)模型計(jì)算整個(gè)井筒的溫度分布,計(jì)算結(jié)果見圖1、2。從圖中可以看出:根據(jù)元壩1井的井身結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù),正循環(huán)壓井井口排液溫度大于反循環(huán)壓井井口排液溫度,正循環(huán)壓井油管內(nèi)流體和環(huán)空內(nèi)流體的溫度均大于地溫,反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體和環(huán)空內(nèi)流體的溫度均小于地溫,循環(huán)壓井過程中井底溫度隨壓井時(shí)間先下降后逐漸穩(wěn)定,正循環(huán)壓井井底溫度高于反循環(huán)壓井井底溫度。這是因?yàn)樵摼h(huán)空截面積小于油管截面積,造成相同泵排量下環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)速度大于油管內(nèi)流體流動(dòng)速度。3井熱場(chǎng)影響因素分析3.1油管內(nèi)流體溫度下降圖3為排量對(duì)反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體溫度、正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著排量的增加,反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體溫度下降,正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體溫度上升。這是因?yàn)榉囱h(huán)壓井過程中油管內(nèi)流體流動(dòng)速度較小,井筒傳熱是壓井液溫度升高的主要影響因素,因此油管內(nèi)流體溫度隨排量的增大而下降;正循環(huán)壓井過程中環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)速度較大,摩擦生熱成為壓井液溫度升高的主要影響因素,因此環(huán)空內(nèi)流體溫度隨排量的增大而上升。3.2井深對(duì)井底溫度的影響圖4為井深對(duì)反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體溫度、正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著井深的增加,反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體井口溫度和正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體井口溫度均基本不變,井深主要影響井底溫度分布。這是因?yàn)檠h(huán)壓井過程中環(huán)空流體和油管內(nèi)流體間的熱傳遞基本平衡,井筒溫度分布接近地溫,僅靠近井底的位置流體溫度變化較大。3.3井筒內(nèi)部溫度圖5為注入溫度對(duì)反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體溫度、正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著壓井液入口溫度的增加,反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體出口溫度和正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體出口溫度均上升,井筒一定深度后的井筒溫度分布幾乎沒有變化,且反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體出口溫度大于正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體出口溫度。這是因?yàn)榉囱h(huán)壓井油管內(nèi)流體比正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體受注入流體溫度影響更加顯著。3.4反循環(huán)壓井流場(chǎng)尺寸圖6為油管尺寸對(duì)反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體溫度、正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著油管尺寸的增加,反循環(huán)壓井油管內(nèi)流體溫度下降,正循環(huán)壓井環(huán)空內(nèi)流體溫度上升,其原因同排量的井筒溫度的影響一致。從圖3~6各敏感參數(shù)對(duì)循環(huán)壓井井筒流體溫度分布的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果可得出,這些參數(shù)對(duì)循環(huán)壓井井筒溫度分布的影響程度均沒有擠酸和求產(chǎn)工況顯著,其影響程度大小粗略排序?yàn)?井深、排量、油管尺寸、注入溫度。4井底溫度隨時(shí)間的變化(1)通過實(shí)例井兩種循環(huán)方式井筒溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬得出:正循環(huán)壓井井口排液溫度大于反循環(huán)壓井井口排液溫度,循環(huán)壓井過程中井底溫度隨壓井時(shí)間先下降后逐漸穩(wěn)定,正循環(huán)壓井井底溫度高于反循環(huán)壓井井底溫度。(2)對(duì)排量、井深、注入溫度、油管尺寸4個(gè)重要影響因素進(jìn)行了敏感性分析,分析結(jié)果表明,4個(gè)因素對(duì)井筒溫度的影響程度大小粗略排序?yàn)?井深>排量>油管尺寸>注入溫度。界面接觸單元下標(biāo)l,t,ti,to,cl,ci,c,co,ce,ceo,d,d1o,d1分別表示油管內(nèi)流體、油管、油管內(nèi)壁、油管外壁、油套環(huán)空、套管內(nèi)壁、套管、套管外壁、水泥環(huán)、水泥環(huán)外壁、地層、地層與水泥環(huán)接觸單元外壁、地層與水泥環(huán)接觸單元;uf072為井筒單位體的密度,kg/m3;k為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);T為溫度,K;z為井深,m;h為界面的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);r為徑向坐標(biāo),m;Q為摩擦產(chǎn)生的熱量,J/s;A為單元體截面積,m2;c為比熱,J/(kg·K);t為時(shí)間,s;v為流體流動(dòng)速度(液體由井口向下流動(dòng)速度為正,由井底向上流動(dòng)為負(fù)),m/s。1控制體能量平衡方程根據(jù)井眼系統(tǒng)特點(diǎn),對(duì)二維井筒系統(tǒng)按軸向和徑向進(jìn)行