專利名稱：半潛式平臺瞬態(tài)鉆井井筒溫度計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度計算方法，具體涉及一種半潛式平臺瞬態(tài)鉆井井筒溫度計算方法。
背景技術(shù)：
半潛式鉆井平臺鉆進作業(yè)時井筒的溫度，特別是處于低溫高壓構(gòu)造時，準確預(yù)測鉆井液、水泥漿、以及井筒周圍地層的溫度對合理的鉆井液設(shè)計至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者對井筒傳熱問題的研究主要集中在陸地井筒，即井筒內(nèi)傳熱和地層傳熱問題。井筒換熱研究成果主要有穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型。全瞬態(tài)法原始模型由Raymond(1969)提出，其后，Keller(1973)在換熱模型中加入了鉆井液摩阻和機械能損失 引起的內(nèi)熱源，Gary R. Wooley (1980)將全瞬態(tài)法應(yīng)用于熱流體注入和采油作業(yè)，Davidff. Marshall and Ramon G. Bentsen (1982)提出了采用直接接技術(shù)求解離散方程組進行全瞬態(tài)井筒與地層換熱研究，B. Corre等(1984)進行了考慮井深隨換熱時間不斷變化的全瞬態(tài)井筒溫度分布研究，Beirute (1991)開發(fā)了用于估算循環(huán)和關(guān)井情況下溫度計算的模擬器，Garcia(1998a)開發(fā)了一種熱采數(shù)值模擬程序。半潛式平臺鉆井作業(yè)期間，鉆井液不斷循環(huán)，井筒不斷加深，海水段井筒通過隔水管與海水換熱，海水對鉆井液的持續(xù)冷卻和入口溫度的持續(xù)改變，導(dǎo)致半潛式平臺獨特的瞬態(tài)井筒溫度場。而現(xiàn)有溫度場模擬器通常假設(shè)入口溫度不變，尤其是沒有描述海水段井筒換熱，也沒有考慮溫度對鉆井液熱物性的影響，不能用于模擬半潛式平臺鉆井循環(huán)溫度場。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種半潛式平臺瞬態(tài)鉆井井筒溫度計算方法。基于海洋鉆井液循環(huán)瞬態(tài)換熱特征，采用全隱式有限體積法離散格式，耦合多換熱區(qū)域，考慮鉆井熱源，開發(fā)了 WHTSubmersible模擬器，并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證了模擬器的有效性。其特征在于，包括以下步驟I)應(yīng)用初始條件海水區(qū)所有節(jié)點的初始溫度為對應(yīng)深度處海水溫度；地層區(qū)所有節(jié)點的初始溫度為對應(yīng)深度處地層原始溫度；2)根據(jù)鉆井液總模擬循環(huán)時間和時間步長劃分時間段，從初始時刻開始，累加時間，每一時間步的溫度計算需要以上一時間步的溫度場數(shù)據(jù)作為初始條件，迭代計算，直至收斂。進一步優(yōu)選，所述步驟2)的溫度場計算步驟如下A用二維數(shù)組Node記錄上一時間步結(jié)束時的溫度數(shù)據(jù)；B將節(jié)點溫度數(shù)據(jù)復(fù)制一份保存至二維數(shù)組NodeNew中；
C收斂狀態(tài)記為“假”；D以Node中的數(shù)據(jù)作為初始值按照鉆柱內(nèi)鉆井液、鉆柱管體、鉆柱外環(huán)空、井筒界面、隔水管、地層的順序按列依次計算各傳熱對象內(nèi)所有節(jié)點的新時間步的溫度數(shù)據(jù)，每一列節(jié)點的每個節(jié)點計算結(jié)束時都要比較新計算出的節(jié)點溫度與NodeNew中保存的溫度數(shù)據(jù)的差值，并記錄在變量TDiff 二維數(shù)組中，然后將新計算出的溫度數(shù)據(jù)存入二維數(shù)組NodeNew 中；E找出數(shù)組TDiff中的最大值，若該值很小，則認為該時間步溫度計算達到收斂，結(jié)束該時間步的迭代，將NodeNew中的溫度數(shù)據(jù)復(fù)制到Node數(shù)組中，進入下一時間步；否貝U，重復(fù)步驟D直至收斂。一種本發(fā)明所述方法的WHTSubmersible模擬器，包括以下19個模塊DataInput函數(shù)是WHTSubmersible程序的數(shù)據(jù)輸入函數(shù),完成模擬井所有數(shù)據(jù)的輸入； TPField函數(shù)是WHTSubmersible程序的總功能模塊，完成深水井筒溫度場計算及數(shù)據(jù)存儲功能；GridGeneration函數(shù)根據(jù)模擬井的井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、海水深度對溫度場求解域進行軸向和徑向網(wǎng)格劃分，存儲網(wǎng)格節(jié)點的軸向和徑向幾何信息及介質(zhì)信息；TOriginGeneration函數(shù)根據(jù)海水和地層的垂直溫度分布數(shù)據(jù)插值產(chǎn)生節(jié)點軸向深度處的原始溫度；模擬器有兩種方式建立原始溫度剖面根據(jù)海水和地層的溫度分布關(guān)系式；根據(jù)實測海水和地層溫度數(shù)據(jù)建立溫度剖面。海洋油井海水段存在溫躍層，地溫也存在多個梯度。Ini函數(shù)對求解域內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點變量應(yīng)用初始條件，賦初值；TInDrillStem 函數(shù)、TDrillStem 函數(shù)、TAnnu 函數(shù)、TInterface 函數(shù)、TRiser 函數(shù)和TFormation函數(shù)分別用于計算鉆柱內(nèi)鉆井液、鉆柱管體、環(huán)空鉆井液、環(huán)空外壁處、隔水管絕熱層內(nèi)和地層內(nèi)所有節(jié)點的溫度；ThermalPhysics函數(shù)。該模塊根據(jù)節(jié)點處鉆井液的溫度和壓力計算節(jié)點處鉆井液密度、鉆井液表觀粘度、鉆井液比熱、鉆井液熱導(dǎo)率和高溫高壓密度；HeatGeneration函數(shù)。該模塊考慮鉆井液摩阻壓降生熱、鉆頭破巖摩擦生熱、鉆柱與井壁摩擦生熱計算鉆柱內(nèi)和環(huán)空這兩個換熱區(qū)域的內(nèi)熱源；HPipe函數(shù)、HAnnu函數(shù)、HAcross函數(shù)的功能分別是計算管流、環(huán)空流與內(nèi)外壁兩個的、液體橫掠圓管的強迫對流換熱系數(shù)；ViscTM函數(shù)用于計算節(jié)點溫度條件下鉆井液的表觀粘度；Kbound函數(shù)可用于計算軸向或徑向相鄰節(jié)點控制體界面處的介質(zhì)熱導(dǎo)；TriDiag函數(shù)用來求解具有三對角矩陣形式的代數(shù)方程組。本發(fā)明的有益效果(I)本發(fā)明所述的模擬器是基于離散格式表示的二維全瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，并采用隱式的有限差分法進行求解，提高了計算的精度；(2)本發(fā)明的技術(shù)方案對每個傳熱對象按照有限體積法沿軸向和徑向進行網(wǎng)格劃分，確定了程序的求解過程，并介紹了模擬器相關(guān)模塊的功能；(3)本發(fā)明中的模擬器WHTSubmersible不僅可以用于海洋半潛式平臺鉆井循環(huán)溫度計算，也可以用來計算陸地井筒溫度場，并校核溫度場；而且模擬器的動態(tài)鏈接庫技術(shù)可以將其與其他計算軟件相結(jié)合，這樣在一定程度上提高了模擬器的實用性、準確性和高效性；(4)利用本發(fā)明技術(shù)所述模擬器的計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實例數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了該模擬器的準確性，計算誤差不超過5 %，可以投入現(xiàn)場使用。


圖I為半潛式鉆井平臺作業(yè)時的物理模型圖；圖2為鉆柱內(nèi)和鉆柱管體軸向網(wǎng)格劃分
圖3為地層內(nèi)徑向網(wǎng)格劃分圖；圖4為本發(fā)明方法計算流程圖；圖5為本發(fā)明模擬器的模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖具體實施方式
對本發(fā)明的方法作進一步詳細地說明。半潛式鉆井平臺作業(yè)時的物理模型如圖I所示，鉆柱內(nèi)流體區(qū)。鉆井流體在地面流入鉆柱內(nèi)，沿鉆柱向下一直到井底；鉆柱管體區(qū)；鉆柱與井壁之間的環(huán)空區(qū)。鉆井流體從井底進入環(huán)空，向上流動，直至地面；井壁區(qū)；地層區(qū)；隔水管區(qū)；物理模型的分析說明循環(huán)流程可以看作一個熱交換系統(tǒng)。在這個過程中，流體沿鉆柱流下，再由環(huán)空返出。將井筒傳熱區(qū)域看作軸對稱二維求解域，任意節(jié)點由兩個序號標記(i，j)，j為軸向序號，自井口向井底節(jié)點軸向序號遞增，井口節(jié)點軸向序號為0 ;i為節(jié)點徑向序號，自井筒軸線向地層或隔水管方向遞增，鉆柱內(nèi)鉆井液徑向節(jié)點序號為O。軸向網(wǎng)格劃分時，依據(jù)井身結(jié)構(gòu)和鉆具結(jié)構(gòu)進行軸向分段，每一段內(nèi)涉及到的所有傳熱對象的幾何尺寸只有一種。然后自上至下對每一段再根據(jù)段長進行軸向網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點軸向坐標位于軸向控制區(qū)域中心。軸向劃分結(jié)束后，從上至下對每一段進行徑向網(wǎng)格劃分。鉆柱內(nèi)鉆井液、鉆柱管體、鉆柱外環(huán)空三個傳熱對象內(nèi)各分配一個徑向節(jié)點,徑向序號分別為0、1、2，節(jié)點徑向坐標位于傳熱對象中心，環(huán)空外徑處布置一個徑向節(jié)點，徑向序號為4，對環(huán)空外傳熱區(qū)域則根據(jù)每一段的套管層次情況增加相應(yīng)的徑向節(jié)點，直至進入地層，進入地層后，徑向節(jié)點間距逐步增大，直至布置到徑向坐標超過50米。海水段徑向節(jié)點布置。半潛式平臺作業(yè)時，環(huán)空鉆井液通過隔水管與海水進行對流換熱，環(huán)空節(jié)點與海水之間只有隔水管中心一個節(jié)點的控制體。依據(jù)半潛式平臺鉆井井筒換熱機理，將換熱對象分為鉆柱內(nèi)鉆井液、鉆柱、環(huán)空鉆井液、隔水管、地層(含套管及之間的水泥環(huán))、界面(包括井壁與地層、井筒和海水)。I鉆柱內(nèi)換熱模型鉆柱內(nèi)(#1區(qū))軸向節(jié)點和網(wǎng)格劃分如圖2所示，節(jié)點位于網(wǎng)格中心，溫度控制方程如下AujTl^ = Al^x + A2jT2:;' + A°X + Slj (0<r<n)(I)式中=A2 j +m}ch J+V2M + A[j\ = 2 31 AzjAt !A1^1 = Hi1C1jjm72 A t ；
權(quán)利要求
1.一種半潛式平臺瞬態(tài)鉆井井筒溫度計算方法，其特征在于，包括以下步驟 .1)應(yīng)用初始條件 海水區(qū)所有節(jié)點的初始溫度為對應(yīng)深度處海水溫度；地層區(qū)所有節(jié)點的初始溫度為對應(yīng)深度處地層原始溫度； .2)根據(jù)鉆井液總模擬循環(huán)時間和時間步長劃分時間段，從初始時刻開始，累加時間，每一時間步的溫度計算需要以上一時間步的溫度場數(shù)據(jù)作為初始條件，迭代計算，直至收斂。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半潛式平臺瞬態(tài)鉆井井筒溫度計算方法，其特征在于，所述步驟2)的溫度場計算步驟如下 A用ニ維數(shù)組Node記錄上一時間步結(jié)束時的溫度數(shù)據(jù)； B將節(jié)點溫度數(shù)據(jù)復(fù)制ー份保存至ニ維數(shù)組NodeNew中； C收斂狀態(tài)記為“假”； D以Node中的數(shù)據(jù)作為初始值按照鉆柱內(nèi)鉆井液、鉆柱管體、鉆柱外環(huán)空、井筒界面、隔水管、地層的順序按列依次計算各傳熱對象內(nèi)所有節(jié)點的新時間步的溫度數(shù)據(jù)，每一列節(jié)點的姆個節(jié)點計算結(jié)束時都要比較新計算出的節(jié)點溫度與NodeNew中保存的溫度數(shù)據(jù)的差值，并記錄在變量TDiff ニ維數(shù)組中，然后將新計算出的溫度數(shù)據(jù)存入ニ維數(shù)組NodeNew 中； E找出數(shù)組TDiff中的最大值，若該值很小，則認為該時間步溫度計算達到收斂，結(jié)束該時間步的迭代，將NodeNew中的溫度數(shù)據(jù)復(fù)制到Node數(shù)組中，進入下一時間步；否則，重復(fù)步驟D直至收斂。
3.ー種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述方法的WHTSubmersible模擬器，其特征在于，包括以下19個模塊 DataInput函數(shù)是WHTSubmersible程序的數(shù)據(jù)輸入函數(shù),完成模擬井所有數(shù)據(jù)的輸入; TPField函數(shù)是WHTSubmersible程序的總功能模塊，完成深水井筒溫度場計算及數(shù)據(jù)存儲功能； GridGeneration函數(shù)根據(jù)模擬井的井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、海水深度對溫度場求解域進行軸向和徑向網(wǎng)格劃分，存儲網(wǎng)格節(jié)點的軸向和徑向幾何信息及介質(zhì)信息； TOriginGeneration函數(shù)根據(jù)海水和地層的垂直溫度分布數(shù)據(jù)插值產(chǎn)生節(jié)點軸向深度處的原始溫度；模擬器有兩種方式建立原始溫度剖面根據(jù)海水和地層的溫度分布關(guān)系式；根據(jù)實測海水和地層溫度數(shù)據(jù)建立溫度剖面，海洋油井海水段存在溫躍層，地溫也存在多個梯度； Ini函數(shù)對求解域內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點變量應(yīng)用初始條件，賦初值； TInDrillStem 函數(shù)、TDrillStem 函數(shù)、TAnnu 函數(shù)、TInterface 函數(shù)、TRiser 函數(shù)和TFormation函數(shù)分別用于計算鉆柱內(nèi)鉆井液、鉆柱管體、環(huán)空鉆井液、環(huán)空外壁處、隔水管和地層內(nèi)所有節(jié)點的溫度； HPipe函數(shù)、HAnnu函數(shù)、HAcross函數(shù)的功能分別是計算管流、環(huán)空流與內(nèi)外壁兩個的、液體橫掠圓管的強迫對流換熱系數(shù)； ViscTM函數(shù)用于計算節(jié)點溫度條件下鉆井液的表觀粘度； Kbound函數(shù)可用于計算軸向或徑向相鄰節(jié)點控制體界面處的介質(zhì)熱導(dǎo)；TriDiag函數(shù) 用來求解具有三對角矩陣形式的代數(shù)方程組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半潛式平臺瞬態(tài)鉆井井筒溫度計算方法，包括以下步驟1)應(yīng)用初始條件海水區(qū)所有節(jié)點的初始溫度為對應(yīng)深度處海水溫度；地層區(qū)所有節(jié)點的初始溫度為對應(yīng)深度處地層原始溫度；2)根據(jù)鉆井液總模擬循環(huán)時間和時間步長劃分時間段，從初始時刻開始，累加時間，每一時間步的溫度計算需要以上一時間步的溫度場數(shù)據(jù)作為初始條件，迭代計算，直至收斂。同時提供了實現(xiàn)該方法的模擬器，本發(fā)明所述的模擬器是基于離散格式表示的二維全瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，并采用隱式的有限差分法進行求解，提高了計算的精度。
文檔編號G06F19/00GK102682195SQ20121006032
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者宋洵成 申請人:中國石油大學(xué)(華東)