辽宁石油化工大学本科毕业设计论文译文范例

1、辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸一种基于反馈的预测井筒稳态温度的反传热方法Gilberto Espinosa-Paredes Erick G. Espinosa-Mart nez i摘要本文阐述了一个以反馈为基础， 通过测量井筒温度预测稳态地层温度， 进而解决反传热 问题的方法。反馈功能利用了在停产过程中实际温度与预测温度之间的差值。由于稳定地层温度代表了井筒中最初的的情况，而井筒的测量温度代表了在构成和井筒系统中偏微分方程 控制过程的一个特解，因此，通过这种方法反传热问题得到了解决。本文通过两个实例验证 上述方法：（a）墨西哥湾沿海区域的油井 FE-1227和（b）塞罗普列托的地热田井

2、CP-0512。关键词：反传热问题；钻井；停产；稳态温度；地热井；油井辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸1引言稳定地层温度也被称为静态地层温度，它是钻井和形成热干扰之前的一般温度。稳定地 层温度知识在工程和科学研究中的许多领域是非常必要的，例如碳氢化合物采收率和钻井完成的估算的油藏工程，还有地下水和含水土层潜力的记录成果的研究1-4（水泥套管，水平井完井设计，流体，断裂评估）,结构的导热系数的评估5-7,区域的超压探测网，对能源矿 产的探测（石油和煤）网，古气候学9,和地球的进化论的研究10,等等。尽管在钻井过程中稳态地层温度被破坏，但是可以通过钻井中断、循环停止和井中恢复热平衡后获得的信息

3、而被计算出来。井筒中稳定地层温度可以从温度记录11、经验公式12或者流体包裹体的分析13中推测出来，也可由对钻井温度记录进行数字模拟得到。 数字模拟 需要比如钻井液成分、进口流体温度、流体流通率、循环损失、井筒的几何特性、地温梯度（数字模拟的最初条件）和热物理性质等信息。钻井是一个加热和冷却交替的瞬态过程。 在钻井过程中，未知的地层温度被破坏。因此， 已知直接测得量的反传热问题决定了稳定地层温度，比如记录的温度或常规物理测井时井底 温度。这是一个典型的逆向问题，即从终温预算出初始温度。与由给定条件（稳定地层温度） 计算结果（井底温度）的直接问题相比，逆向问题与因果次序相关，是通过结果找原因。这

4、 就导致瞬态干扰与钻井泥浆循环有关，使井底温度比实际地层温度低22 0本文研究的是一个通过井底测量温度估算二维完全瞬变热对流地层温度问题。由于逆问题的不适定性，其解决方案并不是直截了当的，也就是说在相应的解决方案中，小扰动在观 察到的函数中可能带来大的变化。 不适定的问题需要数值技巧使计算结果正确，比如最小二乘法14,15和共腕梯度法160这些逆向算法是迭代的，因此在得到合理的估计值之前需要重复 地进行控制方程的计算。与典型的解决反传热问题方法相比，我们提出一个减小记录温度与模拟温度之间误差的 反馈控制方案，使估算稳态地层温度更加准确。 墨西哥湾沿海区域的油井FE-1227和自塞罗 普列托的地

5、热田井CP-0512说明了如何依靠合适的反馈控制来预测稳定地层温度。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸2分析井筒循环过程与换热器系统相似。在整个过程中，流体通过内管注入井下，然后经过内 外管之间的空隙向上流动。由于与井筒外地岩石有热交换，所以整个系统就好比一个逆流换 热器。流体从油管上部流入到井底，再从油管间的缝隙向上流动。为了描述在系统中换热器的换热过程，做了一个简化的钻井系统物理模型，如图1所示。 在热量传递过程中，不同区域对应不同半径，共分为四个分析区域：区域1:钻井管（00卜r1）;区域2：钻井管壁（r产卜；区域3:环空（r20Kq）；区域4:地层。井筒的流体温度与热对流和热传导过程

6、有关，如图1所示。每个区域的传热过程简要描 述如下：区域1：入口流体温度Vz1,温度Tin。流体沿z方向顺钻井管流下，其温度 与对流换热速率和流体与金属管壁的导热速率有关。区域2:管壁温度T2与对流换热速率和管壁与环空之间的导热速率有关。区域3:循环过程要求流出钻井管的流体温度与流入环空的温度相同。本区域的温度T3与流体在环空的热对流速率和环空与管壁、流速为Vz3的环空流体与井壁的换热速率有关。区域4:与地层或水泥中的传热相对应，T4代表本区域的温度。井壁内表面可以看成是 流体可以出入的可渗透的媒介。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸annulusRegion 3Region 4Drill

7、pipeFanruitiunRegion 14日on 2图1油井（地热井）钻井过程(1a)(1b)(1c)(id)(1e)(if).2:t22-, r1 Mrr2, 0 0 z(2a)辽宁石油化工大学毕业设计(论文)用纸3正向问题解决方案用偏微分方程组成的数学模型描述二维瞬态温度场 T(z,r,t)0基本假设如下：圆柱几何, 岩石地层同性，物理性质相同，忽略粘度弥散、热扩散影响和不可压缩流体。另外，我们认 为当流体停止流动时，轴流对称导热是主要导热，也就是说整个系统达到热平衡状态。钻井 的过程中地层受到热干扰，我们认为循环热对流的损失流向井筒周围的岩石。 各区域的控制方程、初始参数和边界条件如

8、下： 区域11 z；:Ti1 ；:Ti?Ti；二21-八 r -(十vzi)=+厂+厂，0 r ri, 0 z 0ait t:z r 二 r二 r ： zICi:T(r, z, t) = f(r, z), 0 r ri, 0zD, t=0BCia：-匕0=h1(T2 -Ti), r =r，0 z D, t 0BCib:1 = 0, r = 0, 0 z D , t 0 .rBCic:Tn循环时1(r, z, t)= 一二,0r 0 1Ts停产时BCid:T1(r, z, t)=Ts+mD, 0 r 0其中ai =k RCpi为钻井液热扩散率，D为井深，hi为钻井管对流换热系数，T.为流体入口温

9、度，Vzi为轴向流速，m为地热梯度。区域21 E 1汀2廿T2=十十X2 2a2 二t r 二r二r辽宁石油化工大学毕业设计(论文)用纸IC2: TOC o 1-5 h z T2(r, z, t) = f2(r, z), 口工 0z0(2c)jrBC2b:.FT?-k2 =h1(T3T2), r=r2, 0 z 0(2d)2rBC2c：T2(r, z,t)=Ts,r1 r 0(2e)BC2d:T2(r, z, t) = Ts +mD, r1 r 0(2f)其中a2 = k2 / P2CP2为钻井液热扩散率，h3为表面对流换热系数，Ts为表面温度。区域31 ,：T3盯3、1盯31t3；：2t3一

10、(+Vz3)=+2-+2-,r2=3, 0 z0(3a)a3 二tczr二 r二 r: zIC3:T3(r, z, t) = f3(r, z),2 E r %, 0zD, t=0(3b)BC3a：,FT3-k3 =h3(T2 -T3), r=r2, 0 z 0(3c)二 rBC3b:-k3空-T3), r/0z0(3d)二 rBC3c：T3(r, z, t) =Ts, rzWrc%, z = 0, t 0(3e)BC3d:(3f)辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸T3(r, z, t)=1 +mD, 0 M r 0式（3f）的边界条件是井底温度，可以看成是钻井管中的钻井液温度区域4(吃明产+

11、v死 1式kef t z r ：:r22T412T4fr2；z2 r3 r, 0 z D, t 0IC4:T4(r, z, t)= f4(r, z), q _r, 0 _ z _ D, t = 0BC4a：,；Ts-kef= h3(T3 - Tef ), r =3， 0 - z - D, t - 0；:rBC4b:T4(r, z, t) =Ts +mz, r , 0 z 0BC4c：T4。，z, t)1, % 二 r, z = 0, t 0BC4d:T4(r, z, t)=Ts+mD,r3 0(4a)(4b)(4c)(4d)(4e)(4f)式中：片为径向流速，地层认为是可以渗透的，Ts为平均温

12、度，（PCp）ef是平均密度和热容量的乘积，T4是各部分导热系数乘积。有效导热系数计算式如下:(k0)(5)2； (3-2；)(k/k。)kef3 - ；(/k0)平均温度与热容量的乘积计算公式如下:（也p）ef =（PCpb + （1 -曾（PCp）。（6）式中：下脚标“ 0”表示流体的状态，“仃”表示固体的状态，“名”为孔隙度。附录B给出了计算轴向和径向流速、井筒和地层压力的模型。辽宁石油化工大学毕业设计(论文)用纸4数值解法利用隐含形式的容量控制方程将上文中的微分方程转换成分离方程。由于是二维传热，利用隐含交替方向算法进行求解，可以求解一个方向的隐含温度和另一个方向的明确温度此过程在前半

13、个时间步长完成。在后半个时间步长内，前述的明显的形式转换成隐含的形式， 隐含的形式转换成明显的形式。数学表达式如下：r方向的隐含形式和z方向的明显形式 TOC o 1-5 h z 五巾/2+7产退1苫2=1(7)z方向的隐含形式和r方向的明显形式e,jT：j+b ,jT：j +gi , jT：j 书+1=h,j(8)式中:a, b, c, d均为系数。利用递归方程列出代数方程，得出矩阵形式A,x=b(9)式中A是系数矩阵，x是应变量向量，b是已知参数向量，式(9)是三角系数矩阵，利 用对这类举阵有效的托马斯定理24可以解出每个矩阵因子。辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸5正向问题解法和验证的

14、步骤由于稳定地层温度是钻井和形成热干扰之前的一般温度，t=0时的初始状态（式（1b）,（2b）, （3b）, （4c）由下式给出：fi （r, z）=Ts+mz,i=1,2,3,4;Vr,0zD,t = 0（10）由方程（10）给出的假设初始温度开始进行模拟，井筒的热平衡被钻井液循环带的冷量 破坏。在本阶段结尾，钻井液循环终止，井筒和地层温度根据加热过程的初始状态决定。加 热阶段温度上升，停产时测量温度或者井底温度被重新记录。 如果记录数据与模拟数据不符， 凉井之前，假设一个新的初始温度，再重新计算，直到结果相符为止，这样就能得到稳态地 层温度。在前期工作中应用本程序28,29,但其缺点如下：

15、（1）需要专业人士假设新的温度。（2） 本程序繁琐。（3）计算的准确性受专业人士的主观影响大。这些弊端严重影响了钻井过程。将上述结果与卡试论-叶氏25假设传热问题的分析解进行比较，从而对本模型进行验证， 验证部分如附录C辽宁石油化工大学毕业设计(论文)用纸6反向问题解决方案 TOC o 1-5 h z 反传热问题是通过测量井底温度预测稳态地层温度。井筒地层温度方程如方程(1a),(2a), (3a), (4a)。Ti(r, z, t u0) =?, i =1, 2, 3, 4(11a)Ti(r, z, t)=Tbg(r, z, t), 0r rb 0zD, t=0(11b)本文的目的是研究一种

16、新的计算稳态地层温度的方法。本例中，部分计算结果已知，其 与井底温度或者方程(11a)给出的记录温度相符。方程(11a)给出的稳态地层温度未知。 6.1基于反馈的方案在调整过程中反馈控制结构计算最小近似误差就是记录和模拟的温度。思路是：利用基于反馈的修正，模拟记录温度的轴侧面沿记录温度的轴侧面轨迹。从反馈控制理论看，记录 温度代表被追踪的点。利用一个基于反馈方案，通过记录和模拟温度预测稳态地层温度。思路是利用稳态地层温度跟踪实验记录温度。意思就是稳态地层温度反复修正，直到收敛于测量值。通过这种方法，会得到收敛值，预测的稳态地层温度会与收敛的反馈值相符100反馈修正误差增加则模型判断误差就会随之

17、增加。最简单的反馈控制是最基本的控制，反馈控制方块图如图2Wdlbcuc图2反馈控制模块图自20世纪40年代，基本反馈控制算法在过程工业中就被成功应用， 且一直被广泛应用 21 0由于工程师对这一算法的充分理解， 这一算法被成功应用于水蒸气生产、 聚合工业和电 力设备控制。6.2反馈控制的实现辽宁石油化工大学毕业设计(论文)用纸记录和模拟温度的区别是：各种产生控制动作的基本控制方案允许查找井筒侧面的稳态地层温度。利用分离的比例控制，比例动作的交互影响可以用下式表示：Tg(k+1) =TuFT(k)+Kpe(k)(式中 e(k) =%*)-Tiog(k)(13)其中Tuft (k +1)代表在k

18、 +1时的新值，&代表时间步长。这个方程适用于所有 k +1交互影 响的空间网格各点。记录温度Tog通过以前钻的井的信息建立，模拟记录温度Tog s通过前面的模拟井筒数学g g模型得到。11辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸7反馈控制算法利用控制理论预测稳态地层温度的步骤如下：.利用式（10）在模拟过程开始对初始状态预测。.利用数字模型（式（7） - （9）得到模拟温度稳态地层温度（tUft）和记录温度（Togs）.式（13）计算出了瞬时误差，如果不满足e80,则利用式（12）重新计算稳态地层温度。.将k+1时的T赋给k时的T,即Tw （k） =丁日（k +1）,然后再从步骤2重新计算，直到

19、满 足e 劭。预测稳态地层温度的反馈控制算法的方块图见图3这个过程在计算机程序中很容易完成。然而，要强调的是计划温度分配是很关键的，它是整个模拟过程的初始条件。Step 4Step 1Initial condition图3估算稳态地层温度的比例控制算法12辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸8数字模拟通过两个井的数字模拟验证方法的正确性：（a）墨西哥湾沿海区域的油井 FE-1227;（b）塞罗普列托的地热田井 CP-0512。本模拟中，初始参数是预测的温度，其可以通过利用结构算法的地热梯度得到。当循环 和停产期间的油井或者油气田井周围的温度通过数字模拟做出了30-32。井的平衡被钻井液循环带来

20、的冷量破坏。在本阶段结尾，流体循环停止，记录温度重新改写。如果记录温度与模 拟温度不符，控制算法会赋给一个新的初始温度，重新计算，直到相符为止，就如图3所示。本节验证由式（11）和式（12）给出的用来预测油井和油气田井的稳态地层温度的反馈 控制。8.1 FE-1227 油井在井筒结构中由多个温度记录。图 4显示了在停产时在6, 12, 18, 24点的时候温度记 录从T/18到T/21。从图中可以看出，地面记录温度大约为22C,并随着井深的增加而增加， 我们还可以看出由于循环损失，大约在 2352到2920之间的温度线是凹的，也就是说，对流 换热是主要传热。因此本例适用于有循环损失的油井的研究

21、，地层的传热主要是对流换热和 导热。为了模拟，我们初设温度梯度为3C/100mo输入模拟数据：泥浆的体积流量为173.52m3/h,温度为22C ,地表温度为22C。其物性参数为：对流换热系数 0.85W/mK, 密度为1050kg/m3,运动粘度0.060Pas,比热容4800J/kgK,循环周期8h。图6给出了主要的计算结果，从图5可以看出计算结果比较理想。图6中右侧的虚线是 没有热干扰下的地层温度曲线，图中也显示了用霍纳方法计算的稳态地层温度。很明显，预 测温度很接近用霍纳算法算得的温度。尤其是通过图6可以看出哪些点有循环损失，哪些点没有循环损失。13辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸

22、Temperature()20 30 40 50 &0 70 80 90 100 110-IT k I 1 I I 1 r 1 f I T1 1 I 10500-* 0T0o 24 hrbhukn lime, log T/211 18 hr(shut*in time. topT/20 W 12 hrfshuiE-mtirrie, logT/W) 6 nr (snut-m time log T/18)Esdmp 1=f1000J50O-2000*0*r 、*。 、r* 、r0 、-y 、 Reference geoaherinal 中京、Wnt 3*/100 mw。小*0100015002500

23、-30002000250010 20 30 40 5CCirculation losses (m3/hr)图4油井FE-1227温度记录和相关地层温度(即估算的初始温度)0 10 20 3D 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0500100015002000250030000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120TemperatureC图5油井FE-1227模拟记录的温度和预测的稳态地层温度14辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸(E LIldTP 色口且布M图6油井FE-1227未破坏的温度：通过模拟、分析和提到的相关地温梯度

24、8.2 地热井 CP-0512位于墨西哥西北部的下加利福尼亚州的与美国接壤的赛罗普列托被认为是最大的水地热田。热源是大陆地壳地层的异常产生的。图7显示了在停产时在 7, 8, 12, 16点的时候温度记录从 T/32到T/35。2300-3000m 之间的温度曲线说明并在地热聚集区，因为这段热损失大。模拟的初始温度曲线与前面的温度梯度吻合，如图7所示。输入模拟数据：泥浆的质量流量为 18.6kg/h,温度为30C,地表温度为30C。其物性 参数为：对流换热系数 0.80W/mK,密度为1030kg/m3,运动粘度0.0430Pas,比热容 1990J/kgK-,循环周期 18.5h。图8显示了

25、在停产4小时时的测量温度曲线和模拟温度曲线的比较。 图9中的连续曲线 是比例控制方法得到的稳态地层温度曲线。这个井的模拟结果显示在大约2300-3000m深的热量聚集区的热量传递是非常复杂的，可以推断出这是因为在大约2650m时的稳态地层温度有巨大的变化。值得注意的是本方法可以推断出热量聚集区的深度， 例如本例中的大约在15辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸2650m。本文中的模型还可以预测在不考虑热量聚集区的沸腾、冷凝和多元复合过程下的稳态地0温50100 ISA25030035。L . I I, I J I . I L I A IReference geothermal gradient

26、 4 hr (shut-in time, log 1722) 8 hr (shut-in time, log T/23 12 hr(ihut-in tjmc log TZ24)16 hr (shut-in time, I邱 172550010001500200025003000iupeiiilurc (7)图7地热井CP-0512记录温度和Horner万法得到地热井温度的比较002003001OOU -1500 -2000 -2500 -3000 -Temperalure （C*J图8地热井CP-0512记录温度和预测的稳态地层温度16辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸t TR 狗，11WU

27、1500-2000-2500-3(*00-1Reference getiihernial giadient4 hr (shut-in time, log T/22)-Simulated 4 hrUFT.Tcmpcraturc图9地热井CP-05132,未破坏的温度:模拟的稳态地层温度，分析的低温梯度和相关的低温梯度17辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸9结论反馈控制方法已发展到可解决井筒中据记录的温度估计稳定地层温度的反传热问题，被成功模拟的井筒中温度变化与我们的结果一致。方法的效果通过两个井的数值模拟表现出来：（a）来自墨西哥沿海区域海湾的油井 FE-1227和（b）来自塞罗普列托地热田井

28、 CP-0512。 我们能够表明这个方法适用于地热井，同样也适用于油井。我们发现在导电区以比例调节为基础得到的稳定地层温度与用霍纳尔算法得到的稳定地层温度很接近，也就是，不考虑循环损失。当在对流区时，霍纳尔算法得到的稳定地层温 度偏低。一般来说，开始进行以反馈为基础的方法时，霍纳尔算法可被用作“假定初始”温 度。“假定初始”温度曲线可以是线性的（油井）或非线性的（地热井） 。这个操作提出反馈控制方法需要一个温度测量来估计稳定地层温度，所有井的建模性能的复杂性不同于之前提到的解析模型（如30-32）,它只包括在井的建模的底部，并至少需 要三个温度测量来估计稳定地层温度。18辽宁石油化工大学毕业设

29、计(论文)用纸附录A,传热系数环空层流换热系数利用Seider Tate关联式计算26:Re :二 2300(A.1)1/3 / Dh、1/3 , 口 、0.14Nu =1.86(RePr)(十)(:) L w式中：Nu是努赛尔数，Re是雷诺数，Pr是普朗特数，DH是水利直径，L是管长，粘度比 接近1。本式只适用于当RePr(DH/L) )1时。管内层流换热系数用下式计算:Nu =4.364Re :二 2300(A.2)当流动状态是过度阶段和湍流时，应用 Gnielinsky计算关联式计算27：Nu =_(f/8)(Re 二1000)Pr_1 12.7、f /8(Pr2/3 -1)Re 230

30、0(A.3)其中摩擦力2f =1.82log(Re) -1.642(A.4)19辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸附录B.井筒和地层流体动力模型管内和内外管之间的环空的压力曲线有宏观动量和连续方程给出(B.1):0 z1 G2DhF)G22：(B.2)式中：G是质量流量,f是摩擦系数，D H是水利直径，F是形状系数边界条件如下:区域1BC1a： G1AiBC2a：p1 = p0, 0 r r1, z = 0区域3BCIb :-A ，G3 = G1, 0_r_r3, z = DA3(B.5)BC2b:P3 = P1，0 Er Eq, z 二D(B.6)式中：w是流体最大流速，a和A3是钻井管和

31、环空的截面积。管内和环空的流体流速由下式计算:区域1Vz,1=包，0二小 0 MzM D1(B.7)区域3G3(B.8)地层动力模型的数学表达式是根据一维均体方程列出的,维均体方程是通过各向同性介质控制不可压缩流体的动力表现，如文献18。K12W=0 r r r20辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸BC1c：/；不渗透边界，-Dp = p3;渗透边界(B.11)BC2c：(B.12)p=0, rT=o, 0 z D r式中：N是动力粘度，p是压力，K是各向同性介质的渗透系数，q是质量源项相关渗透系数8用Blake - Kozeny方程计算:K1,23dp ；2180(1 - ；)(B.13)

32、式中：dp为有效直径，对流向地层的径向流速而言，可以忽略轴向流速不计 p21辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸附录C.数字模型验证在前人的文章中已经对本模型进行了验证28,为了方便读者，本部分再次验证。数字模型的验证时通过比较预测温度和Carlaw和JaegeF4假设的问题的分析温度进行的24。选用以恒定温度流经管内的无限长空圆柱体的径向温度分布的稳态解。验证对象是一个内径为0.305m,外径为15.75m的空心圆管，在内外边界处的温度恒定。认为流体在管内 恒定温度为37.7C、管外包定温度为148.8C的管内循环，这样数字模拟系统就有足够长的 时间（2500小时）达到稳态。从图B.1可以看

33、出，预测温度和分析解基本一致，最大温差不 超过6 C0再次考虑到数字模型计算和准确结果的比较，用三个步长建立三个计算机模拟。图 B.2 显示随着时间步长的缩短，预测温度与准确温度越来越接近。如果结果是唯一的，逐步缩小 时间步长的预测温度收敛是必要特征，最佳时间步长与井筒的几何特性、初始温度、网格问 隔和温度梯度有关。IIIIIO simulated solution wellbore thermal modelO analytical solution Carslaw and Jaeger (1959)二0246810121416Radial position (m)1820018016014

34、0120100806040200-20图B.1解析法和数值法求得的井筒径向温度比较 辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸601n1 l1 l1 l1 lr-after 2000 hours (steady state)401o o o o o2 0 8 6 41 1p) emagEoln1 l1 la国由-肝effect of the time step size (At)analytical solution Carslaw and Jaeger (1959) simulated solution (At = 0.01 hr),O simulated solution (At = 0.50

35、hr)O simulated solution (At = 1.50 hr)200246810 12 14 16 18 20Radial position (m)图B.2时间步长对温度分布的影响和与解析法的比较23辽宁石油化工大学毕业设计(论文)用纸参考文献Jutten J, Morriss SL. Cement job evaluation. In: Nelson EB, editor. Wellcementing. Amsterdam: Elsevier;1990. p. 16.1 -44.Wooley GR. Computing downhole temperatures in circ

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