循环压井井底温度预测模型研究

循环压井井底温度预测模型研究

随着能源规划的不断增加和油气勘探和开发领域的扩大，油气藏的开发已成为一个重要的替代能源。近年来,国内的深井、超深井越来越普遍,井筒循环温度对深井、超深井压井的影响非常大,不但关系到井内压力平衡、压井液性能和井壁稳定性,而且直接影响油管和套管设计。精确预测压井过程中井筒温度分布和变化规律,是钻井完井作业安全、高效进行的重要保证。通过深入研究影响井筒温度分布的因素,确定各因素对井筒温度的影响程度,为现场施工中根据需要采取措施控制井筒温度的变化提供了理论依据。压井井筒温度分布受地层、压井液、注入温度等多种因素影响,采用实验方法来模拟这些因素对井筒温度的影响难度非常大,因此数值模拟方法被广泛应用于井筒温度的预测研究中。笔者根据正循环和反循环压井工艺特点,建立了循环压井过程中井筒二维瞬态温度场预测模型,并采用有限差分法对预测模型进行数值求解。对排量、井深、注入温度、油管尺寸4个重要影响因素进行敏感性分析,研究各因素对井筒温度的影响。采用差分网格对式(1)~(6)进行离散处理,结合不同压井方式对应的边界条件、初始条件,采用有限差分法求解式(1)~(6)便可得到不同时刻整个井筒二维剖面不同位置的温度值。2井底温度分布采用本文建立的压力温度预测数学模型及求解方法,对中石化西南油气分公司1口超深井——元坝1井压井作业时井筒温度进行预测计算,该井的工况参数及基本参数如表1、2所示。根据正循环压井和反循环压井两种工况特点,分别采用本文建立的预测模型计算整个井筒的温度分布,计算结果见图1、2。从图中可以看出:根据元坝1井的井身结构和作业参数,正循环压井井口排液温度大于反循环压井井口排液温度,正循环压井油管内流体和环空内流体的温度均大于地温,反循环压井油管内流体和环空内流体的温度均小于地温,循环压井过程中井底温度随压井时间先下降后逐渐稳定,正循环压井井底温度高于反循环压井井底温度。这是因为该井环空截面积小于油管截面积,造成相同泵排量下环空内流体流动速度大于油管内流体流动速度。3井热场影响因素分析3.1油管内流体温度下降图3为排量对反循环压井油管内流体温度、正循环压井环空内流体温度的影响。从图中可以看出,随着排量的增加,反循环压井油管内流体温度下降,正循环压井环空内流体温度上升。这是因为反循环压井过程中油管内流体流动速度较小,井筒传热是压井液温度升高的主要影响因素,因此油管内流体温度随排量的增大而下降;正循环压井过程中环空内流体流动速度较大,摩擦生热成为压井液温度升高的主要影响因素,因此环空内流体温度随排量的增大而上升。3.2井深对井底温度的影响图4为井深对反循环压井油管内流体温度、正循环压井环空内流体温度的影响。从图中可以看出,随着井深的增加,反循环压井油管内流体井口温度和正循环压井环空内流体井口温度均基本不变,井深主要影响井底温度分布。这是因为循环压井过程中环空流体和油管内流体间的热传递基本平衡,井筒温度分布接近地温,仅靠近井底的位置流体温度变化较大。3.3井筒内部温度图5为注入温度对反循环压井油管内流体温度、正循环压井环空内流体温度的影响。从图中可以看出,随着压井液入口温度的增加,反循环压井油管内流体出口温度和正循环压井环空内流体出口温度均上升,井筒一定深度后的井筒温度分布几乎没有变化,且反循环压井油管内流体出口温度大于正循环压井环空内流体出口温度。这是因为反循环压井油管内流体比正循环压井环空内流体受注入流体温度影响更加显著。3.4反循环压井流场尺寸图6为油管尺寸对反循环压井油管内流体温度、正循环压井环空内流体温度的影响。从图中可以看出,随着油管尺寸的增加,反循环压井油管内流体温度下降,正循环压井环空内流体温度上升,其原因同排量的井筒温度的影响一致。从图3~6各敏感参数对循环压井井筒流体温度分布的预测计算结果可得出,这些参数对循环压井井筒温度分布的影响程度均没有挤酸和求产工况显著,其影响程度大小粗略排序为:井深、排量、油管尺寸、注入温度。4井底温度随时间的变化(1)通过实例井两种循环方式井筒温度场的数值模拟得出:正循环压井井口排液温度大于反循环压井井口排液温度,循环压井过程中井底温度随压井时间先下降后逐渐稳定,正循环压井井底温度高于反循环压井井底温度。(2)对排量、井深、注入温度、油管尺寸4个重要影响因素进行了敏感性分析,分析结果表明,4个因素对井筒温度的影响程度大小粗略排序为:井深>排量>油管尺寸>注入温度。界面接触单元下标l,t,ti,to,cl,ci,c,co,ce,ceo,d,d1o,d1分别表示油管内流体、油管、油管内壁、油管外壁、油套环空、套管内壁、套管、套管外壁、水泥环、水泥环外壁、地层、地层与水泥环接触单元外壁、地层与水泥环接触单元;uf072为井筒单位体的密度,kg/m3;k为导热系数,W/(m·K);T为温度,K;z为井深,m;h为界面的对流换热系数,W/(m2·K);r为径向坐标,m;Q为摩擦产生的热量,J/s;A为单元体截面积,m2;c为比热,J/(kg·K);t为时间,s;v为流体流动速度(液体由井口向下流动速度为正,由井底向上流动为负),m/s。1控制体能量平衡方程根据井眼系统特点,对二维井筒系统按轴向和径向进行