南堡潛山高溫油氣藏井下循環(huán)溫度的數(shù)值模擬

沈園園

（中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北 唐山 063000）

南堡潛山高溫油氣藏井下循環(huán)溫度的數(shù)值模擬

沈園園

（中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北 唐山 063000）

南堡潛山油氣藏屬高溫油氣藏，井下高溫給鉆井液、水泥漿、井下工具等帶來了一系列的問題，因此，準確確定鉆井作業(yè)時井內循環(huán)溫度的分布和變化規(guī)律，對鉆井和完井工程具有極其重要的意義。文中從能量守恒定律出發(fā)，結合傳熱學和流體力學的基本原理，考慮高溫高壓對鉆井液密度的影響，運用Presmod溫度模擬軟件，確定了適用南堡潛山高溫油氣藏的井下循環(huán)溫度預測方法。該方法可以分析鉆井施工參數(shù)、流體物性和外界環(huán)境對井筒溫度的影響，應用實測的井筒溫度對模型預測結果進行了驗證。結果表明，該方法的井溫預測精度能較好地滿足油田高溫井的設計及施工要求。

井筒溫度；數(shù)值模擬；溫度計算；南堡潛山

0 引言

隨著南堡凹陷古潛山勘探開發(fā)的深入，深井鉆探越來越多，而井深的增加，井底溫度也越來越高。南堡1-89井在奧陶系潛山4 700 m處試油時儲層溫度高達192.25℃，如此高溫對鉆井液性能和井下設備、工具、儀器的密封件、軟管等造成了嚴重影響。例如：MWD沒有信號，無法正常工作；螺桿出現(xiàn)脫膠等。這一系列井下故障制約了該地區(qū)勘探開發(fā)的進程，因此，準確掌握鉆井過程中井內的溫度值，掌握其分布和變化規(guī)律，對安全、高效地實施鉆井作業(yè)具有極其重要的意義。

目前常用的確定井內循環(huán)溫度的方法，有井下工具實測法、簡易公式估算法（即API法和各公司的經(jīng)驗方法）及計算機數(shù)值模擬法［1］。井下工具實測法就是采用特制的設備或儀器下入井內對井下溫度進行直接測量，它是確定井筒溫度的最直觀方法，是其他方法的基礎，但該方法成本高并且會占用正常的鉆井作業(yè)時間，因此一般用于特殊的、井況復雜的井；簡易公式估算法使用快捷方便，但在高溫井中計算誤差較大［2］；計算機數(shù)值模擬法［3-6］則是通過不同工況建立各種數(shù)學模型進行模擬計算確定井內溫度，隨著計算機技術的發(fā)展，該方法的計算效率和精度逐步提高，但現(xiàn)階段依舊存在計算復雜、現(xiàn)場應用困難的難題。本文在Hasan和Kabir提出的傳熱模型基礎上，結合鉆井液密度預測模型，考慮摩擦力做功熱源項，運用Presmod溫度模擬軟件［7-12］，確定了適用南堡潛山高溫油氣藏的井下循環(huán)溫度預測方法，并應用實測的井筒溫度對模型預測結果進行了驗證。該方法兼顧了時效性和準確性，可操作性很強。

1 井筒溫度場模型

圖1為井眼中鉆井液循環(huán)熱平衡模型。圖中，井眼單元微元體長度為dz，鉆柱內流入微元體的熱量為Qp（z），流出微元體的熱量為 Qp（z+Δz）；環(huán)空流入微元體的熱量為 Qa（z+Δz），流出微元體的熱量為 Qa（z）。

圖1 井眼中鉆井液循環(huán)熱平衡模型

式中：dpi，dpo，dw分別為鉆柱內徑、鉆柱外徑、環(huán)空井徑，m；Tp，Ta，Tf分別為鉆柱內鉆井液、 環(huán)空內鉆井液、地層溫度，℃；Cp，Ca分別為鉆柱內、環(huán)空內鉆井液比熱容，J/（kg·℃）；hpi，hpo，hf分別為鉆柱內表面、鉆柱外表面、地層井壁表面對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；ρp，ρa分別為鉆柱內、環(huán)空內鉆井液密度，kg/m3；Qcp，Qca分別為鉆柱、環(huán)空的熱源項，J；λdp為鉆柱導熱系數(shù)，W/（m·℃）；qm為鉆井液質量流量，kg/s。

式（1）中等號左側第1項代表從鉆桿外壁進入鉆柱內微元控制體的熱量，第2項代表鉆井液流動進入鉆柱內微元控制體的熱量，第3項代表微元控制體內由于摩擦壓耗產(chǎn)生的熱源項，等號右側表示鉆柱內微元控制體內能的增量。

式（3）中等號左側第1項代表從地層進入環(huán)空微元控制體的熱量，第2項代表從環(huán)空內流體進入鉆柱內流體的熱量，第3項代表鉆井液流動進入環(huán)空微元控制體的熱量，第4項代表微元控制體內由于摩擦壓耗產(chǎn)生的熱源項，等號右側表示環(huán)空內微元控制體內能的增量。

鉆柱、環(huán)空內熱源項摩擦壓降 Δpf確定方法［13］為

式中：ρ為鉆井液密度，g/cm3；v 為鉆井液流速，m/s；Δz流動管壁的長度，m；d為管柱直徑，m；f為范寧摩擦因數(shù)；qv為體積流量，m3/s。

2 鉆井液密度預測模型

關于鉆井液密度在高溫高壓下的變化規(guī)律，國內外學者建立了多種密度模型，目前鉆井液密度模型主要有 Hoberock，Dondson-Standing，Kemp-Thoms及 Sorelle模型等［14］。本文選用適合高溫高壓條件下的Hoberock模型計算鉆井液密度。該組分模型假定，鉆井液密度隨著溫度壓力而發(fā)生的任何變化都是由其流體組分的體積特性造成的。該模型的表達式為

式中： ρ2為當前溫度壓力下的鉆井液密度，g/cm3；ρo1，ρw1分別為參比條件下油、水的密度，g/cm3；ρo2，ρw2分別為當前溫度壓力下油、水的密度，g/cm3；fo，fw，fs，fc分別為參比條件下油、水、固相、添加劑的體積分數(shù)。

利用式（1）—（6），假定井底環(huán)空處與鉆柱內鉆井液溫度相同、井底環(huán)空壓力為地層孔隙壓力，采用PRESMODE軟件建立傳熱模型、PVT模型及流動模型，聯(lián)立求解可得井筒溫度分布情況。使用NP3-81井的實測數(shù)據(jù)對模型進行驗證，并對鉆井施工參數(shù)、流體物性和外界環(huán)境對井筒溫度的影響進行分析。

3 實例計算

NP3-81井完鉆井深6 066 m，垂深5 607 m，地表溫度為12.5℃，地溫梯度為3.7℃/100 m，鉆井液入口溫度為53.5℃，鉆井液密度1.08 g/cm3，鉆井液流變參數(shù) Φ3=2，Φ300=31，Φ600=49。井身結構為 φ244.5 mm套管×4 380 m+φ177.8 mm 套管×（4 076～5 937 m）+φ152.4 mm裸眼×6 066 m。其中，φ244.5 mm套管內徑220.0 mm，φ177.8 mm套管內徑157.0 mm。鉆具組合為φ152.4 mm 鉆 頭×0.3 m+φ101.6 mm 鉆 鋌 ×200 m+φ101.6 mm 鉆桿×1 956 m+φ127.0 mm 鉆桿×3 910 m。其中，φ101.6 mm鉆鋌內徑65.0 mm，φ101.6 mm鉆桿內徑84.8 mm，φ127.0 mm鉆桿內徑108.6 mm。計算井下循環(huán)溫度所用熱物理性質參數(shù)見表1。NP3-81井完井電測過程中井下溫度變化情況見圖2。

表1 計算井下循環(huán)溫度所用熱物理性質參數(shù)

圖2 NP3-81井完井電測過程中井下溫度變化情況

NP3-81井鉆進至6 066 m完鉆，以18 L/s的排量循環(huán)約7 h，起鉆下電纜測井（起鉆電纜入井大約用時13 h），所測最低溫度133.8℃，最高溫度為204.5℃。首先對這一過程進行模擬，循環(huán)7 h預測井底溫度133.0℃，靜止13 h后預測井底溫度為203.8℃，與實測井底溫度基本吻合。因此可以認為所建立的井下溫度模型基本符合現(xiàn)場實際情況，可用于預測井下循環(huán)溫度和模擬分析不同因素對井筒溫度的影響。

3.1 鉆井液入口溫度對井筒溫度的影響

圖3為不同鉆井液入口溫度時井底溫度隨時間的變化情況。前4 500 min鉆井液以18 L/s的排量循環(huán)，4 500 min后停止循環(huán)，開始靜止。從圖3可以看出：鉆井液入口溫度越高，井底溫度也越高；當鉆井液入口溫度從30.0℃上升到70.0℃，隨著循環(huán)時間的增加，井底溫度的增幅變大 （循環(huán)420 min時，井底溫度從132.8℃增加到140.1℃，增加了7.3℃；循環(huán)4 500 min（此時井底溫度趨于平衡），井底溫度從108.5℃增加到124.2℃，增加了15.7℃）；隨著靜止時間的延長，井底溫度的增幅在變小。

同時，從圖3也可看出，循環(huán)時間對井底溫度剖面有非常大的影響。隨著循環(huán)時間的增長，影響程度在逐漸減弱，循環(huán)1 000 min后，溫度變化相當緩慢，幾乎不再變化。因為隨著循環(huán)時間的增加，井筒周圍地層的溫度也會降低，井筒與地層之間的熱交換趨于穩(wěn)定，井筒溫度也較低。

圖3 不同鉆井液入口溫度時井底溫度隨時間的變化

圖4為不同鉆井液入口溫度（循環(huán)排量18 L/s、循環(huán)時間1 000 min）時，井筒溫度隨井深的分布情況。圖中，環(huán)空溫度為實線，鉆具內溫度為虛線。

圖4 不同鉆井液入口溫度時井筒溫度隨井深的變化

鉆井液從鉆柱注入井內，隨著循環(huán)時間的增加，溫度逐漸升高，進入環(huán)空后，溫度先升高，再隨著地層溫度的降低，緩慢下降。從圖中可看出：隨著井深的增加，入口溫度對井底溫度的影響減??；在井筒上部井內溫度較低時，熱量傳遞主要以對流為主，鉆井液入口溫度對井內溫度分布影響較大；在井筒下部井內溫度較高時，熱量傳遞主要是導熱，鉆井液入口溫度對井內溫度分布影響在減弱；鉆井液最高溫度對應井深不是井底，而是在井底上方環(huán)空5 300 m處。

3.2 鉆井液密度對井筒溫度的影響

圖5為不同鉆井液密度時，井底溫度隨時間的變化情況。前5 500 min鉆井液以18 L/s的排量循環(huán)，然后停止循環(huán)，開始靜止。從圖中可以看出，井底溫度隨著鉆井液密度的增加而降低。但當鉆井液密度增加到一定程度，由于摩擦壓耗等熱源增加，井底溫度變化幅度變小。

圖5 不同鉆井液密度時井底溫度隨時間的變化

3.3 排量對井筒溫度的影響

圖6為不同循環(huán)排量時，井底溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出，排量較低的情況下，井筒內溫度受環(huán)境溫度影響較明顯，隨著排量的增加，鉆井液與環(huán)境之間的對流熱交換時間減少，導致井底循環(huán)溫度降低。

圖6 不同排量時井底溫度隨時間的變化

4 結論

1）建立了南堡潛山井下循環(huán)溫度和靜止溫度的計算方法，并通過測井實測溫度數(shù)據(jù)與模型計算值進行對比分析。該計算方法具有較高的精度，有較強的實用性和可操作性，可為正確認識和有效評價深部地層井筒溫度分布，實現(xiàn)優(yōu)質、安全、高效鉆井提供技術支撐。

2）鉆井液入口溫度、密度、循環(huán)時間以及排量都對井筒溫度場有一定的影響。鉆井液入口溫度越高、密度越小、排量越小、循環(huán)時間越短，井筒溫度越高。

3）井筒中各物質的熱物理參數(shù)（如：鉆井液、套管、鉆桿等材料的比熱容和導熱系數(shù)）對井筒溫度的分布影響較大，因此，需要準確掌握各項熱物理性能參數(shù)來保障井筒溫度模擬精度。

［1］ 何世明，何平，尹成，等.井下循環(huán)溫度模型及其敏感性分析［J］.西南石油學院學報（自然科學版），2002，24（1）：57-60.

［2］ 尹成，何世明，徐壁華，等.對常規(guī)注水泥溫度場預測方法的評價［J］.西南石油學院學報（自然科學版），1999，21（4）：57-60.

［3］ 夏環(huán)宇，翟應虎，安巖，等.深水鉆井隔水管增壓排量對井筒溫度分布的影響［J］.石油鉆探技術，2012，40（1）：32-35.

［4］ 唐述凱，李明忠，劉陳偉，等.閉式熱流體循環(huán)井筒溫度分布規(guī)律研究［J］.石油鉆探技術，2014，42（5）：104-108.

［5］ 姚傳進，雷光倫，吳川，等.高凝原油井筒溫度場影響因素研究［J］.石油鉆探技術，2011，39（5）：74-78.

［6］ 陳林，孫雷，彭彩珍，等.注CO2井筒溫度場分布規(guī)律模擬研究［J］.斷塊油氣田，2009，16（6）：82-84.

［7］ Jr，RAMEY H J.Wellbore heat transmission［J］.Journal of Petroleum Technology，1962，14（4）：427-435.

［8］ WILLHITE G P.Over-all heat transfer coefficients in stream and hot water injection wells［J］.Journal of Petroleum Technology，1967，19（5）：607-615.

［9］ HASAN A R，KABIR C S.Heat transfer during two-phase flow in wellbores，partⅡwellbore fluid temperatures［R］.SPE 22948，1991.

［10］ SORELLE R R，JARDIOLIN R A，BUCKLEY P，et al.Mathematical field model predicts downhole density changes in static drilling fluids［R］.SPE 11118，1982.

［11］ MCMORDIE W C ，Jr，BLAND R G，HAUSER J M.Effect of temperature and pressure on the density of drilling fluids［R］.SPE 11114，1982.

［12］ EYMARD R.Numerical computation of temperature distribution in a wellbore while drilling［J］.SPE 13208，1984.

［13］褚元林，樊洪海.鉆井環(huán)空固液兩相流壓降模型理論分析［J］.石油大學學報（自然科學版），1996，20（6）：17-20.

［14］ KUTSOV I M.Empirical correlation determines downhole mud density［J］.Oil&Gas Journal，1988，86（52）：61-63.

（編輯 史曉貞）

Numerical simulation of wellbore temperature calculation for Nanpu buried-hill

SHEN Yuanyuan
(Institute of Drilling and Production Technology,Jidong Oilfield Company,PetroChina,Tangshan 063000,China)

Nanpu buried-hill reservoir is a high temperature reservoir.High temperature causes a series of problems to mud property,cement slurry formulation,downhole tool and so on.Therefore,the calculation of the distribution and variation of circulating temperature is very important for drilling and completion engineering.According to the energy conservation and the basic principles of heat transfer and fluid mechanics,considering the effect of high temperature and high pressure of drilling fluid density,the method for predicting the temperature in the Nanpu Oilfield was proposed using Presmod software.This method can be used to analyze the influence of drilling parameters,fluid physical properties and external environment on wellbore temperature,and the simulation results are close to the measured results.The results show that the method can meet the design and construction requirements of high temperature well.

wellbore temperature;numerical simulation;temperature calculation;Nanpu buried-hill

TE28

A

國家科技重大專項“渤海灣盆地黃驊坳陷灘海開發(fā)技術示范工程”（2011ZX05050）

10.6056/dkyqt201704029

2017-01-18；改回日期：2017-05-14。

沈園園，女，1984年生，工程師，現(xiàn)從事鉆井設計及相關科研工作。 E-mail：zcy_shenyy@petrochina.com.cn。

沈園園.南堡潛山高溫油氣藏井下循環(huán)溫度的數(shù)值模擬［J］.斷塊油氣田，2017，24（4）：570-573.

SHEN Yuanyuan.Numerical simulation of wellbore temperature calculation for Nanpu buried-hill［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：570-573.