王江帥 付盼 胡旭輝 宮臣興 鄧嵩 唐政 殷文
摘要:井筒溫度對(duì)天然氣水合物的存在狀態(tài)有顯著影響。為了準(zhǔn)確掌握海洋雙層管雙梯度鉆井井筒溫度分布規(guī)律,基于傳熱學(xué)理論,充分考慮巖屑對(duì)內(nèi)管混合流體熱物性參數(shù)的影響,以及隔水管、套管、裸眼等井段環(huán)空內(nèi)不同流體類(lèi)型對(duì)傳熱的影響,引入綜合導(dǎo)熱系數(shù),建立了適用于雙層管雙梯度鉆井的井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型,并探究了井筒溫度分布規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):對(duì)雙層管雙梯度鉆井井筒而言,其在海底附近的溫度達(dá)到最低值,在水合物固態(tài)流化開(kāi)采時(shí)應(yīng)特別注意該井段的井筒溫度分布;注入流體溫度、排量和鉆井液比熱容的增大,會(huì)導(dǎo)致內(nèi)管流體溫度剖面整體增大;注入流體溫度主要影響井口附近的內(nèi)管流體溫度,而排量和鉆井液比熱容主要影響海底附近的內(nèi)管流體溫度,可以通過(guò)調(diào)節(jié)上述參數(shù)來(lái)改善不同井段井簡(jiǎn)溫度分布,以減少水合物的生成。研究結(jié)果可為水合物的安全高效開(kāi)采提供理論支撐。
關(guān)鍵詞:天然氣水合物;雙層管雙梯度鉆井;井筒溫度;綜合導(dǎo)熱系數(shù);內(nèi)管;外管環(huán)空
中圖分類(lèi)號(hào):TE52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.16082/j.enki.issn.1001-4578.2022.12.008
Distribution Law of Wellbore Temperature in Offshore Dual-layer DEG
Wang Jiangshuai' Fu Pan Hu Xuhui Gong Chenxing5 Deng Song' Tang Zheng' Yin Wen'
(1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering,Changzhou University; 2. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited;3.KEMBL Petroleum Technology Derelopment Co.,Lid.;4.Oil and Gas Technology Research Institute,PetroChina Chan- gqing Oilfield Company; 5. State Engineering Laboratory of Exploration and Derelopmentof Lou-Permeability Oil & Gas Field)
Abstract:Wellbore temperature has a significant influence on the state of natural gas hydrate. In this paper, a wellbore temperature field prediction model for dual-layer dual-gradient drilling (DGD) was built according to the theory of heat transfer by incorporating the comprehensive thermal conductivity and considering the influence of cut- tings on the thermal physical parameters of the mixed fluid in the inner pipe and the influence of different fluids in the annulus of riser, casing and open hole on the heat transfer. With this model,the distribution law of wellbore temperature in offshore dual-layer DGD was investigated. It is found that, for the dual-layer DGD wellbore,the temperature near the seabed is the lowest,which should be carefully considered in the process of hydrate solid flu- idization production.The increase of injected fluid temperature,displacement and specific heat capacity of drilling fluid lifts the temperature profile of inner pipe fluid. Specifically, the temperature of the injectedI fluid mainly af- fects the temperature of the inner pipe fluid near the wellhead,while the displacement and the specific heat capaci- ty of drilling fluid mainly affect the temperature of the inner pipe fluid near the seabed.Therefore,it is possible to improve the wellbore temperature distribution in different well sections by adjusting the above parameters to mini-mize the formation of hydrate.'The research provide theoretical support for the safe and efficient exploitation hy-drate.
Keywords: natural gas hydrate;dual-layer dual-gradient drilling; wellbore temperature; comprehensivethermal conductivity ; inner pipe; outer pipe annulus
0引言
為了有效解決深水鉆井的窄密度窗口[1—6]和淺層水合物開(kāi)采面臨的地層漏失嚴(yán)重、開(kāi)采效率低[7]等難題,西南石油大學(xué)能源裝備研究院創(chuàng)新性提出了一種基于雙層管雙梯度的深海油氣及水合物開(kāi)發(fā)技術(shù)方案[8],并建立了該鉆井方式下的井筒壓力調(diào)控理論及策略。然而,該鉆井方式下井筒流體物性參數(shù)變化、井筒壓力計(jì)算[9—10]以及后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中水合物在雙層管內(nèi)是否發(fā)生分解、分解位置以及分解量等均受井筒溫度的顯著影響。因此,亟待開(kāi)展海洋雙層管雙梯度鉆井井筒溫度場(chǎng)研究,以期為井筒壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和保障水合物安全、高效的開(kāi)采提供理論支撐。
現(xiàn)有的傳熱模型大多是用來(lái)預(yù)測(cè)正常循環(huán)[10—11]、漏失[12]、溢流[3]等不同工況下的井筒溫度分布,這些模型針對(duì)的是“鉆桿內(nèi)流入、環(huán)空流出”這種井筒流動(dòng)傳熱方式,適用于常規(guī)鉆井方式。然而,雙層管雙梯度鉆井過(guò)程中鉆井液由外管環(huán)空注入,經(jīng)鉆頭后與巖屑一起由內(nèi)管返出。此外隔水管環(huán)空、套管環(huán)空、裸眼環(huán)空分別被海水、隔離液、鉆井液 3 種不流動(dòng)的流體充滿[8]。由此可見(jiàn),雙層管雙梯度鉆井的井筒流動(dòng)傳熱方式為“環(huán)空流入、鉆桿內(nèi)流出”,且不同井段環(huán)空流體類(lèi)型差異較大,導(dǎo)致井筒—地層之間的傳熱非常復(fù)雜。現(xiàn)有的井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型已不再適用。為此,筆者基于傳熱學(xué)理論,充分考慮巖屑對(duì)內(nèi)管混合流體熱物性參數(shù)的影響,以及隔水管、套管、裸眼等井段環(huán)空內(nèi)不同流體類(lèi)型對(duì)傳熱的影響,并將外管內(nèi)壁至原始地溫位置之間的區(qū)域,等效為一個(gè)傳熱單元,引入綜合導(dǎo)熱系數(shù),建立了適用于雙層管雙梯度鉆井的井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型,并對(duì)井筒溫度分布規(guī)律進(jìn)行分析。
1物理模型
雙層管雙梯度鉆井井筒物理模型如圖 1 所示。由圖 1 可知,鉆井過(guò)程中鉆井液由外管環(huán)空注入,經(jīng)鉆頭噴嘴后與巖屑一起由內(nèi)管返出,環(huán)空被海水、隔離液、鉆井液3種流體充滿,并處于靜止?fàn)顟B(tài)。在此過(guò)程中,地層與外管環(huán)空鉆井液進(jìn)行熱交換,外管環(huán)空鉆井液與內(nèi)管混合流體進(jìn)行熱交換。
2數(shù)學(xué)模型
2.1 基本假設(shè)
在建立雙層管井筒溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型時(shí),進(jìn)行以下假設(shè):①內(nèi)管和外管環(huán)空內(nèi)流體溫度在徑向上不發(fā)生變化;②井筒中心線向外一定距離處地層溫度為原始地溫(C.S.HOLMES and S.C.SWIFT 認(rèn)為 不受擾動(dòng)的地層半徑值為3.05 m[14],本文選取該值作為原始地溫位置與井眼中心軸線的距離),同時(shí)將外管內(nèi)壁至原始地溫位置之間的區(qū)域等效為一個(gè)傳熱單元,引入綜合導(dǎo)熱系數(shù);③熱源項(xiàng)計(jì)算時(shí),考慮由于井筒流體流動(dòng)摩阻所產(chǎn)生的熱量;④綜合導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算時(shí),考慮海水、隔離液、鉆井液等不同流體導(dǎo)熱系數(shù)差異。
2.2 溫度場(chǎng)模型
與常規(guī)鉆井方式不同,雙層管雙梯度鉆井流體從外管環(huán)空注入,經(jīng)鉆頭后從內(nèi)管返出。因此,基于熱力學(xué)第一定律,分別針對(duì)外管環(huán)空和內(nèi)管(見(jiàn)圖2) 2種流動(dòng)傳熱區(qū)域內(nèi)的流體建立熱傳導(dǎo)控制方程。
2.2.1外管環(huán)空流體
其中:
式中:Q為流入外管環(huán)空控制體的流體熱量,J;Qa,ou為流出外管環(huán)空控制體的流體熱量, J; 9a.p為單位時(shí)間內(nèi)外管環(huán)空流體向內(nèi)管流體的導(dǎo)熱量,J;9..,為單位時(shí)間內(nèi)外管環(huán)空流體向地層的導(dǎo)熱量,J;S為由于流體流動(dòng)時(shí)壓耗所產(chǎn)生的熱量,J; Qachang為外管環(huán)空控制體流體熱量的改變量,J;C.為流入外管環(huán)空控制體流體的比熱容,J/(kg.℃); qm為流入外管環(huán)空控制體的流體質(zhì)量流量, kg/s; T.為流入外管環(huán)空控制體的流體溫度,℃; T,.L+AL為流出外管環(huán)空控制體的流體溫度,℃; D,為內(nèi)管外徑, m; A,為雙層管的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m.℃); D,為原始地層溫度位置處的圓柱外徑,m;入l為外管內(nèi)壁至原始地層溫度位置處傳熱體的綜合導(dǎo)熱系數(shù), W/(m.℃); Twell為外管內(nèi)壁至原始地層溫度位置處的傳熱體溫度,℃; A,為外管環(huán)空流體流動(dòng)的面積, m2; p,為流入外管環(huán)空控制體的流體密度,kg/m'; T,,為控制體流入端對(duì)應(yīng)的內(nèi)管流體溫度,℃;b,為內(nèi)管的壁厚,m; Te為控制體流入端對(duì)應(yīng)的原始地層溫度,℃;b.l為外管內(nèi)壁至原始地層溫度位置處的距離,m; △L為控制體的長(zhǎng)度,m; △t 為時(shí)間步長(zhǎng),s。
代入控制方程,推導(dǎo)后得出外管環(huán)空流體溫度計(jì)算方程:
其中:
2.2.2 內(nèi)管流體
其中:
(5)
式中: Qpin為流入內(nèi)管控制體的流體熱量,J;Qp.ou為流出內(nèi)管控制體的流體熱量, J; Qp.change為內(nèi)管控制體流體熱量的改變量, J; C,為流入內(nèi)管控制體流體的比熱容, J/(kg.℃); qm為流入內(nèi)管控制體的流體質(zhì)量流量,kg/s; Tp.+s為流入內(nèi)管控制體的流體溫度,℃;A,為內(nèi)管流體流動(dòng)的面積, m2; p,為流入內(nèi)管控制體的流體密度, kg/m2。
代入控制方程,推導(dǎo)后得出內(nèi)管流體溫度計(jì)算方程:
其中:
2.3 輔助方程
2. 3. 1 熱物性參數(shù)
由于鉆井液從井底往上返出時(shí)有巖屑的進(jìn)入,因此改變了內(nèi)管混合流體的熱物性參數(shù)。
混合流體密度:
混合流體的質(zhì)量流量:
混合流體的比熱容:
式中:p.為巖屑的密度, kg/m'; Q,為鉆井液排量,m2/s;Q. 為巖屑的產(chǎn)生速率,m2/s; C. 為巖屑的比熱容,J/(kg·℃);m,為混合流體質(zhì)量流量, kg/s; m,為返出流體質(zhì)量流量, kg/s; m,為巖屑的質(zhì)量流量,kg/so
2. 3. 2 綜合導(dǎo)熱系數(shù)
由于建立數(shù)學(xué)模型時(shí),將外管內(nèi)壁與原始地溫之間的區(qū)域視為一個(gè)傳熱單元,因此針對(duì)該傳熱單元引入綜合導(dǎo)熱系數(shù)入ll,計(jì)算公式如下:
式中:L為計(jì)算點(diǎn)的深度, m; Dwater為水深, m;Da為套管鞋深度, m; bai為外管壁厚, m; Asea 為海水導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);b2為隔水管段環(huán)空間隙, m; Arr為隔水管導(dǎo)熱系數(shù), W/(m.℃); bri為隔水管壁厚,m; 入為隔離液導(dǎo)熱 系數(shù), W/(m·℃); Aeaing為套管導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃); beaing為套管壁厚, m; An為水泥 環(huán)導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);beeme為水泥環(huán)壁厚,m; 入;為地層導(dǎo)熱系數(shù), W/(m.℃);A。為鉆井 液導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。
2.3.3 熱源項(xiàng)計(jì)算
熱源項(xiàng)[1?]由下式計(jì)算:
式中:△P,為單位長(zhǎng)度的摩阻壓降,Pa/m; A,為鉆頭噴嘴的截面積,m2; E,為鉆頭破巖效率;M為軸向上的鉆柱扭矩, N.m; w為轉(zhuǎn)速, r/s
3模型求解
通過(guò)迭代方式對(duì)井筒溫度場(chǎng)模型進(jìn)行求解,具體求解步驟如下:①假定內(nèi)管流體溫度為原始地溫7.=T.L,利用公式(3)計(jì)算出外管環(huán)空流體溫度分布T; ②將外管環(huán)空流體溫度T,代入公式(7)計(jì)算內(nèi)管流體溫度分布T;③將計(jì)算得到的內(nèi)管流體溫度T,,再次代入公式(3)重新計(jì)算外管環(huán)空流體溫度分布T;④將外管環(huán)空流體溫度71代入公式(7)中重新計(jì)算內(nèi)管流體溫度分布 7p.。重復(fù)步驟③和④,當(dāng)內(nèi)管流體溫度分布滿足以下判斷依據(jù)時(shí),認(rèn)為計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。
式中: D為井深, m; i為時(shí)間節(jié)點(diǎn);j為空間節(jié)點(diǎn);E 為誤差控制參數(shù),無(wú)量綱。
4實(shí)例分析
使用上述建立的數(shù)學(xué)模型,開(kāi)展了雙層管雙梯度鉆井井筒溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究。模擬井為一口深水直井,基本參數(shù)包括:井深 2000 m,水深 1500m,套管下深1 800 m,隔水管外徑0.533 m,隔水管內(nèi)徑 0. 508 m,套管外徑 0.468 m,套管內(nèi)徑0.404 m,外管外徑 0.308 m,外管內(nèi)徑 0.248 m,內(nèi)管外徑 0. 127 m,內(nèi)管內(nèi)徑 0. 109 m,鉆井液密度1 100 kg/m2,排量 30 1/s,鉆井液比熱容3 180J/(kg·℃),巖石密度 2 650 kg/m3,巖石比熱容920J/(kg·℃),管柱導(dǎo)熱系數(shù)43 W/(m·℃), 巖石導(dǎo)熱系數(shù) 2.25 W/(m·℃),水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)1.7 W/(m .℃),鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)1 W/(m·℃),海水導(dǎo)熱系數(shù) 0.8 W/(m·℃),隔離液密度1 440 kg/m2,隔離液導(dǎo)熱系數(shù) 0.5W/(m·℃),隔離液比熱容 1 840J/(kg·℃),機(jī)械鉆速 2 m/h,注入流體溫度 30 ℃,海平面溫度30℃,地溫梯度0.028 ℃/m。
4.1 井筒溫度分布規(guī)律
圖3展示了雙層管雙梯度鉆井時(shí)外管環(huán)空流體溫度和內(nèi)管流體溫度分布情況。由圖 3 可以看出:循環(huán)時(shí)鉆井液以一定溫度從外管環(huán)空注入,向下流動(dòng)過(guò)程中受到海水溫度場(chǎng)的影響,外管環(huán)空流體溫度逐漸降低;進(jìn)入泥線以下地層時(shí),受地層溫度場(chǎng)的影響,外管環(huán)空流體溫度有所升高。總體來(lái)說(shuō),在井筒上部(即圖3中①區(qū)域),熱傳導(dǎo)方向?yàn)橥夤墉h(huán)空流體→地層;在井筒下部(即圖3中②區(qū)域),熱傳導(dǎo)方向?yàn)榈貙印夤墉h(huán)空流體。此外,外管環(huán)空流體經(jīng)鉆頭后沿內(nèi)管向上返出,該過(guò)程中內(nèi)管流體受周?chē)h(huán)境溫度的影響在流動(dòng)方向上呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。
另外,結(jié)合雙層管雙梯度鉆井進(jìn)行水合物固態(tài)流化開(kāi)采工藝,對(duì)井筒溫度分布進(jìn)行深入分析。由于受到海水溫度場(chǎng)的影響,水合物固態(tài)流化開(kāi)采時(shí),在井下被破碎并分離后,沿內(nèi)管向上流動(dòng)過(guò)程中在海底泥線附近區(qū)域(低溫高壓環(huán)境)易形成結(jié)晶。一旦有水合物晶體形成,將會(huì)影響井筒流動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)給井筒流動(dòng)保障帶來(lái)安全隱患。因此,建議優(yōu)化相關(guān)可控參數(shù)來(lái)增大海底泥線附近井筒溫度,避免因井筒溫度過(guò)低而形成大量的水合物晶體。
4.2 不同因素對(duì)井筒溫度分布的影響
4. 2.1 注入流體溫度
圖 4 展示了 3 種不同注入流體溫度條件下的內(nèi)管流體溫度分布情況。由圖 4 可以看出,隨著注入流體溫度的升高,內(nèi)管流體溫度剖面整體增大。內(nèi)管流體溫度的升高有利于抑制水合物的生成,從而縮小水合物在井筒內(nèi)的生成區(qū)域,保障井筒流動(dòng)。
由圖 4 還可以看出,井口附近內(nèi)管流體溫度受注入流體溫度的影響較大,而海底、井底附近內(nèi)管流體溫度受注入流體溫度的影響相對(duì)較小。具體來(lái)看,注入流體溫度從 20 ℃ 升高到 40 ℃時(shí),井口(0 m)溫度升高了18.25 ℃,而海底(1 500 m)溫度僅升高了 1.48 ℃,井底(2000 m)溫度僅僅增加了 1.02 ℃。這是因?yàn)?,?duì)于井口流體來(lái)說(shuō),內(nèi)管流體溫度受外管環(huán)空注入流體溫度直接影響,然而對(duì)于井底來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)后,井筒換熱充分,因此注入流體溫度對(duì)井底溫度的影響非常有限。
4. 2.2 排量
圖5展示了3 種不同排量條件下的內(nèi)管流體溫度分布情況。由圖 5 可以看出,隨著排量的增加,內(nèi)管流體溫度剖面整體增大,有利于抑制水合物的生成,從而縮小水合物在井筒內(nèi)的生成區(qū)域,保障井筒流動(dòng)。與常規(guī)陸地鉆井不同的是,對(duì)于深水淺部地層鉆井,排量的增大并沒(méi)有導(dǎo)致井底溫度減小,反而使其增大。這是因?yàn)?,排量越大井筒?nèi)流體與地層的換熱時(shí)間越少,受深水海底和淺部地層低溫的影響更小,故內(nèi)管流體溫度增加。
由圖 5 還可以看出,海底附近內(nèi)管流體溫度受排量的影響較大,而井口、井底附近內(nèi)管流體溫度受排量的影響相對(duì)較小。具體來(lái)看,排量從 20 L/s增加到40 I/s 時(shí),井深1 500 m 處的海底溫度升高了3.64 ℃,井底(2000 m)溫度升高了1.18 ℃,而井口(0 m)溫度僅僅變化了 0.27 ℃。也就是說(shuō),相比于井口、井底,排量的增加可以更有效地改善海底附近井筒內(nèi)的低溫環(huán)境,從而有效抑制水合物在海底附近的井筒內(nèi)形成。
4. 2. 3 鉆井液比熱容
圖6展示了3種不同比熱容鉆井液在內(nèi)管流體溫度分布情況。由圖 6 可以看出,隨著鉆井液比熱容的增加,內(nèi)管流體溫度剖面整體增大,同樣有利于抑制水合物的生成,從而縮小水合物在井筒內(nèi)的生成區(qū)域,保障井筒流動(dòng)性。這是因?yàn)?,鉆井液比熱容越大,井筒內(nèi)流體與流體之間的熱對(duì)流增強(qiáng)越明顯,相比于海底低溫,注入流體溫度較高,有利于內(nèi)管流體溫度增加。
由圖6還可以看出,海底附近內(nèi)管流體溫度受鉆井液比熱容的影響較大,而井口、井底附近內(nèi)管流體溫度受鉆井液比熱容的影響相對(duì)較小。具體來(lái)看,鉆井液比熱容從 2 180J/(kg·℃)增加到4 180J/(kg·℃)時(shí),井深 1 500 m 處的海底溫 度升高了3.45 ℃,井底(2 000 m)溫度升高了1.13 ℃,而井口(0m)溫度僅僅變化了0.25 ℃。也就是說(shuō),相比于井口、井底,鉆井液比熱容的增加可以明顯地改善海底附近井筒內(nèi)的低溫環(huán)境,對(duì)有效抑制水合物在海底附近的井筒內(nèi)形成有一定的作用。
綜上分析,可以得出以下 3 點(diǎn)認(rèn)識(shí):①對(duì)雙層管雙梯度鉆井井筒而言,其在海底附近的溫度達(dá)到最低值,在水合物固態(tài)流化開(kāi)采時(shí)應(yīng)注意增大海底附近井筒溫度,避免因溫度過(guò)低而形成大量的水合物晶體,從而阻礙井筒流動(dòng)。②注入流體溫度、排量和鉆井液比熱容的增大,均會(huì)使得內(nèi)管流體溫度剖面整體增大,是通過(guò)調(diào)節(jié)井筒溫度剖面來(lái)抑制水合物生成的重要手段。③注入流體溫度主要影響的是井口附近的內(nèi)管流體溫度,而排量和鉆井液比熱容主要影響的是海底附近的內(nèi)管流體溫度,可以通過(guò)調(diào)節(jié)上述參數(shù)來(lái)改善不同井段井筒溫度分布,以減少水合物的生成。
5結(jié)論
(1)針對(duì)雙層管雙梯度鉆井方式,充分考慮巖屑對(duì)內(nèi)管混合流體熱物性參數(shù)的影響以及隔水管、套管、裸眼等井段環(huán)空內(nèi)不同流體類(lèi)型對(duì)傳熱的影響,并將外管內(nèi)壁至原始地溫位置之間的區(qū)域等效為一個(gè)傳熱單元,引入綜合導(dǎo)熱系數(shù),建立了該鉆井方式下的井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。
(2)對(duì)雙層管雙梯度鉆井井筒而言,其在海底附近的溫度達(dá)到最低值,在水合物固態(tài)流化開(kāi)采時(shí)應(yīng)特別注意該段的井筒溫度分布。
(3)注入流體溫度、排量和鉆井液比熱容的增大,均會(huì)使得內(nèi)管流體溫度剖面整體增大;其中,注入流體溫度主要影響的是井口附近的內(nèi)管流體溫度,而排量和鉆井液比熱容主要影響的是海底附近的內(nèi)管流體溫度,可以通過(guò)調(diào)節(jié)上述參數(shù)來(lái)改善不同井段井筒溫度分布,以減少水合物的生成。
參 考 文 獻(xiàn)
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第一作者簡(jiǎn)介:王江帥,生于1993年, 2021年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程博士學(xué)位,現(xiàn)主要從事深水鉆井、控壓鉆井、井筒多相流與傳熱、石油工程人工智能方面研究工作。地址:(213100)江蘇省常州市。E—mail:wjs125126@ 163. com。
收稿日期:2022—07—31
(本文編輯 宋治國(guó))