[发明专利]一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制方法及系统

说明书

本发明提供了一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制方法及系统，包括对井筒传热物理模型进行节点划分；根据降温材料的质量传输关系和熔融特性确定降温材料和钻井液在控制体内的组成及控制体边界出的传输特性；建立考虑相变的井筒内不同区域的温度控制方程并进行离散和求解；根据离散和求解的结果确定钻井液循环换热的控制参数；在考虑材料相变的情况下，为了实现井筒温度的准确预测与控制，根据井筒钻井液的流动和传热特性，建立了计算井筒温度分布的物理模型。采用热力学关联和有限体积积分法建立了离散方程，利用现场数据进行了理论计算，利用相变材料来控制井底温度。

技术领域

本发明属于深水油气井钻探技术领域，具体涉及一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前的井筒内传热和地层传热问题研究方法有两大类：半瞬态法和全瞬态法。半瞬态法认为井筒内钻井液传热速率远大于地层内岩石的传热速率，故井筒内传热过程相对于地层传热，可视为稳态传热过程，地层内则为瞬态传热过程。Ramey模型提出之后被广泛应用于研究石油行业和地热采掘行业中的单向注入及流体循环过程发生的换热问题。由于Ramey模型假设井筒为无限长线热源，忽略了井筒的半径，导致该模型在预测早期井筒与地层温度分布时存在较大误差。

全瞬态方法将井筒内换热和地层内换热均视为瞬态过程，主要应用于研究钻井作业中钻井液循环引起的井筒与地层换热问题。该方法将换热对象一般分为钻柱内钻井液、钻柱、钻柱外环空钻井液、井筒与地层交界面、不同套管层内水泥环、地层等，对每一种换热对象根据主要的换热机理分别建立相应的用温度表示的能量守恒方程(温度控制方程)，对每一种换热对象沿井筒轴线方向进行网格划分。全瞬态法求解井筒和地层内温度分布需要对换热时间按时间步长分割，对每一个时间步都需要从内到外直至地层无穷远处，逐列求解节点处温度控制方程，反复迭代直至每一个时间步长内每一个换热对象的温度控制方程都得到收敛解。但该方法应用时要求在地层中进行网格划分，较适合于直井，对斜井、大位移井和水平井应用该方法非常困难。这些计算方法都没有考虑材料相变，无法解决针对地面降温方法存在设备投入大、能耗高和冷却介质消耗大等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制方法及系统，本发明在考虑材料相变的情况下，为了实现井筒温度的准确预测与控制，根据井筒钻井液的流动和传热特性，建立了计算井筒温度分布的物理模型。采用热力学关联和有限体积积分法建立了离散方程，利用现场数据进行了理论计算。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制方法采用如下技术方案：

一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制方法，包括：

对井筒传热物理模型进行节点划分；

根据降温材料的质量传输关系和熔融特性确定降温材料和钻井液在控制体内的组成及控制体边界出的传输特性；

建立考虑相变的井筒内不同区域的温度控制方程并进行离散和求解；

根据离散和求解的结果确定钻井液循环换热的控制参数。

根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制系统，采用如下技术方案：

一种考虑材料相变的钻井液循环换热控制系统，包括：

节点划分模块，被配置为对井筒传热物理模型进行节点划分；

材料传输特性确定模块，被配置为根据降温材料的质量传输关系和熔融特性确定降温材料和钻井液在控制体内的组成及控制体边界出的传输特性；

控制方程建立与求解模块，被配置为建立考虑相变的井筒内不同区域的温度控制方程并进行离散和求解；