循環壓井井底溫度預測模型研究

隨著能源規劃的不斷增加和油氣勘探和開發領域的擴大，油氣藏的開發已成為一個重要的替代能源。近年來,國內的深井、超深井越來越普遍,井筒循環溫度對深井、超深井壓井的影響非常大,不但關系到井內壓力平衡、壓井液性能和井壁穩定性,而且直接影響油管和套管設計。精確預測壓井過程中井筒溫度分布和變化規律,是鉆井完井作業安全、高效進行的重要保證。通過深入研究影響井筒溫度分布的因素,確定各因素對井筒溫度的影響程度,為現場施工中根據需要采取措施控制井筒溫度的變化提供了理論依據。壓井井筒溫度分布受地層、壓井液、注入溫度等多種因素影響,采用實驗方法來模擬這些因素對井筒溫度的影響難度非常大,因此數值模擬方法被廣泛應用于井筒溫度的預測研究中。筆者根據正循環和反循環壓井工藝特點,建立了循環壓井過程中井筒二維瞬態溫度場預測模型,并采用有限差分法對預測模型進行數值求解。對排量、井深、注入溫度、油管尺寸4個重要影響因素進行敏感性分析,研究各因素對井筒溫度的影響。采用差分網格對式(1)~(6)進行離散處理,結合不同壓井方式對應的邊界條件、初始條件,采用有限差分法求解式(1)~(6)便可得到不同時刻整個井筒二維剖面不同位置的溫度值。2井底溫度分布采用本文建立的壓力溫度預測數學模型及求解方法,對中石化西南油氣分公司1口超深井——元壩1井壓井作業時井筒溫度進行預測計算,該井的工況參數及基本參數如表1、2所示。根據正循環壓井和反循環壓井兩種工況特點,分別采用本文建立的預測模型計算整個井筒的溫度分布,計算結果見圖1、2。從圖中可以看出:根據元壩1井的井身結構和作業參數,正循環壓井井口排液溫度大于反循環壓井井口排液溫度,正循環壓井油管內流體和環空內流體的溫度均大于地溫,反循環壓井油管內流體和環空內流體的溫度均小于地溫,循環壓井過程中井底溫度隨壓井時間先下降后逐漸穩定,正循環壓井井底溫度高于反循環壓井井底溫度。這是因為該井環空截面積小于油管截面積,造成相同泵排量下環空內流體流動速度大于油管內流體流動速度。3井熱場影響因素分析3.1油管內流體溫度下降圖3為排量對反循環壓井油管內流體溫度、正循環壓井環空內流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著排量的增加,反循環壓井油管內流體溫度下降,正循環壓井環空內流體溫度上升。這是因為反循環壓井過程中油管內流體流動速度較小,井筒傳熱是壓井液溫度升高的主要影響因素,因此油管內流體溫度隨排量的增大而下降;正循環壓井過程中環空內流體流動速度較大,摩擦生熱成為壓井液溫度升高的主要影響因素,因此環空內流體溫度隨排量的增大而上升。3.2井深對井底溫度的影響圖4為井深對反循環壓井油管內流體溫度、正循環壓井環空內流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著井深的增加,反循環壓井油管內流體井口溫度和正循環壓井環空內流體井口溫度均基本不變,井深主要影響井底溫度分布。這是因為循環壓井過程中環空流體和油管內流體間的熱傳遞基本平衡,井筒溫度分布接近地溫,僅靠近井底的位置流體溫度變化較大。3.3井筒內部溫度圖5為注入溫度對反循環壓井油管內流體溫度、正循環壓井環空內流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著壓井液入口溫度的增加,反循環壓井油管內流體出口溫度和正循環壓井環空內流體出口溫度均上升,井筒一定深度后的井筒溫度分布幾乎沒有變化,且反循環壓井油管內流體出口溫度大于正循環壓井環空內流體出口溫度。這是因為反循環壓井油管內流體比正循環壓井環空內流體受注入流體溫度影響更加顯著。3.4反循環壓井流場尺寸圖6為油管尺寸對反循環壓井油管內流體溫度、正循環壓井環空內流體溫度的影響。從圖中可以看出,隨著油管尺寸的增加,反循環壓井油管內流體溫度下降,正循環壓井環空內流體溫度上升,其原因同排量的井筒溫度的影響一致。從圖3~6各敏感參數對循環壓井井筒流體溫度分布的預測計算結果可得出,這些參數對循環壓井井筒溫度分布的影響程度均沒有擠酸和求產工況顯著,其影響程度大小粗略排序為:井深、排量、油管尺寸、注入溫度。4井底溫度隨時間的變化(1)通過實例井兩種循環方式井筒溫度場的數值模擬得出:正循環壓井井口排液溫度大于反循環壓井井口排液溫度,循環壓井過程中井底溫度隨壓井時間先下降后逐漸穩定,正循環壓井井底溫度高于反循環壓井井底溫度。(2)對排量、井深、注入溫度、油管尺寸4個重要影響因素進行了敏感性分析,分析結果表明,4個因素對井筒溫度的影響程度大小粗略排序為:井深>排量>油管尺寸>注入溫度。界面接觸單元下標l,t,ti,to,cl,ci,c,co,ce,ceo,d,d1o,d1分別表示油管內流體、油管、油管內壁、油管外壁、油套環空、套管內壁、套管、套管外壁、水泥環、水泥環外壁、地層、地層與水泥環接觸單元外壁、地層與水泥環接觸單元;uf072為井筒單位體的密度,kg/m3;k為導熱系數,W/(m·K);T為溫度,K;z為井深,m;h為界面的對流換熱系數,W/(m2·K);r為徑向坐標,m;Q為摩擦產生的熱量,J/s;A為單元體截面積,m2;c為比熱,J/(kg·K);t為時間,s;v為流體流動速度(液體由井口向下流動速度為正,由井底向上流動為負),m/s。1控制體能量平衡方程根據井眼系統特點,對二維井筒系統按軸向和徑向進行