专利名称：半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法
技术领域：
本发明涉及一种温度计算方法，具体涉及一种半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法。
背景技术：
半潜式钻井平台钻进作业时井筒的温度，特别是处于低温高压构造时，准确预测钻井液、水泥浆、以及井筒周围地层的温度对合理的钻井液设计至关重要。目前，国内外学者对井筒传热问题的研究主要集中在陆地井筒，即井筒内传热和地层传热问题。井筒换热研究成果主要有稳态模型和瞬态模型。全瞬态法原始模型由Raymond(1969)提出，其后，Keller(1973)在换热模型中加入了钻井液摩阻和机械能损失 引起的内热源，Gary R. Wooley (1980)将全瞬态法应用于热流体注入和采油作业，Davidff. Marshall and Ramon G. Bentsen (1982)提出了采用直接接技术求解离散方程组进行全瞬态井筒与地层换热研究，B. Corre等(1984)进行了考虑井深随换热时间不断变化的全瞬态井筒温度分布研究，Beirute (1991)开发了用于估算循环和关井情况下温度计算的模拟器，Garcia(1998a)开发了一种热采数值模拟程序。半潜式平台钻井作业期间，钻井液不断循环，井筒不断加深，海水段井筒通过隔水管与海水换热，海水对钻井液的持续冷却和入口温度的持续改变，导致半潜式平台独特的瞬态井筒温度场。而现有温度场模拟器通常假设入口温度不变，尤其是没有描述海水段井筒换热，也没有考虑温度对钻井液热物性的影响，不能用于模拟半潜式平台钻井循环温度场。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法。基于海洋钻井液循环瞬态换热特征，采用全隐式有限体积法离散格式，耦合多换热区域，考虑钻井热源，开发了 WHTSubmersible模拟器，并结合现场数据验证了模拟器的有效性。其特征在于，包括以下步骤I)应用初始条件海水区所有节点的初始温度为对应深度处海水温度；地层区所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度；2)根据钻井液总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间，每一时间步的温度计算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件，迭代计算，直至收敛。进一步优选，所述步骤2)的温度场计算步骤如下A用二维数组Node记录上一时间步结束时的温度数据；B将节点温度数据复制一份保存至二维数组NodeNew中；
C收敛状态记为“假”；D以Node中的数据作为初始值按照钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空、井筒界面、隔水管、地层的顺序按列依次计算各传热对象内所有节点的新时间步的温度数据，每一列节点的每个节点计算结束时都要比较新计算出的节点温度与NodeNew中保存的温度数据的差值，并记录在变量TDiff 二维数组中，然后将新计算出的温度数据存入二维数组NodeNew 中；E找出数组TDiff中的最大值，若该值很小，则认为该时间步温度计算达到收敛，结束该时间步的迭代，将NodeNew中的温度数据复制到Node数组中，进入下一时间步；否贝U，重复步骤D直至收敛。一种本发明所述方法的WHTSubmersible模拟器，包括以下19个模块DataInput函数是WHTSubmersible程序的数据输入函数,完成模拟井所有数据的输入； TPField函数是WHTSubmersible程序的总功能模块，完成深水井筒温度场计算及数据存储功能；GridGeneration函数根据模拟井的井身结构、钻具结构、海水深度对温度场求解域进行轴向和径向网格划分，存储网格节点的轴向和径向几何信息及介质信息；TOriginGeneration函数根据海水和地层的垂直温度分布数据插值产生节点轴向深度处的原始温度；模拟器有两种方式建立原始温度剖面根据海水和地层的温度分布关系式；根据实测海水和地层温度数据建立温度剖面。海洋油井海水段存在温跃层，地温也存在多个梯度。Ini函数对求解域内网格节点变量应用初始条件，赋初值；TInDrillStem 函数、TDrillStem 函数、TAnnu 函数、TInterface 函数、TRiser 函数和TFormation函数分别用于计算钻柱内钻井液、钻柱管体、环空钻井液、环空外壁处、隔水管绝热层内和地层内所有节点的温度；ThermalPhysics函数。该模块根据节点处钻井液的温度和压力计算节点处钻井液密度、钻井液表观粘度、钻井液比热、钻井液热导率和高温高压密度；HeatGeneration函数。该模块考虑钻井液摩阻压降生热、钻头破岩摩擦生热、钻柱与井壁摩擦生热计算钻柱内和环空这两个换热区域的内热源；HPipe函数、HAnnu函数、HAcross函数的功能分别是计算管流、环空流与内外壁两个的、液体横掠圆管的强迫对流换热系数；ViscTM函数用于计算节点温度条件下钻井液的表观粘度；Kbound函数可用于计算轴向或径向相邻节点控制体界面处的介质热导；TriDiag函数用来求解具有三对角矩阵形式的代数方程组。本发明的有益效果(I)本发明所述的模拟器是基于离散格式表示的二维全瞬态数学模型，并采用隐式的有限差分法进行求解，提高了计算的精度；(2)本发明的技术方案对每个传热对象按照有限体积法沿轴向和径向进行网格划分，确定了程序的求解过程，并介绍了模拟器相关模块的功能；(3)本发明中的模拟器WHTSubmersible不仅可以用于海洋半潜式平台钻井循环温度计算，也可以用来计算陆地井筒温度场，并校核温度场；而且模拟器的动态链接库技术可以将其与其他计算软件相结合，这样在一定程度上提高了模拟器的实用性、准确性和高效性；(4)利用本发明技术所述模拟器的计算数据与现场实例数据进行了对比，验证了该模拟器的准确性，计算误差不超过5 %，可以投入现场使用。
图I为半潜式钻井平台作业时的物理模型图；图2为钻柱内和钻柱管体轴向网格划分
图3为地层内径向网格划分图；图4为本发明方法计算流程图；图5为本发明模拟器的模块结构图。
具体实施例方式下面结合附图具体实施方式
对本发明的方法作进一步详细地说明。半潜式钻井平台作业时的物理模型如图I所示，钻柱内流体区。钻井流体在地面流入钻柱内，沿钻柱向下一直到井底；钻柱管体区；钻柱与井壁之间的环空区。钻井流体从井底进入环空，向上流动，直至地面；井壁区；地层区；隔水管区；物理模型的分析说明循环流程可以看作一个热交换系统。在这个过程中，流体沿钻柱流下，再由环空返出。将井筒传热区域看作轴对称二维求解域，任意节点由两个序号标记(i，j)，j为轴向序号，自井口向井底节点轴向序号递增，井口节点轴向序号为0 ;i为节点径向序号，自井筒轴线向地层或隔水管方向递增，钻柱内钻井液径向节点序号为O。轴向网格划分时，依据井身结构和钻具结构进行轴向分段，每一段内涉及到的所有传热对象的几何尺寸只有一种。然后自上至下对每一段再根据段长进行轴向网格划分，网格节点轴向坐标位于轴向控制区域中心。轴向划分结束后，从上至下对每一段进行径向网格划分。钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空三个传热对象内各分配一个径向节点,径向序号分别为0、1、2，节点径向坐标位于传热对象中心，环空外径处布置一个径向节点，径向序号为4，对环空外传热区域则根据每一段的套管层次情况增加相应的径向节点，直至进入地层，进入地层后，径向节点间距逐步增大，直至布置到径向坐标超过50米。海水段径向节点布置。半潜式平台作业时，环空钻井液通过隔水管与海水进行对流换热，环空节点与海水之间只有隔水管中心一个节点的控制体。依据半潜式平台钻井井筒换热机理，将换热对象分为钻柱内钻井液、钻柱、环空钻井液、隔水管、地层(含套管及之间的水泥环)、界面(包括井壁与地层、井筒和海水)。I钻柱内换热模型钻柱内(#1区)轴向节点和网格划分如图2所示，节点位于网格中心，温度控制方程如下AujTl^ = Al^x + A2jT2:;' + A°X + Slj (0<r<n)(I)式中=A2 j +m}ch J+V2M + A[j\ = 2 31 AzjAt !A1^1 = Hi1C1jjm72 A t ；
权利要求
1.一种半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤 .1)应用初始条件 海水区所有节点的初始温度为对应深度处海水温度；地层区所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度； .2)根据钻井液总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间，每一时间步的温度计算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件，迭代计算，直至收敛。
2.根据权利要求I所述的半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法，其特征在于，所述步骤2)的温度场计算步骤如下 A用ニ维数组Node记录上一时间步结束时的温度数据； B将节点温度数据复制ー份保存至ニ维数组NodeNew中； C收敛状态记为“假”； D以Node中的数据作为初始值按照钻柱内钻井液、钻柱管体、钻柱外环空、井筒界面、隔水管、地层的顺序按列依次计算各传热对象内所有节点的新时间步的温度数据，每一列节点的姆个节点计算结束时都要比较新计算出的节点温度与NodeNew中保存的温度数据的差值，并记录在变量TDiff ニ维数组中，然后将新计算出的温度数据存入ニ维数组NodeNew 中； E找出数组TDiff中的最大值，若该值很小，则认为该时间步温度计算达到收敛，结束该时间步的迭代，将NodeNew中的温度数据复制到Node数组中，进入下一时间步；否则，重复步骤D直至收敛。
3.ー种实现权利要求I所述方法的WHTSubmersible模拟器，其特征在于，包括以下19个模块 DataInput函数是WHTSubmersible程序的数据输入函数,完成模拟井所有数据的输入; TPField函数是WHTSubmersible程序的总功能模块，完成深水井筒温度场计算及数据存储功能； GridGeneration函数根据模拟井的井身结构、钻具结构、海水深度对温度场求解域进行轴向和径向网格划分，存储网格节点的轴向和径向几何信息及介质信息； TOriginGeneration函数根据海水和地层的垂直温度分布数据插值产生节点轴向深度处的原始温度；模拟器有两种方式建立原始温度剖面根据海水和地层的温度分布关系式；根据实测海水和地层温度数据建立温度剖面，海洋油井海水段存在温跃层，地温也存在多个梯度； Ini函数对求解域内网格节点变量应用初始条件，赋初值； TInDrillStem 函数、TDrillStem 函数、TAnnu 函数、TInterface 函数、TRiser 函数和TFormation函数分别用于计算钻柱内钻井液、钻柱管体、环空钻井液、环空外壁处、隔水管和地层内所有节点的温度； HPipe函数、HAnnu函数、HAcross函数的功能分别是计算管流、环空流与内外壁两个的、液体横掠圆管的强迫对流换热系数； ViscTM函数用于计算节点温度条件下钻井液的表观粘度； Kbound函数可用于计算轴向或径向相邻节点控制体界面处的介质热导；TriDiag函数 用来求解具有三对角矩阵形式的代数方程组。
全文摘要
本发明公开了一种半潜式平台瞬态钻井井筒温度计算方法，包括以下步骤1)应用初始条件海水区所有节点的初始温度为对应深度处海水温度；地层区所有节点的初始温度为对应深度处地层原始温度；2)根据钻井液总模拟循环时间和时间步长划分时间段，从初始时刻开始，累加时间，每一时间步的温度计算需要以上一时间步的温度场数据作为初始条件，迭代计算，直至收敛。同时提供了实现该方法的模拟器，本发明所述的模拟器是基于离散格式表示的二维全瞬态数学模型，并采用隐式的有限差分法进行求解，提高了计算的精度。
文档编号G06F19/00GK102682195SQ20121006032
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者宋洵成 申请人:中国石油大学(华东)