钻井相流温度测试

控压钻井技术（MPD）的核心是精确控制井筒压力，维持井底压力在安全密度窗口之内［1－3］。在钻遇储层过程中，当监测到气侵后不一定采用压井等井控措施，而是充分利用现有的工艺技术和设备，采用正常循环排除的方式，控制井底压力，阻止地层流体进一步侵入井筒［4］。然而，井筒中温度的分布是影响环空多相流井底压力的重要因素：由于地层气体侵入，井筒内气液两相流在不同井深、温度条件下呈现出不同的流态，而流态的不同直接影响井筒内压力分布［5－6］。因此，建立合理正确的控压钻井多相流温度场模型预测环空温度场对于控制环空压力分布、实现安全钻进十分必要。

1数学预测模型的建立及求解

1．1数学模型建立首先假设如下：①流体在井筒内的流动为一维稳态流动，且同一截面上各点的温度、压力相等；②井筒中钻柱到水泥环外缘间的传热为径向稳态传热，井筒周围地层中的传热为非稳态传热；③井筒及地层中的热损失是径向的，不考虑沿井深方向的纵向传热。f（t）是反映地层热阻的无因次时间函数，K．chiu等人给出了经验表达式［7］：

1．2模型求解方法将温度场计算模型嵌入井筒多相流流动分析模型中（多相流流动分析模型考虑井斜角），通过循环迭代法和数值分析法对温度场模型进行求解，计算步骤如下（图2）：①对全井筒进行离散处理；②确定初始节点温度Ti0，假设离散单元体温度增量；③假设单元体压降；④在平均温度、压力下计算单元体气液物性参数；⑤利用井筒多相流流动分析模型计算离散单元压降；⑥判断计算的压降和假设压降是否满足精度要求，不满足就返回第③步重新计算，否则进行下一步；⑦应用井筒传热方程及能量方程计算离散单元节点温度；⑧判断计算的离散单元温度和假设温度是否满足精度要求，不满足就返回第②步重新计算，否则进行下一步；⑨增加步长到计算井深，输出结果。

2应用实例及效果分析

2．1基本参数某井钻至井深5452m（垂深4807m），井眼直径152．4mm，钻柱外径127mm，内径108．6mm，地表温度9℃，地温梯度2．3℃／100m。钻井液密度1．05cm3，排量12L／s，流性指数0．88，稠度系数0．18Pa•sn，钻井液入口温度35℃，钻井液比热容1680J／（kg•K）；岩石密度2．6g／cm3，岩石比热容837．3J／（kg•K），地层导热率2．248W／（m•s•K），钻柱内液体换热系数310J／（m2•s•K），环空液体换热系数83．4J／（m2•s•K）。

2．2评价分析

2．2．1循环时间对井筒温度剖面的影响图3反映了钻柱内和环空钻井液温度随循环时间的变化规律。图3钻井液温度随循环时间变化曲线图由图3可知，钻井液温度随循环时间的增加逐渐降低。当循环时间约140min时，钻柱内和环空钻井液温度出现拐点，这是由钻井液和地层间热传递发生交换造成的。

2．2．2钻井液密度对井筒温度剖面的影响图4反映了钻柱内和环空钻井液温度随钻井液密度的变化规律。由图可知，当钻井液密度增加时，钻井液温度呈明显下降趋势。

2．2．3钻井液排量对井筒温度剖面的影响图5反映了钻柱内和环空钻井液温度随钻井液排量的变化规律。

2．3实例分析对该井在井深2973～3861m使用PWD监测的数据与模型计算结果如表1、图6所示。可以看出，依据该模型计算的预测值与实际测量值吻合程度较好。环空温度场预测结果的最大误差为2．87％，能够满足控压钻井现场施工及数据计算需要。

3结论

1）建立的模型计算结果与实测值吻合较好，能够满足控压钻井施工和计算需要。2）循环时间对温度剖面有较大影响；随循环时间增长，对温度剖面影响程度逐渐减弱。3）随着钻井液密度的增加，对温度剖面影响程度逐渐减弱。4）随着钻井液排量的增加，影响程度逐渐减弱。钻井液排量主要与对流传热的强度及钻井液循环过程中压力循环损耗生热和钻头喷嘴压降生热有关。