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基于地面降温的井下钻井液冷却技术

柳鹤 于国伟 于琛 郑锋 陈文博 王超 郑双进

柳鹤,于国伟,于琛,等. 基于地面降温的井下钻井液冷却技术[J]. 钻井液与完井液,2023,40(6):756-764 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.06.009
引用本文: 柳鹤,于国伟,于琛,等. 基于地面降温的井下钻井液冷却技术[J]. 钻井液与完井液,2023,40(6):756-764 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.06.009
LIU He, YU Guowei, YU Chen, et al.Study on downhole drilling fluid colling technology based on surface cooling[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(6):756-764 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.06.009
Citation: LIU He, YU Guowei, YU Chen, et al.Study on downhole drilling fluid colling technology based on surface cooling[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(6):756-764 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.06.009

基于地面降温的井下钻井液冷却技术

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.06.009
基金项目: 中国石油天然气集团有限公司基础超前颠覆性与共性技术攻关项目“高端井筒工作液新材料新技术与装备研究”的子课题“高温钻井液冷却技术与装备研制”(2021DJ4406)。
详细信息
    作者简介:

    柳鹤,毕业于吉林大学地质工程专业,获博士学位,现在主要从事钻井新技术、新工艺研究和钻井工具研发工作。E-mail:liuhe08@cnpc.com.cn

    通讯作者:

    王超,毕业于中国石油大学(北京)油气井工程专业,获博士学位,现在主要从事油气井力学与控制工程方面的研究。E-mail:cw_paper@163.com

  • 中图分类号: TE 254

Study on Downhole Drilling Fluid Colling Technology Based on Surface Cooling

  • 摘要: 目前井下钻井液冷却技术中存在是否具有开展降温技术的必要及如何实现井下钻井液温度实时控制这2个核心问题。首先基于井筒传热模型,探究了钻井液冷却施工参数对井下温度影响程度的大小,基于精英策略的非支配排序遗传算法,建立了钻井液冷却施工参数优化模型,形成了井下钻井液冷却极限计算方法,以此评估是否具有开展降温技术的必要。然后基于井筒传热模型,探究了地面降温与井下降温间的定量关系,得到井下温度的变化与地面注入温度的变化呈单调线性关系,依据此关系及比例积分微分(PID)控制算法,形成了钻井液井下温度实时控制方法。最后利用一口实例井对上述模型与方法进行验证,结果表明,采用冷却施工参数优化模型得到的井下降温极限比未经优化的正常钻井温度低17 ℃,同时建立的基于PID控制的井下温度控制方法能实现井下温度的实时定量控制,减少地面钻井液冷却设备能耗,并确保井下温度尽快达到设定值。

     

  • 图  1  非支配遗传算法流程图

    图  2  基于PID控制的井下温度控制方法原理

    图  3  循环过程中井底温度模拟结果与实测结果对比

    图  4  循环过程中环空出口温度模拟结果与实测结果对比

    图  5  各影响因素敏感性量化结果

    图  6  每次更新后的优化结果

    图  7  PID井底温度实时控制结果

    表  1  井身结构与钻具组合

    套管下深/
    m
    内径/
    mm
    外径/
    mm
    ρ/
    kg·m−3
    比热/
    J·(kg·℃)−1
    导热系数/
    J·(m·℃)−1
    1500250.20273.05810091045
    6120180.02200.03825095052
    钻具长度/
    m
    内径/
    mm
    外径/
    mm
    ρ/
    kg·m−3
    比热/
    J·(kg·℃)−1
    导热系数/
    J·(m·℃)−1
    260082.3101.6812588043.75
    300070.288.9806889044.25
    200082.3101.6800084042.36
    40057.15120.7822090648.33
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    表  2  传热计算参数

    ρ地层/
    kg·m−3
    地层比热/
    J·(kg·℃)−1
    地层导热系数/
    J·(m·℃)−1
    T地表/
    地温梯度/
    ℃·m−1
    泵排量/
    L·s−1
    T注入/
    26008002.25250.0281840
    ρ钻井液/
    kg·m−3
    钻井液比热
    J·(kg·℃)−1
    钻井液导热系数
    J·(m·℃)−1
    屈服值流性
    指数
    稠度系数/
    Pa·Sn
    钻柱旋转速度/
    r·min−1
    10801975.160.568100.650.3470
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    表  3  影响因素取值范围

    套管和钻具
    比热/J·(kg·℃)−1
    套管和钻具导热
    系数/J·(m·℃)−1
    V/
    L/s
    T注入/
    ρ钻井液/
    kg·m−3
    钻井液比热/
    J·(kg·℃)−1
    钻井液导热系数/
    J·(m·℃)−1
    钻柱旋转
    速度/r·min−1
    地温梯度/
    ℃·m−1
    t循环/
    h
    500~150010~1205~555~551000~20001000~20000.5~2.50~2000.01~0.050~50
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    表  4  冷却施工参数取值范围

    取值T注入/
    排量/
    L·s−1
    转速/
    r·min−1
    ρ钻井液/
    kg·m−3
    钻井液导热系数/
    J/(m·℃)−1
    钻井液比热/
    J/(kg·℃)−1
    最小值3010010000.41800
    最大值702010012002.02200
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-23
  • 修回日期:  2023-07-08
  • 刊出日期:  2023-12-30

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