1.本发明涉及钻井工程技术领域，特别涉及一种高温页岩气长水平井钻井控温系统及方法。
背景技术：
2.泸州区块位于川南低褶带阳高寺构造群，地表由新到老依次出露第四纪、白垩系、侏罗系及三叠系地层，主体以侏罗系地层为主，局部出露三叠系、第四纪地层。目的层为志留系龙马溪组，垂深3500-4300m，作为表征大地热流的泸州区块地温梯度约为3℃/100m，大地热流是表征由地球内部向地表传输并在单位面积上散发的热量，它是地球内部各种动力学过程的能量平衡在地表最直接的反映，在数值上大地热流值等于地温梯度与地层热导率之积，实测电测数据表明龙马溪地层温度约128～145℃。龙马溪组地层采用油基钻井液钻进，与水基钻井液相比，油基钻井液的低比热容具有保温作用，水平段钻进时井底实测温度可达140℃以上，导致旋转导向系统mwd/lwd模块中的电子元件失效、马达动力工具脱胶、堵塞流道，引起频繁起下钻更换旋转导向工具，严重影响深层页岩气水平井钻井提速提效，因此研究连续的钻井控温方法来保障长水平井高效钻进非常必要。
3.目前，用于钻井液井底降温的相关技术及设备多采用地面降温的方法，即通过降低钻井液的入井温度来对井筒内的钻井液进行降温。但是，通过相关理论模型的计算结果和现场的采集数据发现，地面降温装置降低钻井液入井温度的办法仅能部分降低钻井液的井底循环温度，还需优化钻井参数来实现进一步的井下控温的方法。
4.现阶段而言，研究人员通过大量的理论分析和现场井下温度试验数据拟合的方法开展了控温方法的研究，对各项钻井工艺参数对钻井液井底循环温度的影响开展了敏感性分析。
5.现有技术中，亟需一种高温页岩气长水平井钻井控温系统及方法。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种高温页岩气长水平井钻井控温系统及方法，采用理论分析和结合现场试验数据拟合等方法模拟钻井液井底循环温度，通过调整钻井液密度、泥浆泵排量、顶驱的转数、钻具组合等来模拟和观测不同参数对钻井液井底循环温度的情况，为深层高温钻井现场施工参数优化提供参考依据。
7.本发明的实施例是这样实现的：
8.一方面，本发的实施例中提供了一种高温页岩气长水平井钻井控温系统，包括钻具组合114、地面降温装置118、顶驱113及泥浆泵110、固控设备103。从钻井喇叭口101返出的钻井液沿高架槽102进入固控设备103，脱除部分固相含量后经过固控设备103下部锥形罐104的流道进入锥形罐104，锥形罐与立式换热器107通过阀门105、离心泵106、管线117连接，钻井液经阀门105、离心泵106、管线117进入立式换热器107，经过一级降温冷却后，得到的低温钻井液返回上水泥浆罐109，经由管线117，钻井液进入泥浆泵110，经由立管111进入
软管112，再经顶驱113进入钻具组合114，钻井液循环到井底后由井眼116经由钻井喇叭口101进行再次循环，重复上述过程。所述地面降温装置包括阀门105、离心泵106、立式换热器107、冷水塔108、管线117。各组成部分的相关位置关系请参照相关的石油标准。一级立式换热器107的冷却介质与钻井液为并流换热，立式换热器107全部采用外置立式，具有占地面积小、效率高、检修方便特点。采用冷水塔108对一级立式换热器107排出的高温冷却介质进行降温冷却处理，达到循环使用冷却介质，克服了钻井作业平台没有水源或水源供给困难问题。降温后的钻井液经由两台泥浆泵110经立管111、软管112、顶驱113以入井温度从井口注入钻具组合114并向下流动至井底，向下流动过程中一方面与环空内的钻井液进行热交换，另一方面在钻杆内流动过程中流体粘性耗散产生热量。钻井液经钻具组合流出114进入井眼116环空后向上流动流出钻井喇叭口101，在环空内上行过程中将一部分热量传递给钻杆内的钻井液，又与近井壁地层之间进行热交换，同时由于钻井液流动摩擦而产生一部分热量。
9.进一步，系统参数为：泥浆泵110排量30l/s，钻具组合114转速80rpm，钻具组合114扭矩10knm，钻具组合114采用139.7mm+127mm复合钻杆，钻井液密度2.1g/cm3，钻井液入井温度30℃，二维井眼轨迹。
10.一种高温页岩气长水平井钻井控温方法，包括以下步骤：
11.步骤1、获取井的垂深、斜深、井眼轨迹、机械转速、排量、钻井液密度、钻井液流变参数、钻井液热物理参数、地温梯度、地层热物理参数、井身结构参数；
12.步骤2、预测井底钻井液最高循环温度超过135℃井应配备地面降温设备；
13.步骤3、下钻过程中采用分段循环模式，下钻至静止温度达到125℃井段时，井眼须进行15分钟以上的循环，后续下钻作业中每下钻5个立柱循环一次，每次循环时间在15分钟以上，当下钻至循环后温度仍高于125℃井段时，后续井段连续开泵下钻到底。
14.步骤4、下钻至水平段前，井队应确保泥浆泵及地面管汇处于随时可用状态，地面降温装置服务方应确保地面降温装置在高温下钻循环过程中同步连续使用；
15.步骤5、水平段钻进时当井底循环温度超过135℃时且达到旋导工具预警温度，应当将钻具在一个立柱范围内，控制钻具组合114转速30-60rpm采用钻进排量进行循环降温，待温度稳定降低至135℃或满足旋导工具要求时方可恢复钻进。
16.步骤6、接立柱时晚停泵早开泵，以尽量减少停泵时间，接立柱后先开泵至钻进排量再转动顶驱，严禁在停泵时旋转钻具。当遇到维修冲管或者其它维护作业时，施工队伍应建立井下连续循环，持续降低井下温度；
17.步骤7、再通过以下公式分别计算钻具组合114内的钻井液循环温度、环空内的钻井液循环温度以及入井钻井液温度；
18.钻具组合114内钻井液传热模型
[0019][0020]
钻杆壁传热模型
[0021][0022]
环空内钻井液传热模型
[0023][0024]
地层、固井水泥环、套管传热模型
[0025][0026]
式中，q
p
为钻具组合114内摩阻产生的热量，w/m；ρ为钻具组合114内钻井液密度，kg/m3；q为钻井液的体积流量，m3/s；c
p
为钻井液比热容，j/(kg
·
℃)；t
p
为钻具组合114内钻井液温度，℃；tw为钻具组合114壁温，℃；ta为环空内钻井液温度，℃；tf为近井壁地层温度，℃；t为地层、固井水泥环、套管温度，℃；z为深度，m；r
p
为钻具组合114内半径，m；ra为钻具组合114外半径，m；ro为井眼半径，m；r为距井眼中心的径向距离，m；h
p
为钻具组合(114)内壁面的对流换热系数，w/(m2·
℃)；ha为环空内对流换热系数，w/(m2℃)；t为时间，s。
[0027]
步骤8、再根据上述得到钻具组合114内的钻井液循环温度、环空内的钻井液循环温度后对钻井液密度、钻井参数中的转速、排量、钻具组合114进行优化得到后续钻井液井底循环温度，返出井口的钻井液继续参与下一阶段的循环降温。
[0028]
步骤3中，采用钻具组合114地面转速30-80rpm钻进泥浆泵110排量进行循环。
[0029]
本发明实施例的有益效果是：
[0030]
(1)本发明充分利用地面降温装置，采用向井下注入冷却钻井液的方法，可直接对井下高温钻井液进行持续循环降温；
[0031]
(2)本发明充分传热学基本原理，通过优化钻井液密度，钻井工艺参数，将钻井液保持在井下工具正常工作温度区间，可有效防止旋转导向工具信号异常，延长旋转导向工具使用寿命，减少起下钻和更换钻具组合时间、趟钻数，提高水平段钻进时效，无需再安装额外设备，对钻井施工几乎没有影响。同时这种经过实际测量数据进行曲线拟合后，可对模型进行校正后，其定量计算的方式可使井底循环温度直观表示出来，比一些井底循环温度理论预测模型更具说服力。
[0032]
(3)本发明的所采用的控温方法，结合地面降温装置118，具有所用介质导热系数高、所占空间小等特点，减少地面降温装置用电负荷。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0034]
图1为本发明高温页岩气长水平井钻井控温系统的示意图；
[0035]
图2为高温页岩气水平井井眼轨迹；
[0036]
图3为高温页岩气水平井钻井液密度对井底循环温度的影响；
[0037]
图4为高温页岩气水平井排量对井底循环温度的影响；
[0038]
图5为高温页岩气水平井转速对井底循环温度的影响；
[0039]
图6为高温页岩气水平井钻具组合对井底循环温度的影响。
[0040]
图1中，101-钻井喇叭口、102-高架槽及连接管线、103-固控设备、104-锥形罐、
105-阀门、106-离心泵、107-立式换热器、108-冷水塔、109-上水泥浆罐、110-泥浆泵，111-立管、112-软管、113-顶驱、114-钻具组合、115-井口、116-井眼、117-管线、118-地面降温装置。
具体实施方式
[0041]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
[0042]
请参照图1，本发明的第一个实施例提供一种高温页岩气长水平井钻井控温系统，图2中的井眼轨迹作为计算的标准轨迹，按照发明内容步骤1-步骤8进行控温。图1为高温页岩气井井下连续降温循环系统示意流程图，平均钻进时机械转速为5～9m/h，图3为井底钻井液循环温度与钻井液密度、水平段长、垂深的变化情况，结果表明，在目的产层垂深为3600m时，其他各项相关参数不变的前提下，当钻井液密度为1.9g/cc和水平段长从0m钻进至2000m时井底钻井液循环温度最高不超过125℃，因此只要钻具组合的机械性能能满足一趟钻的要求，可实现一趟实现水平段2000m完钻而无需进行因高温导致mwd/lwd模块失效进行起下钻作业。当钻井液密度为2.3g/cc和水平段长从0m钻进至2000m时井底钻井液循环温度最高不超过135℃，因此只要钻具组合的耐温等级不超过135℃，机械性能能满足一趟钻的要求，可实现一趟实现水平段2000m完钻而无需进行高温导致mwd/lwd模块失效进行起下钻作业，对部分耐温等级较低的旋转导向工具，可适当的进行循环降温，进行后续钻井作业。
[0043]
图4至图6为钻进过程中井底循环温度提供了钻具组合114转速、泥浆泵110排量等相关参数的敏感性分析结果，为控温方法提供了理论决策的计算依据和实际控温参数的选择，低转速、中等排量、合适的入井温度、大通径的钻具组合等参数即可实现较好的井底温度的控制。
[0044]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。技术特征：
1.一种高温页岩气长水平井钻井控温系统，其特征在于，其包括钻具组合(114)、地面降温装置(118)、泥浆泵(110)、固控设备(103)、顶驱(113)和固控设备(103)，所述钻具组合(114)置于井眼(116)中，与井眼(116)形成环空；从钻井喇叭口(101)返出的钻井液沿高架槽(102)进入固控设备(103)，脱除部分固相含量后经过固控设备(103)下部锥形罐(104)的流道进入锥形罐(104)，锥形罐(104)与立式换热器(107)通过阀门(105)、离心泵(106)、管线(117)连接，钻井液经阀门(105)、离心泵(106)、管线(117)进入立式换热器(107)，经过一级降温冷却后，得到的低温钻井液返回上水泥浆罐(109)，经由管线(117)，钻井液进入泥浆泵(110)，经由立管(111)进入软管(112)，再经顶驱(113)进入钻具组合(114)，钻井液循环到井底后由井眼(116)经由钻井喇叭口(101)进行再次循环，重复上述过程，所述地面降温装置(118)由阀门(105)、离心泵(106)、立式换热器(107)、冷水塔(108)、管线(117)构成。2.根据权利要求1所述的高温页岩气长水平井钻井控温系统，其特征在于，系统参数为：泥浆泵(110)、排量30l/s、钻具组合(114)转速80rpm、钻具组合(114)扭矩10knm，钻具组合(114)采用139.7mm+127mm复合，钻井液密度2.1g/cm3，钻井液在钻具组合(114)处入井温度为30℃。3.一种高温页岩气长水平井钻井控温方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、获取井的垂深、斜深、井眼轨迹、机械转速、排量、钻井液密度、钻井液流变参数、钻井液热物理参数、地温梯度、地层热物理参数、井身结构参数；步骤2、预测井底钻井液最高循环温度超过135℃井应配备地面降温设备；步骤3、下钻过程中采用分段循环模式，下钻至静止温度达到125℃井段时，井眼须进行15分钟以上的循环，后续下钻作业中每下钻5个立柱循环一次，每次循环时间在15分钟以上，当下钻至循环后温度仍高于125℃井段时，后续井段连续开泵下钻到底；步骤4、下钻至水平段前，井队应确保泥浆泵(103)及地面管线(117)处于随时可用状态，地面降温装置(118)服务方应确保地面降温装置(118)在高温下钻循环过程中同步连续使用；步骤5、水平段钻进时当井底循环温度超过135℃时且达到钻具组合(114)旋导工具预警温度，应当将钻具在一个立柱范围内，控制顶驱转速采用钻进排量进行循环降温，待温度稳定降低至135℃或满足旋导工具要求时方能恢复钻进；步骤6、接立柱时晚停泵早开泵，以尽量减少停泵时间，接立柱后先开泵至钻进排量再转动顶驱，严禁在停泵时旋转钻具，当遇到维修冲管或者其它维护作业时，施工队伍应建立井下连续循环，持续降低井下温度；步骤7、再通过以下公式分别计算钻具组合(114)内的钻井液循环温度、环空内的钻井液循环温度以及入井钻井液温度；钻具组合(114)内温度控制方程如下：钻具组合(114)内钻井液传热模型：钻具组合(114)壁传热模型：环空内钻井液传热模型
地层、固井水泥环、套管传热模型式中，q
p
为钻具组合(114)内摩阻产生的热量，w/m；ρ为钻具组合(114)内钻井液密度，kg/m3；q为钻井液的体积流量，m3/s；c
p
为钻井液比热容，j/(kg
·
℃)；t
p
为钻具组合(114)内钻井液温度，℃；t
w
为钻具组合(114)壁温，℃；t
a
为环空内钻井液温度，℃；t
f
为近井壁地层温度，℃；t为地层、固井水泥环、套管温度，℃；z为深度，m；r
p
为钻具组合(114)内半径，m；r
a
为钻具组合(114)外半径，m；r
o
为井眼(116)半径，m；r为距井眼116中心的径向距离，m；h
p
为钻具组合(114)内壁面的对流换热系数，w/(m2·
℃)；h
a
为井眼(116)环空内对流换热系数，w/(m2·
℃)；t为时间，s；步骤8、再根据上述得到钻具组合(114)内的钻井液循环温度、井眼(116)环空内的钻井液循环温度后对钻井液密度、钻井参数中的钻具组合(114)转速、泥浆泵(110)排量、钻具组合(114)进行优化得到后续钻井液井底循环温度，返出钻井喇叭口(101)的钻井液继续参与下一阶段的循环降温。4.根据权利要求3所述的高温页岩气长水平井钻井控温方法，其特征在于，步骤3中，泥浆泵(110)采用钻进排量进行循环。
技术总结
本发明公开了一种高温页岩气长水平井钻井控温系统及方法，属于钻井工程技术领域，该系统包括钻具组合、地面降温装置、顶驱及泥浆泵、固控设备等。所述钻具组合包括旋转导向工具、螺杆马达、钻杆。同时，本发明还公开了一种高温页岩气长水平井钻井控温方法。本发明采用理论分析和结合现场试验数据拟合等方法模拟钻井液井底循环温度，通过调整钻井液密度、泥浆泵排量、钻具组合、钻具组合的转数等来模拟和观测不同参数对钻井液井底循环温度的情况，为深层高温钻井现场施工参数优化提供参考依据。据。据。
技术研发人员：冯明 杨恒林 王元 付利 郭凯杰 陈刚
受保护的技术使用者：中国石油集团工程技术研究院有限公司
技术研发日：2022.01.07
技术公布日：2022/7/1
声明：
“高温页岩气长水平井钻井控温系统及方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国石油集团工程技术研究院有限公司
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2024年07月25日 ~ 27日 
