CN114370267A - 一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地热资源勘查领域，具体公开了一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，包括：步骤1、收集钻探过程中的必要数据；步骤2、建立井底温度的计算模型；步骤3、建立井底热储温度的计算公式；步骤4、计算井底热储温度；步骤5、验证计算结果准确性。本发明方法所需资料少，能够实时计算高温地热田钻进过程中钻遇热储温度，在缺乏地球物理测井(测温)及其详细参数的情况下，通过对井口钻井液温度、流量、密度的测量，使现场施工人员可以迅速、及时了解钻遇热储层的温度，提前预防钻遇的高温热储，保障钻井施工安全；同时，也为地质技术人员部署后续钻井工作和随时调整钻井设计方案提供依据。

Description

一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法

技术领域

本发明属于地热资源勘查领域，具体涉及一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法。

背景技术

热储温度是评价地热资源最重要的指标参数。在地热钻探过程中，如何对钻遇热储的温度进行是判断地热勘查过程中一项重要的工作。尤其对于高温地热田，不但对于认识地热田的热储特征具有重要意义，对钻井施工安全及钻井后续工作的部署同样具有重要的意义。

现有技术中，主要通过地球物理测井(测温)和地球化学地热温标来判断热储温度。

地球物理测井(测温)主要是通过将测温设备下放到井底附近，对井筒内温度进行测量。按照地热勘查规范，测温前停钻时间不少于24h，严重漏失井段测温的停钻时间应适当延长。这种方式通常需要停止钻进、提钻杆，然后停钻24小时后在进行测温，所需时间较长，耗费大量人力、物力和财力。

地球化学温标是利用地下热水的化学组分或浓度比计算地下热储温度的方法。其建立的基础是地热流体与矿物在一定温度下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，这一平衡仍予保持。常用的地球化学温标有二氧化硅地热温标、钾镁地热温标和钾钠地热温标等。这种方法主要通过采集地热流体，利用化学分析方式，获取地热流体中不同元素或离子含量，进而反推热储温度。这种方式需要将采集的样品送到实验室进行分析，周期一般在一个月以上。且受到样品采集部位的限制，其分析结果与实际热储温度往往具有一定差距。

另外，前人建立了井筒内温度的半动态传热模型。也有其他学者开展了关于井筒环空地层动态数学模型及数值求解方法的研究。但是，这些方法求解过程复杂，尤其是在泥浆(钻井液)参数发生变化时，对于井筒内温度分布的计算较为繁琐，在施工现场的利用难度较大。

因此，现有技术中判断钻井过程中钻遇热储的温度，要么所需时间较长，耗费大量人力、物力和财力，难以达到对钻遇热储温度实时分析，保证施工安全及后续工作部署的目的；要么所需数据参数较多，难以实时获取，且计算过程复杂，现场技术及施工人员难以掌握；均无法对钻井过程中钻遇热储的温度进行实时判断。

因此，亟待开发一种实时计算高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，该方法所需资料少，能够实时计算高温地热田钻进过程中钻遇热储温度，在缺乏地球物理测井(测温)及其详细参数的情况下，通过对井口钻井液温度、流量、密度的测量，使现场施工人员可以迅速、及时了解钻遇热储层的温度，提前预防钻遇的高温热储，保障钻井施工安全；同时，也为地质技术人员部署后续钻井工作和随时调整钻井设计方案提供依据。

实现本发明目的的技术方案：

一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、收集钻探过程中的必要数据；

步骤2、建立井底温度的计算模型；

步骤3、建立井底热储温度的计算公式；

步骤4、计算井底热储温度；

步骤5、验证计算结果准确性。

所述步骤1中的必要数据包括：T_i、T_o、T_h、C_i、C_o、C_h、V_i、V_o、ρ_i、ρ_o、ρ_h、Q_o、Q_i、t，其中T_i、T_o、T_h分别代表进入井口的钻井液温度、流出井口的钻井液温度、钻遇热储层的热储温度；C_i、C_o、C_h进入井口的钻井液比热容、井口流出的钻井液比热容、钻遇热储层中的热流体比热容；V_i、V_o分别代表进入井口的钻井液流量、井口流出的钻井液流量；ρ_i、ρ_o、ρ_h分别代表进入井口的钻井液密度、井口流出的钻井液密度、钻遇热储层中热流体的密度；Q_o、Q_i分别代表单位时间内进入井口的钻井液所含热量、井口流出的钻井液所含热量，t为时间。

所述步骤2的井底温度的计算模型为：钻井液从井口进入钻杆中，沿钻杆向下运移，至井底后，从钻杆外围环空中再向上运移。

根据步骤2的井底温度的计算模型，钻遇热储层时溢出的地热流体所包含的热量为：单位时间内井口流出的钻井液所含的热量与单位时间内进入井口的钻井液所含的热量的差值△Q。

所述步骤3包括：

步骤3.1、初步建立井底热储温度的计算公式；

步骤3.2、建立井底热储温度的简化计算公式。

所述步骤3.1中初步建立的井底热储温度的计算公式为：

T_h＝{(T_o×V_o×C_o×ρ_o)-(T_i×V_i×C_i×ρ_i)}/{(V_o-V_i)C_h×ρ_h}。

所述步骤3.2中建立的井底热储温度的简化计算公式为：

T_h＝(T_o×V_o)-(T_i×V_i)}/(V_o-V_i)。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明提供的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法所需资料少。有效避免了现有技术中获得井底热储层的热储温度通常需要将测温设备下放到井底，对井筒内温度进行测量；或者通过放喷试验采集井底热储层的水样，进行地球化学分析，获取必要的计算数据；需耗费较多的人力、物力和财力的缺陷。

2、本发明提供的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法对热储层位置的判断具有实时性，对钻井施工安全及后续工作部署指导意义更大。有效避免了现有技术中井内测温、采用地球化学温标计算热储温度时所需要获得数据的时间较长，且都不具有实时观测的能力的缺陷。

附图说明

图1为本发明所提供的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法中地热钻井钻遇热储层后涌水模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，具体包括以下步骤：

步骤1、收集钻探过程中的必要数据

钻孔实施过程中，需要获取钻探过程中的必要的数据。这些数据主要包括T_i、T_o、T_h、C_i、C_o、C_h、V_i、V_o、ρ_i、ρ_o、ρ_h、Q_o、Q_i、t等。

T_i、T_o、T_h分别代表进入井口的钻井液温度、流出井口的钻井液温度、钻遇热储层的热储温度；C_i、C_o、C_h进入井口的钻井液比热容、井口流出的钻井液比热容、钻遇热储层中的热流体比热容；V_i、V_o分别代表进入井口的钻井液流量、井口流出的钻井液流量；ρ_i、ρ_o、ρ_h分别代表进入井口的钻井液密度、井口流出的钻井液密度、钻遇热储层中热流体的密度；Q_o、Q_i分别代表单位时间内进入井口的钻井液所含热量、井口流出的钻井液所含热量，t为时间。

步骤2、建立井底温度的计算模型

能量守恒定律是进行井底温度计算的理论基础。在能量守恒定律下，如何简化井底温度的计算模型是对井底温度计算的关键。

图1是钻进过程中钻井液循环与钻遇热储时热储层涌水的模型。钻井液从井口进入钻杆中，沿钻杆向下运移，至井底后，从钻杆外围环空中再向上运移。在这一过程中，如果钻遇热储层，则热储层中的高温地热流体也会进入环空中，与钻井液混合，并一同上升，从井口流出。在这一过程中，一方面，钻井液在环空中与周围地层接触，会产生温度传递与能量交换；另一方面，钻遇热储层中溢出的高温地热流体进入钻井液中，不但导致钻井液温度的升高，也会导致井口出口处钻井液流量的增加。

在建立模型的过程中，为方便计算，暂不考虑钻井液循环过程中与周围地层的热量交换。虽然会对最终计算结果产生影响，但根据西藏某高温地热田的实际情况，这种影响可以忽略。原因如下：一是由于井内环空空间较小，在流量较大情况下，钻井液很快就可以通过环空，地层与钻井液之间接触时间较短，交换的热量较小；二是由于钻遇热储后，钻井液与地热流体混合后的温度与地层温度差不大，热量交换有限；第三是由于对应高温基岩裂隙型热储，深部断裂体系复杂，难以建立精确的数学模型来对地层温度进行描述。

因此，在采用上述计算模型时，仅考虑单位时间内井口流出的钻井液所含的热量与单位时间内进入井口的钻井液所含的热量，两者的差值△Q即为钻遇热储层时溢出的地热流体所包含的热量。

步骤3、建立井底热储温度的计算公式

步骤3.1、初步建立井底热储温度的计算公式

每分钟进入井口的钻井液的热量Qi＝1×T_i×V_i×C_i×ρ_i×t

每分钟流出井口的钻井液的热量Q_o＝1×T_o×V_o×C_o×ρ_o×t

每分钟钻井内涌出的地热流体所含的热量△Q＝Q_o-Q_i

井内钻遇热储温度的计算公式为T_h＝△Q/{(V_o-V_i)C_h×ρ_h×t}

T_h＝{(T_o×V_o×C_o×ρ_o×t)-(T_i×V_i×C_i×ρ_i×t)}/{(V_o-V_i)C_h

×ρ_h×t}＝{(T_o×V_o×C_o×ρ_o)-(T_i×V_i×C_i×ρ_i)}/{(V_o-V_i)C_h×ρ_h}

步骤3.2、建立井底热储温度的简化计算公式

比热容：在钻井液为水的情况下，虽然不同温度下水的比热容有所差异，但是从10℃到70℃，水的比热容相差仅0.5％，也就是说，采用同一比热容的情况下，对计算结果影响不大。因此，为简化计算，C_o、C_i和C_h统一用C_i代替。

密度：同样，在钻井液为水的情况下，不同温度下水的密度也是有所差异的。但是，从10℃到70℃，水的密度相差约2％。因此，为简化计算，钻井液的密度ρ_o、ρ_i和ρ_h统一用ρ_i代替。

这样，上述公式可以简化为T_h＝(T_o×V_o)-(T_i×V_i)}/(V_o-V_i)。

步骤4、计算井底热储温度

以西藏某高温地热田为例，钻井过程中，采用清水钻进。在钻进到某一深度时，井口温度出现明显升高现象，井口流量快速增加，表明可能钻遇了温度较高的热储层。此时井口入口处钻井液温度为34.5℃，流量为1.81立方米/分钟；井口出口处钻井液温度为65.1℃，流量为2.62立方米/分钟。将上述数据代入计算公式，可得钻遇热储层的温度为133.5℃。

步骤5、验证计算结果准确性

建立了上述计算公式后，需要结合事情情况对公式的准确性进行岩石。在完成阶段性钻进之后，按照地热勘查规范，停止钻进24小时后，对该地热钻井进行了温度测量，获得该深度处井温为139.9℃。测温结果与计算结果相差6.4℃。表明计算结果与实际情况相差不大，在可接受范围内。

由此可见，本方法在参数较少的情况下，是可以对钻进过程中钻遇热储温度进行估算的，且误差不大，在可接受范围内。

本发明的技术原理为：能量守恒定律。一般情况下，钻进过程中，井口的钻井液出口温度要高于井口钻井液入口温度。在井深度不大的前提下，他们之间的温度差异一般不大。井口出口钻井液所含的热量高于入口钻井液的热量，这些热量差值主要是钻井液循环过程中从井下通过热传导获得。对于高温地热钻井，如果深部钻遇高温地热流体，地热流体对井口钻井液温度的升高占主要贡献。通过对井口入口处和出口处钻井液温度、密度、流量的简易测量，可以反推深部钻遇热储层的温度。

上述发明使用具有以下前提条件：

(1)在井深相对较浅，钻孔直径不大，且钻井液流速较快(泵量较大)的条件下是可行的。当井深较深、钻孔直径、钻井液流速较慢时，会导致钻井液在井内停留时间过程，这时钻井液与地层之间的热量发生较大的交换，此时，与本方法提出的计算模型不符，再使用该公式，会导致计算结果误差较大。

(2)本方法在进行公式简化时，主要针对钻井液为清水的情况进行的。如果钻井液为高密度泥浆，那么在使用该公式时，不能进行简化。同时，要对入口泥浆和出口泥浆的密度进行实时监测。

本发明所需资料较少，能够利用钻进过程中所获得的少量数据，对钻遇热储层的温度进行实时计算，使现场施工和技术人员能快速了解并掌握钻遇热储温度情况，积极采取合理应对措施，起到保证施工安全、提高后续工作效率的效果。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、收集钻探过程中的必要数据；

步骤2、建立井底温度的计算模型；

步骤3、建立井底热储温度的计算公式；

步骤4、计算井底热储温度；

步骤5、验证计算结果准确性。

2.根据权利要求1所述的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，所述步骤1中的必要数据包括：T_i、T_o、T_h、C_i、C_o、C_h、V_i、V_o、ρ_i、ρ_o、ρ_h、Q_o、Q_i、t，其中T_i、T_o、T_h分别代表进入井口的钻井液温度、流出井口的钻井液温度、钻遇热储层的热储温度；C_i、C_o、C_h进入井口的钻井液比热容、井口流出的钻井液比热容、钻遇热储层中的热流体比热容；V_i、V_o分别代表进入井口的钻井液流量、井口流出的钻井液流量；ρ_i、ρ_o、ρ_h分别代表进入井口的钻井液密度、井口流出的钻井液密度、钻遇热储层中热流体的密度；Q_o、Q_i分别代表单位时间内进入井口的钻井液所含热量、井口流出的钻井液所含热量，t为时间。

3.根据权利要求1所述的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，所述步骤2的井底温度的计算模型为：钻井液从井口进入钻杆中，沿钻杆向下运移，至井底后，从钻杆外围环空中再向上运移。

4.根据权利要求3所述的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，根据步骤2的井底温度的计算模型，钻遇热储层时溢出的地热流体所包含的热量为：单位时间内井口流出的钻井液所含的热量与单位时间内进入井口的钻井液所含的热量的差值△Q。

5.根据权利要求1所述的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1、初步建立井底热储温度的计算公式；

步骤3.2、建立井底热储温度的简化计算公式。

6.根据权利要求5所述的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，所述步骤3.1中初步建立的井底热储温度的计算公式为：

T_h＝{(T_o×V_o×C_o×ρ_o)-(T_i×V_i×C_i×ρ_i)}/{(V_o-V_i)C_h×ρ_h}。

7.根据权利要求6所述的一种高温地热田钻进过程中钻遇热储温度的实时计算方法，其特征在于，所述步骤3.2中建立的井底热储温度的简化计算公式为：

T_h＝(T_o×V_o)-(T_i×V_i)}/(V_o-V_i)。

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