井筒温度计算方法

常规井井筒温度场井筒内温度分布会影响钻井液性能、钻具应力、井壁稳定等，是钻井过程中需要考虑到重要因素。

常规井井筒中的微元能量平衡方程式为K i[T-(t o-m·l)]dl+(G f+G g)·g·dl-q·dl=-WdT式中,,K i为从油管中的流体至地层间单位管长的传热系数，W/（m·℃），当k为每平方米油管表面积的传热系数时，K i=kπd，W/（m·℃）；T为油管中油气混合物的温度,℃，t o为井底原始地层温度,℃，m为地温梯度,℃/m，通常m=0.03~0.035℃/m；l为从井底至井中某一深度的垂直距离；q为通过油管的石油析蜡时放出的熔解热,分摊于全井筒,作为内热源,对于含蜡很高的原油,内热源作用不应忽略,W/m，G f、G g分别为产出石油和伴生气通过油管的质量流率,kg/s；(G f+G g)g·dl为油气混合物的举升功,实际上可忽略不计；W=G f G f+G g G g为水当量，W/℃；G f、G g相应为石油和伴生气的比热,J/(kg·℃)。

1.2开式热流体正循环井筒温度场循环的热流体从油管进人井筒流向油井深处与产出原油混合,经油套环形空间返回地面。

开式热流体正循环的能量平衡方程组如下K11，k13分别为油管内外流体间、环形空间流体与地层间的传热系数,W/（m·℃）；W2为循环流体的水当量,W/℃；W为从油管引出流体的水当量,W/℃；T为循环热流体的温度,℃,θ为从油管产出的油气混合物其中包含了循环热流体的温度,℃。

1.3电加热井筒温度场的计算空心杆恒功率电加热的能量平衡方程组为Ki，kl1和kl3分别为产液与地层间、产液与油管管壁间和套管管壁与地层间的传热系数,W/（m·℃）。

2.传热模型求解2.1油管中流体至水泥环外壁的传热由传热系数和热阻定义，井筒内到水泥环外壁的总传热系数为3.计算实例4 现状目前油井的温度监测大部分依然采用红外测温仪、红外热成像仪等单点式温度传感测量仪，具体方法是在暂停油井生产的条件下将温度测量仪下入到油套环空的某一特定深度位置用来检测其温度。

另外一些基于其他原理的新型井下温度检测设备如超声波传感器、激光传感器等，也存在明显不适应油井测量的缺点：首先这些装置无一例外的只能测量油套环空的单点温度，无法实现空间分布式测温；其次在测量的同时油井需要暂停生产，在影响油田产量的同时，所获得的数据也无法真实反映油井在工作状态下的温度信息。

再次，依靠传统的温度检测方法仅仅获得某一时刻的温度数据，无法实现温度的实时监测和跟踪监测，进而无法了解热采井环空温度随时间的变化趋势。

高凝油含蜡量高，凝固点高，在沿井筒向上流动的过程中，当油流温度低于所含蜡的初始结晶温度时，蜡容易析出并聚集，使原油逐渐失去流动性，最终阻塞管线，严重影响开采效果。

为解决这一问题，根据传热学基本原理，建立了适合高凝油井的井筒温度场数学模型，通过实验得到了高凝油的黏温曲线，进而对潍北油田的高凝油井筒温度场及流态转变进行了研究，指出了解决该油田油井结蜡问题的途径，对实现高凝油的正常生产具有一定的指导意义。

法①姚传进Orkiszewski 的两相流动压力降的计算方法求解井筒中的压力分布。

假设条件为了简化复杂的井下情况，作如下假设：（1）油井以定产量生产；（2）井筒到水泥环外缘间的传热为一维稳态传热，水泥环外缘到地层间的传热为一维非稳态传热，且不考虑沿井深方向的传热；（3）忽略地层导热系数沿井深方向的变化；（4）井筒管柱材料、结构、尺寸、热物理性质均匀一致；（5）动液面以上环空介质均匀分布，并且热物理性质不随压力下降而变化；（6）地层原始温度为线性变化，地温梯度已知；（7）圆筒井壁。

物理模型如图1所示。

可以看出，井筒传热热阻包括：油管内壁对流换热热阻（Ro）、油管导热热阻（Rtub）、环空自然对流和辐射换热热阻（Rtc）、套管导热热阻（Rcas）、水泥环导热热阻（Rcem）和地层热阻（Re）。

根据圆筒壁传热原理，各传热热阻为步骤（1）给定井身结构及相关热物理性质参数；（2）选取合适的微元段，已知微元段下端的深度Hin、温度Tin、压力pin，假设计算段长度∆h，假设微元段上端的温度Toutl、压力poutl；（3）计算微元段的平均温度Tav和平均压力pav，并求得此时流体全部物性参数；（4）计算微元段的各个换热系数和环空当量导热系数；（5）计算油、套管的壁温，计算产液的水当量，计算微元段的上端温度Tout2；（6）计算微元段相应的流型界限，并确定流动型态；（7）按流型计算微元段流体的平均密度及摩擦梯度；（8）计算对应于∆h的压力降∆p从而得微元段的上端压力Tout2=pin −∆p；（9）如果Tout2 小于原油凝固点，差值计算油井结蜡深度，并输出计算结果；（10）如果| Tout1 −Tout2|< ɛ1、|pout1 −pout2|<ɛ2,则该微元段温度场计算完毕，进入下一微元段计算；否则，令Tout1=（Tin+Tout2）/2、pout1=（pin+pout2）/2转步骤③；如此继续下去，直到计算到井口为止。

现状在以往井筒温度场的研究中，有大批的研究人员对多孔介质传导问题作出了研究。

其中，Ramey和Willhite为井筒温度场研究做出了深入的铺垫性的研究。

Ramey提出了著名的Ramey公式。

公式结合了井筒内的传热现象和地层中的导热现象，公式中设定井筒中流体的温度为一个函数。

这个函数是由井筒深度和时间所决定的。

Ramey公式可以看作是研究井筒传热的基础，直到现在，这个公式还被广泛应用。

Willhite对Ramey公式中的井筒总传热系数问题作出了计算，总结出了井筒传热系数的计算公式。

由于研究传热问题比较困难，在建立了模型之后很难得到精确的解。

1968年，一些研究人员在对钻井液循环温度的研究中使用了数值方法。

1972年，研究员Keller在研究中，在只考虑钻井液在纵向方向上的热传导而忽略了在轴向方向上的热传导的前提下，建立了数学模型，并且通过使用有限差分的方法来计算结果。

1972年，E.J.Witterholt和M.P.Tixirer.给出了注水井中井筒和地层温度的计算公式，包括关井的情况.1973年M.R.Curtis和E.J.witterholt提出了一种利用温度测井确定生产井井筒中流速的方法。

1975年R.C.Smith和R.J.Steffensen.对各种不同情况的注水温度剖面进行了解释。

1978年，J.O.Herrera, B.F.Birdwell,E,J.Hanzilk.编制了计算井筒热损失的程序，结果表明在一定的条件下，热损失可高达22%。

1980年，Shiu和Beggs提出了求取Ramey公式中参数A的改进方法。

1982年，John Fagley,H.ScottFogler等人对关井前后井筒的热传递进行了数值模拟，提出关井前一段时间的热注是一种解释老井注入剖面的潜在的重要工具。

1988年，R. M. Beirute等在地层内存在径向和纵向传导的情况下，模拟了关井后的温度剖面。

1989年，Sagar将Ramey方法扩展应用于多相流，并考虑了动能影响和Joule-Thompson效应。

1990年，学者Pruess在解决井筒温度场的问题时，没有采用Ramey模型，通过他的计算，得出了结论，即：Ramey公式在长时间的情况下，比较准确；而不适用于时间短时间的情况，这样会产生较大的误差。

在90年代后，人们开展了大量的井筒温度场相关研究，Hasan和Kabir 预测了井筒内流体的温度，并分析了井筒内温度的分布规律。

1991 年，Hasan和Kabir在研究井筒两相流的问题中，通过Ramey传热模型，使用傅立叶导热定律对其进行进一步的描述。

在计算中，通过使用迭代法计算井筒和地层之间的传热问题。

1991年Grow在同样的边界条件下，对Durrant和Thambynayagam的模型进行了重新计算，得到了不同的解，Grow表明Durrant和Thambynayagam的解不能满足边界条件，但结果表明Grow的解对短筒极为有效。

1992年，在钻井作业过程中循环流体分布问题的研究中，根据Ramey模型，Hasan和Kabir把流体的温度设定为函数（与深度和时间相关），通过对数学方程组的计算来求解这个问题。

1994年，在不考虑径向方向上套管及地层热传导的情况下，Hasan和Kabir针对于修井过程中的循环流体作出了研究，建立了相关的数学模型，分别考虑了在正循环以及反循环这两种作业过程中循环流体的通解。

1994年，Frederic Maubeuge 等人提出了一个含多个生产层的温度场模型，这个新的温度场模型考虑了由于流体减压以及流体和多孔介质摩擦生热引起的温度变化，能够预测井眼和地层中的流速和温度。

1998年，J.Romero在海洋钻井井筒温度分布的研究中提出了新的方法，他提出了一个数值模拟的计算机程序，这个程序可以评价海洋钻井以及固井井筒的循环温度分布。

2004年，Jacques Hagoort修改了经典的Ramey公式，尤其是注入井和生产井的井筒温度计算的方法。

由于Ramey模型在初始瞬时所计算出的温度误差较大，Jacques Hagoort使用一个图形描述这个阶段的长度。

同时，他还对Ramey模型进行了验证，认为其中井筒的总传热系数只适合于傅里叶无因次时间数较大的情况。

国内对于井筒温度场的研究于上世纪90年代开始。

1987年，王鸿勋和李平，考虑了井筒中原有积液与井筒、水泥环及地层的热交换，提出了井筒不稳态传热数值计算方法与计算程序。

1994年，王弥康在研究稠油热采中的注蒸汽问题时，认为井筒的传热是稳态传热而地层的传热是非稳态传热，分别对这两部分建立了数学模型，并对数学模型进行了求解。

1996年，王弥康把水蒸气与稠油热采结合研究，建立井筒与地层动态温度场的模型。

1998年，朱德武等推出了凝析气井井筒温度分布计算公式，研究了温度计算基础数据求取方法，分析了产液量，产水量、井深及油管直径对井口温度的影响规律。

1999年毛伟和梁政在假设井筒中的传热为稳态传热，井筒周围地层的传热为非稳态传热的条件下，根据能量守恒定律建立了计算井筒温度分布的数学模型，利用半解析和解析的方法进行了计算。

1999年，在分析影响井筒温度分布的各种因素后，钟兵通过能量守恒原理，建立了静态和动态下井筒温度场的数学模型，对于模型的求解，他使用的是有限体积法。

同年，钟兵把钻井过程中井内流体流动和流体传导热量的问题作为一个耦合的问题做出了研究，建立了模型，并进行了求解。

2000年，李淑兰对稠油油井加热过程中井筒温度出现拐点现象进行了分析，分析认为对稠油油井进行热处理时，如热水洗井、井筒注热流体降粘等，井筒中往往存在拐点，但并不绝对，这与处理井况、热流体的流量、温度等有关。