面向超高温井热管理的井壁保温参数多目标优化

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Multi-objective optimization of wellbore-wall insulation parameters for thermal management in ultra-high-temperature wells

　　

摘要

超高温井井筒温度失控是制约非常规能源资源安全高效开发的关键工程瓶颈之一。作为一种新颖的井筒控温技术，隔热泥饼（IMC）的工程参数优化仍缺乏系统的理论支撑。本研究建立了耦合钻采条件下的超高温井瞬态温度场模型。由于目前尚无法直接获取IMC隔热效果的现场或实验验证数据，本文首先验证了常规井筒温度模型，随后通过将IMC表示为等效环形热阻层进行扩展。通过将高斯过程回归（GPR）代理模型与非支配排序遗传算法II（NSGA-II）相结合，对IMC的导热系数（kIMC）和覆盖井段长度（LIMC）进行了热-经济协同优化。基于模型的结果表明，井壁隔热可显著抑制井筒与地层之间的热传递，在钻采条件下，热平衡时间分别延长至原条件的约六倍和五倍。在钻井条件下，井底温度（BHT）主要受LIMC控制；在生产条件下，油管出口温度（TOT）对kIMC表现出显著放大的高敏感性。BHT和TOT对kIMC均表现出明显的非线性响应。在本文的等效层建模框架内，兼顾隔热性能与工程成本时，推荐的kIMC范围为0.1–0.5 W/(m·°C)。多目标优化所得的Pareto前沿定量揭示了降低BHT、提升TOT与成本增加之间不可避免的权衡关系，为超高温井井壁隔热参数的工程选择提供了基于模型的决策参考。

引言

随着非常规油气勘探不断向超深及超高温地层推进[1]，以及地热能在全球能源转型中的战略重要性日益凸显[[2], [3], [4]]，井筒的极端高温环境已成为制约深部能源资源安全高效开发的关键工程与物理瓶颈之一[5]。在超深井和地热井的钻井过程中，井底温度（BHT），乃至整个井段范围内的井筒环境温度长期维持在高水平[6]。这不仅显著劣化钻井液的流变性和滤失性能[7,8]，而且大大缩短测井随钻（MWD）等温敏井下工具的使用寿命[9,10]。在严重情况下，甚至可能引发井喷、卡钻等复杂事故[11]。在生产阶段，井筒高温高压环境与强烈径向散热的耦合效应，使得产出流体在地面的油管出口温度（TOT）难以同时满足防蜡[12]、防冻凝及地面处理[13,14]等多重约束。这一点在高倾点、高含蜡储层中尤为关键，油管结蜡、流动阻力急剧增加甚至停产等问题容易发生[15]。因此，在钻采全生命周期内实现稳定、可控且经济可行的井筒热管理，已成为超深井和地热井的核心科学与工程挑战之一[16,17]。

针对井筒热管理，已有多种控温与隔热技术被提出，通常可归纳为三类：(i) 基于井筒工作液系统的控温方法（耐高温钻井液[[18], [19], [20]]、相变蓄热材料[[21], [22], [23], [24], [25]]）；(ii) 基于井筒结构的隔热方法（隔热水泥[[26], [27], [28]]、隔热钻杆（IDP）[29,30]、真空隔热油管[31,32]）；(iii) 主动控温设备（地面钻井液冷却设备[33,34]、井下仪器腔室主动控温工具[35,36]）。尽管这些技术在降低井筒温度方面均显示出有效性，但其热控机制与部署策略难以在整个井生命周期内协同配合。相比之下，将低导热材料（如空心玻璃微珠）掺入钻井液以在井壁上形成隔热泥饼（IMC）[[37], [38], [39]]，从而在井筒-地层界面建立连续稳定的径向隔热层，该隔热层天然地贯穿钻井和生产阶段[40]，为一种工程实施相对简单且与现有作业系统兼容度较高的新颖井筒控温策略。

近年来，人们已就井壁隔热材料的热学及力学性能开展了探索性研究[[41], [42], [43], [44], [45], [46]]，包括不同隔热材料下的井筒热行为分析[38]、新型泡沫玻璃微珠填充隔热水泥体系[39]、增强隔热水泥力学性能的方法[47]，以及用于井壁泥饼隔热的新复合隔热材料开发[48]。这些研究均证明了IMC在削弱井筒与地层间热传递方面的工程可行性。然而，常规井筒传热模型无法捕捉动态循环条件下IMC形成所导致的演化热阻和非稳态隔热效应。因此，对重构后的井筒地层温度场仍缺乏系统的物理表征和定量评价。

井筒是一种典型的轴对称结构。在超高温条件下，其热行为不仅取决于瞬时温度水平，还取决于温度场的瞬态演化特征以及相关的热响应时间[49]。20世纪30年代，Schlumberger等人[50]在井筒流体温度测试研究中强调了流体温度预测的必要性。Edwardson等人[51]、Ramey[52]和Raymond[53]于20世纪60年代建立了井筒传热的基础理论，此后，随着新型钻采技术的不断推进和工况复杂性的不断增加，井筒温度场模型经历了多个阶段的发展与扩展。随后，Kabir等人[54]通过考虑多相流、瞬态/稳态条件及多种作业场景，对这些基础井筒温度场模型进行了优化。随着钻井条件的日趋复杂和钻井方式的多样化，学者们针对各种钻井过程开发了稳态和瞬态温度预测模型，包括水平井钻井[55,56]、深水钻井[57,58]、深部页岩气水平井钻井[59]、深部页岩欠平衡钻井[60]、连续油管钻井[61]以及高温高压井[62,63]。近年来，为响应超高温井的控温需求，Xiao等[[64], [65], [66]]和Zhang等[67,68]将隔热钻杆（IDP）和相变材料（PCM）等新兴控温技术纳入瞬态井筒传热模型的分析框架，揭示了相关参数对井筒温度响应的影响特征。尽管取得这些进展，但大多数经典井筒传热模型是针对常规钻井或生产场景开发的，未考虑井壁附加界面热阻。此外，钻井与生产过程在流动状态、主导传热机制和边界条件方面存在根本性差异。因此，这些模型本质上无法捕捉由井壁上形成的低导热泥饼层所引起的演化径向传热行为，特别是在瞬态耦合钻采条件下。

井筒热力学分析的主要目的是为工程应用提供定量指导。然而，超高温井的温度场受多参数强耦合支配，呈现出高度非线性行为并带来巨大的计算成本。这种复杂性使得难以直接使用全尺度数值模型在高维参数空间中执行多目标热-经济优化[[69], [70], [71]]。近年来，数据驱动的代理模型与多目标优化算法相结合，已成为缓解这一计算负担的有效工具[[72], [73], [74], [75], [76], [77]]。已有若干研究尝试将NSGA-II等多目标遗传算法与井筒热力学模型耦合，以设计钻井冷却方案或优化隔热相关参数[[78], [79], [80]]。然而，在引入井壁隔热后，重构后的温度场可能表现出对隔热参数多峰、多尺度且强烈非单调的响应特征。在此类条件下，常规代理建模框架通常缺乏显式的物理约束，往往面临预测精度有限[81,82]、泛化能力较弱[83,84]以及多目标协同优化鲁棒性降低[85,86]等问题。因此，现有方法仍不足以针对新兴的隔热泥饼（IMC）控温技术提供可靠且可量化的工程设计指导。图1概述了超深井极端热环境、相关工程挑战、代表性井筒热控技术以及本研究解决的建模知识空白。

基于以上考虑，本研究针对超高温井钻采期间井筒热管理需求，系统开展了IMC参数优化研究。首先，通过充分考虑井壁隔热对井筒与地层传热过程的影响，建立了耦合钻采条件下超高温井的瞬态温度场模型。系统阐明了kIMC和LIMC对关键井筒温度参数以及整个井段温度场演化的调控机理。此外，构建了高斯过程回归（GPR）代理模型并与NSGA-II耦合，在强非线性和多参数耦合条件下实现TOT、BHT与工程成本的三目标高效优化，得出一组Pareto最优解。从热力学机理与工程经济双重视角，本研究定量揭示了井壁隔热条件下降低BHT、提升TOT与控制COST之间不可避免的权衡关系。研究结果为超高温井井壁隔热参数的多目标优化设计与工程选择提供了可量化的理论依据，并为后续构建协同多技术井筒热管理系统（例如井壁隔热—相变吸热—钻具隔热）奠定了方法论基础。

本文组织结构如下。第2节建立耦合钻采条件下超高温井的温度场模型。第3节介绍数值求解策略并验证所提模型的基线精度。第4节研究关键井筒温度参数对kIMC和LIMC的敏感性。第5节将GPR代理模型与NSGA-II算法耦合，对隔热参数进行热-经济多目标优化。第6节讨论所提方法的物理机理、工程意义与局限性。第7节总结全文结论。

章节摘要

超高温井温度场建模

本节建立了耦合钻采条件下超高温井的统一瞬态温度场模型，明确考虑了以IMC形式存在的井壁隔热。该建模框架旨在捕捉IMC形成所引起的径向传热阻力重构，以及其与不同作业阶段轴向能量输运之间的相互作用。为此，井筒地层系统被划分为若干……

模型计算方法与验证

本节给出了所提井筒温度场模型的数值求解策略和基线验证。目标是在将建模框架扩展至涉及井壁隔热的场景之前，确保所建立的建模框架能够可靠地复现常规井筒热行为。首先介绍时空离散化方案、求解流程以及收敛策略，以说明耦合多区域能量方程是如何……

敏感性分析

基于扩展了等效IMC热阻层的基线验证温度场模型，本节研究了关键井筒温度参数对隔热泥饼导热系数和覆盖长度的敏感性。通过分析钻井和生产条件下的温度响应，识别出主导控制因素和非线性响应特征，为参数选择提供了定量指导。

井壁隔热参数的多目标优化

为在钻井安全、生产热性能与工程成本之间实现平衡权衡，本节提出了井壁隔热参数的热-经济多目标优化问题。构建了高斯过程回归代理模型以高效逼近非线性温度响应，并采用NSGA-II算法获取Pareto最优解集。所获得的Pareto前沿的结构及其物理含义……

讨论与局限性

本节综合了主要数值结果并阐明其物理意义、工程意义及适用范围。

第6.1节通过将IMC热导率和IMC覆盖长度与径向热阻、轴向传热及工程决策的对比效应相关联，解释了敏感性分析和Pareto优化结果。第6.2节则讨论了当前建模和优化框架的主要局限性。

## 结论

本研究建立了钻采耦合条件下超高温井的统一瞬态温度场模型，并将隔热泥饼（IMC）表征为等效界面热阻层加以扩展。通过将高斯过程回归（GPR）代理模型与NSGA-II算法相结合，对IMC参数进行了热力-经济多目标优化。主要结论如下。

基于模型的模拟

## CRediT作者贡献声明

**张恒瑞**：撰写——初稿、方法论、调查研究、形式化分析。**苏银奥**：方法论、调查研究、资源提供。**廖茂林**：验证、方法论、监督指导。**Vahid Vaziri**：项目管理、资源提供。**朱志强**：数据管理。**吴宏宇**：撰写——审阅与编辑。**刘科**：概念化设计。**Marian Wiercigroch**：撰写——审阅与编辑、监督指导。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

## 数据可用性声明

作者无权共享数据。

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