固井注水泥过程的动态描述研究

2009-12-04黄志强长江大学石油工程学院湖北荆州434023湖北省油气钻采工程重点实验室长江大学湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2009年4期

关键词：环空泵入固井

黄志强长江大学石油工程学院，湖北荆州 434023 湖北省油气钻采工程重点实验室(长江大学),湖北荆州 434023

黎成 (中石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安 716000)

固井注水泥过程的动态描述研究

黄志强长江大学石油工程学院，湖北荆州 434023 湖北省油气钻采工程重点实验室(长江大学),湖北荆州 434023

黎成 (中石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安 716000)

注水泥施工参数的合理与否直接关系到固井质量的好坏，应用一定的计算模式描述注水泥动态施工参数并进行模拟，具有重要的现实意义。通过对注水泥动态过程的综合分析研究，从注水泥基本理论出发，建立了描述这一过程中任一时刻各动态参数的计算模式，并在此基础上开发了注水泥过程动态模拟软件。经过江汉油田几口井的实例验证，模拟结果与实测结果相符程度较高，满足了工程要求。

注水泥；动态过程；计算模式；仿真模拟

注替过程是固井施工的关键环节，该过程涉及的流体有多种，通常为钻井液、前置液、水泥浆、后置液及顶替液等，有时还可能用几种前置液和后置液。由于各种流体的密度及所属流型可能不同，即使在相同的井身条件及流量下，各流体的流态、静液柱压力及循环压耗也不完全相同，而井身条件在不同井深也不尽相同，在整个注替施工过程中泵入的流量也可能改变。因此，在注替施工过程中的任一时刻，固井流体的流动特性都在变化，注水泥施工动态参数也随之变化[1，2]。

国外许多大公司，如Hallibaton、DS、Western等，都建立有自己的注水泥仿真模拟系统，使得他们的注水泥作业能在科学、规范的技术指导下完成，以获得良好的质量保证；国内近年来也越来越重视注水泥仿真系统的研究与开发，并取得了一定的成果，但还没有完全使用施工设计与施工仿真模拟系统，从而使得整个注水泥施工过程控制带有很大的盲目性，在很大程度上影响了注水泥顶替质量的提高[3]。基于国内外技术现状，笔者从注水泥基本理论出发，建立了注水泥过程各动态参数的计算模式，并开发了一套注水泥过程动态模拟软件。

①为套管内分段段长LCi(m)；②为环空分段段长LAi(m)；③为环空外径DAi(cm)；④为环空内径DIi(cm)；⑤为套管内径DCi(cm)；⑥为套管；⑦为井壁。图1 套管内及环空分段示意图

1 注水泥过程各动态参数的计算模式

1.1注水泥过程动态描述的基本假设

注水泥施工过程中用到9种流体[1]，分别是钻井液、前置液(3种)、水泥浆(2种)、后置液(2种)、顶替液。假设这9种流体的设计用量分别是VFi(i=1，2，…，9)，对于没有用到的流体，其设计用量为0；根据顶替管柱和待固套管的内径不同可将管内划分为Nc段，各段的内径为DCi(cm)，长度为LCi(m)(i=1,2,…Nc)；将上层套管内径和裸眼井径称为环空外径，待固套管外径和顶替管柱外径称为环空内径，根据不同环空外径和环空内径对应的段长将环空划分为Na段，分段后各段的环空外径为DAi(cm),环空内径为DIi(cm),各段的长度分别为LAi(m)(i=1,2,…,Na)。套管内及环空分段如图1所示。

由上到下第i段管内容积UCi和套管内的总容积UCC分别为：

由上到下第i段环空的容积UAi和环空总容积UA分别为：

1.2注替后任一时刻Tx泵入井内流体序号m的确定

设Tx时刻泵入排量为QVm(m3/s)，则从注替开始到Tx时刻，泵入井内的流体体积VPI(m3)为：

(1)

由式(1)可确定Tx时刻泵入井内的流体总量，泵入流体的序号m由：

确定。式中，VTm-1、VTm分别是前m-1、m种固井流体的设计用量总和；VFi为各种固井流体的体积。

1.3Tx时刻井内流体种类和体积的计算

设Tx时刻套管内固井流体实际充填容积为UCR，则在自由下落期间:

UCR=UCC-VHE(VHE为井口不连续段的体积)

在自由下落开始前和自由下落结束后，UCR=UCC。

1)Tx时刻套管内固井流体种类数及体积的判定设Tx时刻正在泵入井内的固井流体顺序号为N，如果VPI≤UCR，则所有泵入的固井流体均在套管内，其类型代号为N，N-1，…，2，套管内泵入的各种固井流体的体积分别为VF2，VF3，…，VFN-1，VFM(VFM为正在泵入的固井流体已泵入的体积，VFM=VPI-VTN-1)。

如果在Tx时刻，VPIgt;UCR，则已泵入的固井流体已返出套管鞋进入环空或返到地面。此时，套管内固井流体的类型为N，N-1，…，Ne，且Ne流体在套管内的量为：

VMC=VFNe-[(VTNe+1+VFM)-UCR]

返到环空中的量为：

式中，Ub为口袋容积，m3。

返出地面的量为：

1.4Tx时刻井内固井流体液柱长度及位置的确定

1)第i种流体在第j段套管内的液柱长度LCi,j的计算首先确定井口不连续段所对应的套管段数及长度HVE，即如果LTj≥HVE，求出在相应的套管段第j段除去HVE后剩余的长度LD和相应的容积VLD：

式中，LD为第j段套管内除去真空段后的长度，m；LTj为前j段管柱的长度之和。

2)第i种流体在第j段环空内的液柱长度LAi,j的计算LAi,j的计算过程同LCi,j。

4)Tx时刻第i种流体液面位置的确定已知Tx时刻井口不连续段的长度HVE，正在注入的流体种数是第N种，则第N种流体的上界面是HVE，下界面是HVE+TLCN，第N-1种流体的上界面是第N种流体的下界面。同样，环空内各流体的液面位置即可求解。在定向井中，求出了各固井流体在套管及环空内的液面位置，可以根据测井数据求出各流体的垂直长度，进而求得各种流体的静液柱压力。

2 仿真模拟软件的开发

以上述理论研究为基础，考虑以下模拟条件：

1)井眼环空由若干段(任意段)组成，各段的井径、井斜可不同；

2)管内部分由若干段组成，各段的内径、井斜可不同；

3)考虑套管在环空处于一定的偏心状态；

4)考虑井眼内同时注入多种液体，各液体的流型及流变性能可不同；

5)考虑“U型管效应”现象的出现与影响；

6)考虑局部流动阻力作用；

7)考虑注替排量的变化以及停泵等复杂施工条件的影响。

在Microsoft Windows的环境下，基于SQL Server2000数据库，用Visual Basic 6.0可视化编程语言开发了注水泥过程动态模拟软件。该模拟软件是在取得待固井的地质资料、井身参数和设计数据后，对注水泥方案的实施过程进行模拟分析。用户通过可视化界面，可直观地观察注水泥过程中的地面参数(流量、压力等)和井下动态参数(液面位置、流速、流态、紊流接触时间、井内实际流量及真空段高度等)的变化情况，以及井底压力和薄弱地层处环空动压力。设计人员可根据模拟施工中出现的问题，对注水泥方案进行调整，直至选出最佳方案。

3 实例应用

光2平6井是江汉油田所属的一口水平井，该井完钻井深3600m，钻头直径215.9mm；油层套管外径139.7mm，水泥返高2220m；井内钻井液密度为1.26g/cm3；使用盐水作为前置液，用量为6.0m3；水泥浆密度为1.9g/cm3，设计用量为23.55m3；采用钻井液作为顶替液，替入量42.54m3。图2和图3为光2平6井部分参数模拟曲线。

图2 井口压力及流量随时间的变化曲线图3 流速及真空段高度随时间的变化曲线

由图2可以看出，施工时首先注入前置液，由于前置液密度小于钻井液密度，因此井口压力逐渐增大；3min后开始注水泥，由于水泥浆密度大于钻井液密度，使得井口压力开始减小，直至减小到0，此时，井内实际流量大于泵入排量，即在第10min开始受“U型管效应”影响，管内出现真空段(如图3)；随着注替施工的进行，第26min时注水泥施工结束，开始停泵下胶塞；第29min开始注入顶替液，由于顶替液的密度小于水泥浆密度，井内实际流量慢慢小于泵入排量，真空段长度开始减小，直至消失。模拟最终顶替泵压19.5MPa，与实际值18MPa相比，相对误差为8.33%，误差较小，完全满足工程需要。