固井施工设计模拟与监控软件的开发

2014-06-27黄浩李阳发孙诗杰西南石油大学石油工程学院四川成都610000

长江大学学报(自科版) 2014年25期

关键词：功能模块固井井眼

黄浩,李阳发,孙诗杰 (西南石油大学石油工程学院,四川成都 610000)

马睿思,郑双进 (长江大学石油工程学院,湖北武汉 430100)

固井施工设计模拟与监控软件的开发

黄浩,李阳发,孙诗杰 (西南石油大学石油工程学院,四川成都 610000)

马睿思,郑双进 (长江大学石油工程学院,湖北武汉 430100)

随着石油天然气勘探开发工作的不断深入,固井地质条件与施工工况日益复杂,对于保障和提高固井质量提出了更高要求。在系统总结固井技术成果的基础上,针对固井设计、模拟、监控及分析技术开展系统深入的研究,开发了一套集固井设计、固井模拟、固井监控及事后分析评价等功能于一体的固井施工设计模拟与监控软件。介绍了软件的总体架构,阐述了固井工程数据管理、固井设计、固井模拟、固井监控及分析评价功能模块的功能特点。该软件的开发有助于提高固井施工设计与分析的科学性和便捷性,并对固井施工过程进行实时监控和分析评价,有助于保障和提高复杂井固井质量。

固井工程数据管理;固井设计;固井模拟;固井监控;分析评价

近年来,随着我国石油天然气勘探开发规模的不断扩大,特殊工艺井和复杂井越来越多,固井地质条件越来越复杂,对于保障固井质量提出了更高要求。由于固井工程技术的迅速发展,固井设计、模拟和分析相关理论也在不断更新。因此,为了满足特殊工艺井和复杂井固井施工需要,结合最新理论方法开发一套固井施工设计模拟与监控软件,实现了固井施工设计与模拟、固井施工实时监控、固井施工分析评价等功能,以切实满足固井现场施工需要,保障和提高固井质量,并促进固井信息化建设。

1 软件总体架构

为了满足油田现场对固井软件的功能需求,该软件总体包括固井施工数据管理、固井施工设计、固井施工模拟、固井施工监控、固井施工分析5大功能模块,软件总体架构如图1所示。

2 软件功能模块

2.1 固井施工数据管理功能模块

图1 固井施工设计模拟与监控软件总体架构图

固井施工数据管理模块建设有种类齐全、类型丰富的数据库,主要针对固井材料数据、固井设计数据、固井模拟数据、固井监控数据、固井分析数据进行数字化管理,为设计、模拟、监控和分析功能提供强大的数据支撑,提高数据管理的便捷性[1]。固井施工数据库结构图如图2所示。

图2 固井施工数据库结构图

2.2 固井施工设计功能模块

2.2.1 套管柱设计模块

套管柱设计模块包括套管柱强度设计子模块、套管柱强度校核子模块、套管柱居中设计子模块、套管柱居中校核子模块。

1)套管柱强度设计子模块该模块主要根据设计井的地质条件和施工工况,计算套管有效外载,并优选套管柱组合和设计各段套管的下入深度,绘制有效外载和套管强度的对比曲线。该模块考虑了定向井套管弯曲应力、套管摩阻、盐膏层外挤压力,井下高温高压等多因素的影响,适用井况广泛。

2)套管柱强度校核子模块该模块基于井下地质条件与施工工况,计算套管有效外载,并与给定套管柱组合的强度进行比较,分析判别套管是否安全,并绘制有效外载和套管强度的对比曲线。

3)套管柱居中设计子模块套管居中程度是影响固井质量的一个重要因素。该模块在对扶正器力学特性分析的基础上,综合考虑井斜、井径、套管等因素的影响,优化设计扶正器的安放位置,以保证套管居中度满足提高固井质量的需要,并绘制套管居中度曲线。

4)套管柱居中校核子模块该模块可根据实际井况,计算给定套管扶正器安放位置情况下的套管居中度,分析判别能否满足固井施工需要,为用户提供技术参考。

2.2.2 注水泥设计模块

注水泥设计模块主要包括环空浆柱结构设计、替浆流体用量计算和注水泥流变学设计子模块。

1)环空浆柱结构设计子模块该模块根据实际电测井径逐段积分精确计算固井流体用量,并通过计算失重前和失重后的环空压力情况,判别环空浆柱结构设计的合理性,便于指导用户优化环空浆柱结构设计。

2)替浆流体用量计算子模块该模块可自动计算顶替管柱内容积,并根据注水泥施工工艺智能默认替浆流体分类及用量,大大减小了用户的录入工作量。

3)注水泥流变学设计子模块该模块可计算多种流变模式下的固井流体流变参数,并优化设计注水泥施工替浆排量,计算最终顶替泵压,分析判别环空压力的安全性。

2.3 固井施工模拟功能模块

该模块包括三维实际井眼模拟、下套管可行性模拟、下套管大钩载荷模拟、下套管环空压力模拟、注水泥过程动态模拟和固井顶替效率模拟功能模块。

2.3.1 三维实际井眼模拟模块

该模块可根据实际井眼的测斜及方位数据模拟三维实际井眼,并支持拖动、翻转查看等操作,便于用户直观了解实际井眼形状,模拟界面如图3所示。

2.3.2 下套管可行性模拟模块

该模块可通过分析单扶组合、双扶组合、三扶组合及多扶组合钻具的刚性,推荐设计一套能够真实模拟套管柱刚性的通井钻具组合,以模拟套管能否顺利下入。

2.3.3 下套管大钩载荷模拟模块

在水平井及大位移井固井下套管作业过程中,由于多因素的影响,容易出现下套管遇阻遇卡现象,该模块可通过计算模拟下套管过程中的大钩载荷及摩阻变化情况,分析套管的下入能力[2]。

2.3.4 下套管环空压力模拟模块

该模块可准确计算不同下套管速度下的波动压力及总压力,并绘制压力随套管下入速度的变化曲线,判别井筒压力是否安全,为确定合理的下套管速度提供参考。

2.3.5 注水泥过程动态模拟模块

在注水泥施工过程中,由于注入流体类型较多,施工工序复杂,还容易产生“U”型管效应,因此井内压力和流量在不断变化,开发该模块对注水泥过程进行动态模拟十分必要。该模块考虑了井斜、井径、温度、流体性能等因素的影响,可对注水泥施工过程中的井口压力、井底压力、井内流量、真空段长度、环空流体返速以及注水泥动态过程进行模拟[3],便于用户直观掌握注水泥施工过程中的井下流动状况和井筒压力流量变化规律,分析判别注水泥施工设计的合理性,为注水泥施工提供技术指导,模拟界面如图4所示。

图3 三维实际井眼模拟界面

图4 注水泥过程动态模拟界面

2.3.6 固井顶替效率模拟模块

固井顶替效率是反映固井质量的一个重要指标,施工之前对固井顶替效率进行预测与模拟,有助于指导用户调整和优化固井施工方案。笔者综合考虑了井眼质量、套管居中情况、泥浆性能、固井流体以及注水泥施工参数等因素的影响,结合驱替力理论开发了该模块。该模块可预测水泥封固段的顶替效率,并可绘制顶替效率随井深变化曲线、顶替效率纵向剖面云图,以及任一横向剖面的顶替效率云图,用户可以直观查看任一深度横向剖面的套管居中情况和泥浆顶替情况,为优化固井施工方案提供指导,模拟界面如图5所示。

图5 固井顶替效率模拟界面

2.4 固井施工监控模块

固井施工作业程序复杂,注入流体种类较多,但目前仍然多依靠经验进行施工,难以有效保障复杂井的固井质量。因此,开发固井施工实时监控模块对固井施工进行全程监测和控制显得十分迫切,有助于用户全面了解井下压力、流量等施工情况,遇井下复杂情况时便于用户及时科学决策,以有效减少井下复杂情况,充分保障固井质量。

笔者结合我国固井水泥车硬件采集装置的特点,开发了固井施工监控模块。该模块可以对注水泥施工流体密度、排量和压力参数进行实时监测,实时计算井底及关注点的压力、井内实际流量和真空段长度等重要参数,通过数字、仪表、曲线等多种形式直观显示参数变化情况,且监测和计算的数据可以实时保存,并进行历史数据回放,可为用户提供一手固井施工资料。

2.5 固井施工分析功能模块

固井施工分析是指固井施工结束以后,对固井施工过程进行分析评价,预测固井施工质量,有助于分析判别固井施工设计与固井施工措施的合理性,总结固井设计与施工经验,为后续固井作业提供参考。

固井施工分析模块包括固井施工质量评价与固井水泥环密封完整性分析2个子模块。固井施工质量评价主要是通过对声波测井数据进行分析,绘制声波测井曲线,评价固井质量。固井水泥环密封完整性分析模块可结合水泥石的实验强度,对水泥环进行应力分析,确定水泥环能够承受的最大允许内压力,为后续钻进、压裂等施工作业提供技术指导,延长水泥环寿命。另外,该模块还可分析固井第一界面的微间隙产生条件,并模拟微间隙随井深变化曲线,为后续施工提供技术参考。