固井注水泥過(guò)程的動(dòng)態(tài)描述研究

黃志強(qiáng) 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023 湖北省油氣鉆采工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)),湖北 荊州 434023

黎 成 (中石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

固井注水泥過(guò)程的動(dòng)態(tài)描述研究

黃志強(qiáng) 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023 湖北省油氣鉆采工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)),湖北 荊州 434023

黎 成 (中石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000)

注水泥施工參數(shù)的合理與否直接關(guān)系到固井質(zhì)量的好壞，應(yīng)用一定的計(jì)算模式描述注水泥動(dòng)態(tài)施工參數(shù)并進(jìn)行模擬，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)對(duì)注水泥動(dòng)態(tài)過(guò)程的綜合分析研究，從注水泥基本理論出發(fā)，建立了描述這一過(guò)程中任一時(shí)刻各動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算模式，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了注水泥過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬軟件。經(jīng)過(guò)江漢油田幾口井的實(shí)例驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符程度較高，滿足了工程要求。

注水泥；動(dòng)態(tài)過(guò)程；計(jì)算模式；仿真模擬

注替過(guò)程是固井施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該過(guò)程涉及的流體有多種，通常為鉆井液、前置液、水泥漿、后置液及頂替液等，有時(shí)還可能用幾種前置液和后置液。由于各種流體的密度及所屬流型可能不同，即使在相同的井身?xiàng)l件及流量下，各流體的流態(tài)、靜液柱壓力及循環(huán)壓耗也不完全相同，而井身?xiàng)l件在不同井深也不盡相同，在整個(gè)注替施工過(guò)程中泵入的流量也可能改變。因此，在注替施工過(guò)程中的任一時(shí)刻，固井流體的流動(dòng)特性都在變化，注水泥施工動(dòng)態(tài)參數(shù)也隨之變化[1，2]。

國(guó)外許多大公司，如Hallibaton、DS、Western等，都建立有自己的注水泥仿真模擬系統(tǒng)，使得他們的注水泥作業(yè)能在科學(xué)、規(guī)范的技術(shù)指導(dǎo)下完成，以獲得良好的質(zhì)量保證；國(guó)內(nèi)近年來(lái)也越來(lái)越重視注水泥仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)，并取得了一定的成果，但還沒(méi)有完全使用施工設(shè)計(jì)與施工仿真模擬系統(tǒng)，從而使得整個(gè)注水泥施工過(guò)程控制帶有很大的盲目性，在很大程度上影響了注水泥頂替質(zhì)量的提高[3]?；趪?guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，筆者從注水泥基本理論出發(fā)，建立了注水泥過(guò)程各動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算模式，并開發(fā)了一套注水泥過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬軟件。

①為套管內(nèi)分段段長(zhǎng)LCi(m)；②為環(huán)空分段段長(zhǎng)LAi(m)；③為環(huán)空外徑DAi(cm)；④為環(huán)空內(nèi)徑DIi(cm)；⑤為套管內(nèi)徑DCi(cm)；⑥為套管；⑦為井壁。 圖1 套管內(nèi)及環(huán)空分段示意圖

1 注水泥過(guò)程各動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算模式

1.1注水泥過(guò)程動(dòng)態(tài)描述的基本假設(shè)

注水泥施工過(guò)程中用到9種流體[1]，分別是鉆井液、前置液(3種)、水泥漿(2種)、后置液(2種)、頂替液。假設(shè)這9種流體的設(shè)計(jì)用量分別是VFi(i=1，2，…，9)，對(duì)于沒(méi)有用到的流體，其設(shè)計(jì)用量為0；根據(jù)頂替管柱和待固套管的內(nèi)徑不同可將管內(nèi)劃分為Nc段，各段的內(nèi)徑為DCi(cm)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)Ci(m)(i=1,2,…Nc)；將上層套管內(nèi)徑和裸眼井徑稱為環(huán)空外徑，待固套管外徑和頂替管柱外徑稱為環(huán)空內(nèi)徑，根據(jù)不同環(huán)空外徑和環(huán)空內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的段長(zhǎng)將環(huán)空劃分為Na段，分段后各段的環(huán)空外徑為DAi(cm),環(huán)空內(nèi)徑為DIi(cm),各段的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)Ai(m)(i=1,2,…,Na)。套管內(nèi)及環(huán)空分段如圖1所示。

由上到下第i段管內(nèi)容積UCi和套管內(nèi)的總?cè)莘eUCC分別為：

由上到下第i段環(huán)空的容積UAi和環(huán)空總?cè)莘eUA分別為：

1.2注替后任一時(shí)刻Tx泵入井內(nèi)流體序號(hào)m的確定

設(shè)Tx時(shí)刻泵入排量為QVm(m3/s)，則從注替開始到Tx時(shí)刻，泵入井內(nèi)的流體體積VPI(m3)為：

(1)

由式(1)可確定Tx時(shí)刻泵入井內(nèi)的流體總量，泵入流體的序號(hào)m由：

確定。式中，VTm-1、VTm分別是前m-1、m種固井流體的設(shè)計(jì)用量總和；VFi為各種固井流體的體積。

1.3Tx時(shí)刻井內(nèi)流體種類和體積的計(jì)算

設(shè)Tx時(shí)刻套管內(nèi)固井流體實(shí)際充填容積為UCR，則在自由下落期間:

UCR=UCC-VHE(VHE為井口不連續(xù)段的體積)

在自由下落開始前和自由下落結(jié)束后，UCR=UCC。

1)Tx時(shí)刻套管內(nèi)固井流體種類數(shù)及體積的判定 設(shè)Tx時(shí)刻正在泵入井內(nèi)的固井流體順序號(hào)為N，如果VPI≤UCR，則所有泵入的固井流體均在套管內(nèi)，其類型代號(hào)為N，N-1，…，2，套管內(nèi)泵入的各種固井流體的體積分別為VF2，VF3，…，VFN-1，VFM(VFM為正在泵入的固井流體已泵入的體積，VFM=VPI-VTN-1)。

如果在Tx時(shí)刻，VPIgt;UCR，則已泵入的固井流體已返出套管鞋進(jìn)入環(huán)空或返到地面。此時(shí)，套管內(nèi)固井流體的類型為N，N-1，…，Ne，且Ne流體在套管內(nèi)的量為：

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

返到環(huán)空中的量為：

式中，Ub為口袋容積，m3。

返出地面的量為：

1.4Tx時(shí)刻井內(nèi)固井流體液柱長(zhǎng)度及位置的確定

1)第i種流體在第j段套管內(nèi)的液柱長(zhǎng)度LCi,j的計(jì)算 首先確定井口不連續(xù)段所對(duì)應(yīng)的套管段數(shù)及長(zhǎng)度HVE，即如果LTj≥HVE，求出在相應(yīng)的套管段第j段除去HVE后剩余的長(zhǎng)度LD和相應(yīng)的容積VLD：

式中，LD為第j段套管內(nèi)除去真空段后的長(zhǎng)度，m；LTj為前j段管柱的長(zhǎng)度之和。

2)第i種流體在第j段環(huán)空內(nèi)的液柱長(zhǎng)度LAi,j的計(jì)算LAi,j的計(jì)算過(guò)程同LCi,j。

4)Tx時(shí)刻第i種流體液面位置的確定 已知Tx時(shí)刻井口不連續(xù)段的長(zhǎng)度HVE，正在注入的流體種數(shù)是第N種，則第N種流體的上界面是HVE，下界面是HVE+TLCN，第N-1種流體的上界面是第N種流體的下界面。同樣，環(huán)空內(nèi)各流體的液面位置即可求解。在定向井中，求出了各固井流體在套管及環(huán)空內(nèi)的液面位置，可以根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)求出各流體的垂直長(zhǎng)度，進(jìn)而求得各種流體的靜液柱壓力。

2 仿真模擬軟件的開發(fā)

以上述理論研究為基礎(chǔ)，考慮以下模擬條件：

1)井眼環(huán)空由若干段(任意段)組成，各段的井徑、井斜可不同；

2)管內(nèi)部分由若干段組成，各段的內(nèi)徑、井斜可不同；

3)考慮套管在環(huán)空處于一定的偏心狀態(tài)；

4)考慮井眼內(nèi)同時(shí)注入多種液體，各液體的流型及流變性能可不同；

5)考慮“U型管效應(yīng)”現(xiàn)象的出現(xiàn)與影響；

6)考慮局部流動(dòng)阻力作用；

7)考慮注替排量的變化以及停泵等復(fù)雜施工條件的影響。

在Microsoft Windows的環(huán)境下，基于SQL Server2000數(shù)據(jù)庫(kù)，用Visual Basic 6.0可視化編程語(yǔ)言開發(fā)了注水泥過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬軟件。該模擬軟件是在取得待固井的地質(zhì)資料、井身參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，對(duì)注水泥方案的實(shí)施過(guò)程進(jìn)行模擬分析。用戶通過(guò)可視化界面，可直觀地觀察注水泥過(guò)程中的地面參數(shù)(流量、壓力等)和井下動(dòng)態(tài)參數(shù)(液面位置、流速、流態(tài)、紊流接觸時(shí)間、井內(nèi)實(shí)際流量及真空段高度等)的變化情況，以及井底壓力和薄弱地層處環(huán)空動(dòng)壓力。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)模擬施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)注水泥方案進(jìn)行調(diào)整，直至選出最佳方案。

3 實(shí)例應(yīng)用

光2平6井是江漢油田所屬的一口水平井，該井完鉆井深3600m，鉆頭直徑215.9mm；油層套管外徑139.7mm，水泥返高2220m；井內(nèi)鉆井液密度為1.26g/cm3；使用鹽水作為前置液，用量為6.0m3；水泥漿密度為1.9g/cm3，設(shè)計(jì)用量為23.55m3；采用鉆井液作為頂替液，替入量42.54m3。圖2和圖3為光2平6井部分參數(shù)模擬曲線。

圖2 井口壓力及流量隨時(shí)間的變化曲線 圖3 流速及真空段高度隨時(shí)間的變化曲線

由圖2可以看出，施工時(shí)首先注入前置液，由于前置液密度小于鉆井液密度，因此井口壓力逐漸增大；3min后開始注水泥，由于水泥漿密度大于鉆井液密度，使得井口壓力開始減小，直至減小到0，此時(shí)，井內(nèi)實(shí)際流量大于泵入排量，即在第10min開始受“U型管效應(yīng)”影響，管內(nèi)出現(xiàn)真空段(如圖3)；隨著注替施工的進(jìn)行，第26min時(shí)注水泥施工結(jié)束，開始停泵下膠塞；第29min開始注入頂替液，由于頂替液的密度小于水泥漿密度，井內(nèi)實(shí)際流量慢慢小于泵入排量，真空段長(zhǎng)度開始減小，直至消失。模擬最終頂替泵壓19.5MPa，與實(shí)際值18MPa相比，相對(duì)誤差為8.33%，誤差較小，完全滿足工程需要。

4 結(jié) 論

1)考慮不同套管內(nèi)徑，頂替管柱外徑及環(huán)空外徑的變化，在分析注水泥動(dòng)態(tài)過(guò)程的基礎(chǔ)上建立了更加精確的動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算模式。

2)以注水泥動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套注水泥過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬軟件，可用于注水泥優(yōu)化設(shè)計(jì)及指導(dǎo)注水泥施工。

3)應(yīng)用注水泥過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬軟件對(duì)江漢油田多口井進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，模擬結(jié)果誤差較小，滿足工程要求。

[1]王保記.平衡壓力固井優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1999.

[2]王保記，陳元頓，徐惠峰.注水泥動(dòng)態(tài)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬[J].石油學(xué)報(bào)，1994，15(1):128～133.

[3]徐壁華，郭小陽(yáng)，劉崇建.固井注水泥訪真系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，18(3):38～43.

[編輯] 洪云飛

TE256.5

A

1673-1409(2009)02-N050-04

2009-03-13

國(guó)家油氣重大專項(xiàng)課題(2008ZX05021-006) 。

黃志強(qiáng)(1964-)，男，1984年大學(xué)畢業(yè)，碩士，副教授，現(xiàn)主要從事油氣井工程方面的教學(xué)與研究工作。