偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固井頂替技術(shù)，具體涉及偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前全世界約有25%的油氣井都不同程度的存在環(huán)空竄流和管外冒現(xiàn)象，增加了 油氣井安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)性和補(bǔ)救工作的作業(yè)成本，同時(shí)也限制了后期增產(chǎn)措施的實(shí)施效 果。環(huán)空水泥封隔能力較差是造成油氣井環(huán)空竄流和管外冒的主要原因，有效的驅(qū)替鉆井 液、保證環(huán)空周向鉆井液完全返出封固段是獲取良好環(huán)空封隔能力的關(guān)鍵與前提。
[0003] 注水泥頂替過(guò)程中，由于套管偏心、井斜角以及頂替流體性能的綜合作用，頂替流 體在環(huán)空周向不同位置處的頂替流速存在較大差別，水泥漿頂替界面并非平齊推進(jìn)，環(huán)空 周向局部位置鉆井液流動(dòng)速度較慢，存在頂替結(jié)束時(shí)頂替界面后緣的鉆井液未能返出封固 段的可能，導(dǎo)致水泥漿被污染環(huán)空封隔能力變差甚至是形成局部鉆井液竄槽完全喪失環(huán)空 封隔能力。
[0004] 因此要想獲得良好的環(huán)空水泥封隔效果，必須保證環(huán)空周向不同位置處的鉆井液 (即頂替界面后緣)都能夠返出封固段。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，油氣井注水泥固井時(shí)，需要向井 眼內(nèi)注入超過(guò)環(huán)空封固段容積的水泥漿，即存在一個(gè)注水泥附加量，從而保證流動(dòng)速度較 慢的頂替界面后緣的鉆井液也能返出封固段。但是對(duì)于注水泥附加量設(shè)計(jì)為多少合適，并 沒(méi)有一個(gè)科學(xué)的依據(jù)和統(tǒng)一的規(guī)定。例如，《鉆井手冊(cè)》中規(guī)定，水泥漿附加量一般取理論 環(huán)空容積的40%~100%，當(dāng)以電測(cè)井徑所獲得的水泥漿量為基數(shù)時(shí)，附加量一般按5%~10%考 慮；而《鉆井工程設(shè)計(jì)》一書(shū)中規(guī)定，對(duì)于表層套管，附加量一般為環(huán)空容積與管內(nèi)水泥塞容 積之和的50%~100%，對(duì)于技術(shù)套管和油層套管一般為20%~40% ;張水源、于祥智根據(jù)數(shù)理統(tǒng) 計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)給出了注水泥附加量的計(jì)算公式，但應(yīng)用起來(lái)具有較大的局限性。由此可見(jiàn)， 現(xiàn)有注水泥附加量的設(shè)計(jì)存在以下三個(gè)主要問(wèn)題： 1) 行業(yè)內(nèi)各個(gè)油田沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，只有一個(gè)大致的取值范圍，而這個(gè)取值范圍相當(dāng) 寬泛，不同的技術(shù)人員所選用的附加量相差較大，具有一定的盲目性和隨機(jī)性； 2) 注水泥附加量的取值太主觀，主要依靠地區(qū)和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，但是目前發(fā)表的文 獻(xiàn)并沒(méi)有對(duì)注水泥附加量的取值與環(huán)空封隔能力之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，無(wú)從得知不同 的地區(qū)不同的井型注水泥附加量取值為多少最好，即依靠地區(qū)和技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)確定的附加 量取值沒(méi)有科學(xué)依據(jù)； 3) 部分地區(qū)和技術(shù)人員根據(jù)多年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)給出了注水泥附加量的確定值，但其是 以水泥返高達(dá)到要求的角度作為確定的標(biāo)準(zhǔn)，而水泥返高符合要求并不一定代表環(huán)空封隔 能力就一定好，因此其注水泥附加量的確定標(biāo)準(zhǔn)不太合理，而且其注水泥附加量的確定只 能適應(yīng)于該地區(qū)特定井眼條件，具有較大的局限性。
[0005] 實(shí)際注水泥頂替過(guò)程中，由于井眼條件、套管偏心、井斜角以及頂替流體性能參數(shù) 的差異，各井環(huán)空周向各點(diǎn)的頂替流速會(huì)有較大的差異，導(dǎo)致各井頂替界面的長(zhǎng)度相差較 大，保證頂替界面后緣的鉆井液返出封固段的水泥漿附加量也存在較大差別，因此必須根 據(jù)各井的實(shí)際情況確定不同的注水泥附加量。按照目前注水泥附加量的取值會(huì)帶來(lái)如下不 利的影響： 1) 部分井的頂替效果較好，頂替界面后緣的鉆井液返出封固段所需的水泥漿附加量較 小，若附加量設(shè)計(jì)較多會(huì)造成嚴(yán)重的浪費(fèi)，增加注水泥作業(yè)成本，同時(shí)對(duì)導(dǎo)致井底動(dòng)液柱壓 力較高，容易壓漏地層； 2) 部分井頂替效果較差，頂替界面后緣的鉆井液返出封固段所需的水泥漿附加量較 大，若附加量設(shè)計(jì)較小會(huì)導(dǎo)致封固段存在鉆井液降低層間封隔能力甚至造成鉆井液竄槽。
[0006] 由此可見(jiàn)，必須根據(jù)每口井的實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的注水泥附加量，而目前的注水 泥附加量設(shè)計(jì)都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)選取，沒(méi)有理論指導(dǎo)依據(jù)和確定標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的盲目性 和隨機(jī)性。因此必須提出更為科學(xué)合理的注水泥附加量設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而在保證 頂替界面后緣的鉆井液返出封固段獲得良好固井質(zhì)量的同時(shí)減少水泥漿注入量降低注水 泥作業(yè)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，這種偏心環(huán)空注水泥附加量確 定方法用于解決目前油氣井注水泥附加量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)選取，存在盲目性和隨機(jī)性的問(wèn) 題。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：這種偏心環(huán)空注水泥附加量確定方 法： 步驟一、根據(jù)井斜角以及扶正器的類(lèi)型和下入位置計(jì)算各點(diǎn)的套管偏心度，并采用數(shù) 理統(tǒng)計(jì)的方法確定全井的平均套管偏心度； 步驟二、根據(jù)電測(cè)曲線計(jì)算平均井眼直徑，結(jié)合套管尺寸以及封固段高度計(jì)算環(huán)空封 固段容積； 步驟三、根據(jù)平均井眼直徑、套管尺寸、井斜角以及平均套管偏心度在FLUENT軟件中 建立長(zhǎng)度為100米的有限元物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入頂替流體性能和頂替排量進(jìn)行 偏心環(huán)空注水泥兩相流體頂替數(shù)值模擬； 步驟四、實(shí)時(shí)追蹤數(shù)值模擬過(guò)程中頂替界面后緣鉆井液的位置，記錄頂替界面后緣鉆 井液的位置與其對(duì)應(yīng)的頂替時(shí)間，通過(guò)回歸擬合的方法得到頂替界面后緣鉆井液的位置與 頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系； 步驟五、根據(jù)頂替界面后緣鉆井液的位置與頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算頂替界面 后緣的鉆井液到達(dá)封固段頂部時(shí)所需的頂替時(shí)間以及所需的注水泥附加量。
[0009] 注水泥附加量的計(jì)算公式為
式中：旌為注水泥附加量，:為頂替排量，;；Τ為所需的頂替時(shí)間，inim:::; 為封固段環(huán)空容積，
[0010] 本發(fā)明具有以下有益效果： 1、通過(guò)本發(fā)明提供的偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，為偏心環(huán)空不同井眼條件下油 氣井注水泥附加量的確定提供了科學(xué)依據(jù)； 2、 通過(guò)本發(fā)明提供的偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，能夠保證頂替界面后緣的鉆井 液完全返出封固段，防止鉆井液對(duì)水泥漿的污染造成的封固段內(nèi)環(huán)空水泥封隔能力降低甚 至是鉆井液竄槽； 3、 通過(guò)本發(fā)明提供的偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，能夠在保證固井質(zhì)量的同時(shí)避 免水泥漿的浪費(fèi)，降低油氣井注水泥作業(yè)成本，并可有效的防止壓漏地層發(fā)生的現(xiàn)象； 4、 通過(guò)本發(fā)明提供的偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，能夠根據(jù)一口井的計(jì)算結(jié)果給 出該地區(qū)類(lèi)似井眼條件、套管偏心情況、頂替流體性能、封固段高度以及頂替排量條件下的 合理的注水泥附加量的數(shù)值，在此基礎(chǔ)上給出不同條件下注水泥附加量設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)圖版， 便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，同時(shí)避免了技術(shù)人員設(shè)計(jì)注水泥附加量的隨機(jī)性和盲目性。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明： 這種偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法： 步驟一、根據(jù)井斜角以及扶正器的類(lèi)型和下入位置計(jì)算各點(diǎn)的套管偏心度，并采用數(shù) 理統(tǒng)計(jì)的方法確定全井的平均套管偏心度； 步驟二、根據(jù)電測(cè)曲線計(jì)算平均井眼直徑，結(jié)合套管尺寸以及封固段高度計(jì)算環(huán)空封 固段容積； 步驟三、根據(jù)平均井眼直徑、套管尺寸、井斜角以及平均套管偏心度在FLUENT軟件中 建立長(zhǎng)度為100米的有限元物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入頂替流體性能和頂替排量進(jìn)行 偏心環(huán)空注水泥兩相流體頂替數(shù)值模擬； 步驟四、實(shí)時(shí)追蹤數(shù)值模擬過(guò)程中頂替界面后緣鉆井液的位置，記錄頂替界面后緣鉆 井液的位置與其對(duì)應(yīng)的頂替時(shí)間，通過(guò)回歸擬合的方法得到頂替界面后緣鉆井液的位置與 頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系； 步驟五、根據(jù)頂替界面后緣鉆井液的位置與頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算頂替界面 后緣的鉆井液到達(dá)封固段頂部時(shí)所需的頂替時(shí)間以及所需的注水泥附加量。
[0012] 注水泥附加量的計(jì)算公式為
式中：犯為注水泥附加量，_東；_為頂替排量，為所需的頂替時(shí)間，1*^:; _為封固段環(huán)空容積，_承。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，其特征在于：這種偏心環(huán)空注水泥附加量確 定方法： 步驟一、根據(jù)井斜角以及扶正器的類(lèi)型和下入位置計(jì)算各點(diǎn)的套管偏心度，并采用數(shù) 理統(tǒng)計(jì)的方法確定全井的平均套管偏心度； 步驟二、根據(jù)電測(cè)曲線計(jì)算平均井眼直徑，結(jié)合套管尺寸以及封固段高度計(jì)算環(huán)空封 固段容積； 步驟三、根據(jù)平均井眼直徑、套管尺寸、井斜角以及平均套管偏心度在FLUENT軟件中 建立長(zhǎng)度為100米的有限元物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入頂替流體性能和頂替排量進(jìn)行 偏心環(huán)空注水泥兩相流體頂替數(shù)值模擬； 步驟四、實(shí)時(shí)追蹤數(shù)值模擬過(guò)程中頂替界面后緣鉆井液的位置，記錄頂替界面后緣鉆 井液的位置與其對(duì)應(yīng)的頂替時(shí)間，通過(guò)回歸擬合的方法得到頂替界面后緣鉆井液的位置與 頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系； 步驟五、根據(jù)頂替界面后緣鉆井液的位置與頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算頂替界面 后緣的鉆井液到達(dá)封固段頂部時(shí)所需的頂替時(shí)間以及所需的注水泥附加量， 注水泥附加量的計(jì)算公式為：式中：犯為注水泥附加量，_東；_為頂替排量，;；Τ為所需的頂替時(shí)間，_^; _為封固段環(huán)空容積，_承。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及的是偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法，這種偏心環(huán)空注水泥附加量確定方法：一、計(jì)算各點(diǎn)的套管偏心度，并確定全井的平均套管偏心度；二、計(jì)算環(huán)空封固段容積；三、建立長(zhǎng)度為100米的有限元物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入頂替流體性能和頂替排量進(jìn)行偏心環(huán)空注水泥兩相流體頂替數(shù)值模擬；四、實(shí)時(shí)追蹤數(shù)值模擬過(guò)程中頂替界面后緣鉆井液的位置，記錄頂替界面后緣鉆井液的位置與其對(duì)應(yīng)的頂替時(shí)間，通過(guò)回歸擬合的方法得到頂替界面后緣鉆井液的位置與頂替時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；五、計(jì)算頂替界面后緣的鉆井液到達(dá)封固段頂部時(shí)所需的頂替時(shí)間以及所需的注水泥附加量。注水泥附加量的計(jì)算公式為？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？？。本發(fā)明能夠確定合理的注水泥附加量，避免了設(shè)計(jì)注水泥附加量的隨機(jī)性和盲目性。
【IPC分類(lèi)】E21B33/13, G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN105257242
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510803518
【發(fā)明人】馮福平, 艾池, 王軒濱, 韓旭, 胡超洋, 金春玉
【申請(qǐng)人】東北石油大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月20日