本發(fā)明涉及石油天然氣勘探開發(fā)過程中一種高溫高壓超深井全過程塞流防漏固井設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：連續(xù)完整且性能優(yōu)異的水泥環(huán)是高溫高壓超深井井筒長期密封能力的關(guān)鍵，固井質(zhì)量直接決定和影響水泥環(huán)的完整性。但隨著勘探開發(fā)不斷向深部地層邁進，實際作業(yè)地質(zhì)條件復雜，固井作業(yè)常面臨嚴重漏失問題，導致水泥漿難以一次上返充滿環(huán)空，漏失發(fā)生后只能采取反擠補救措施，固井質(zhì)量差，水泥環(huán)不連續(xù)。為降低固井過程中漏失，降低作業(yè)排量是有效措施。但大多按經(jīng)驗做法，降低排量致使水泥漿處于層流流態(tài)。同時，在深井超深井中，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求使用非標尺寸套管，無配套扶正器，套管偏心嚴重，層流流態(tài)下偏心窄環(huán)空頂替效率低。在塞流(流體力學定義雷諾數(shù)≤100的流體流態(tài)為塞流)流態(tài)下流速剖面平緩，頂替界面橫截面上各點的運動速度相同，運動方向沿垂直于頂替界面的方向，頂替流體如同“塞子”一樣推動被頂替流體，頂替液與被頂替液不容易摻混，有利于提高頂替效率。同時，處于塞流流態(tài)下的流體流速低，能有效降低窄密度窗口地層的漏失風險。但塞流固井作業(yè)時間長，工作液性能要求高，超深井固井中鮮有采用全過程塞流頂替設(shè)計。漏失井塞流固井設(shè)計關(guān)鍵在地層承壓能力計算(獲取)、套管或尾管下入速度、下套管或尾管后的鉆井液循環(huán)排量和塞流注水泥排量設(shè)計，既需要防止固井作業(yè)中漏失的發(fā)生，又需要保證低速頂替下的頂替效率。目前，大多數(shù)塞流固井設(shè)計以塞流排量設(shè)計為主，下套管速度和鉆井液循環(huán)排量設(shè)計均按照鉆井階段鉆鋌處的環(huán)空返速作為參考依據(jù)采用經(jīng)驗公式計算，未結(jié)合地層實際承壓能力計算，從而導致在固井前就發(fā)生漏失，給后續(xù)固井作業(yè)造成不利影響。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高壓超深井全過程塞流防漏固井設(shè)計方法，該方法可為深井超深井塞流固井提供指導，確保超深井固井作業(yè)成功和提高固井質(zhì)量。為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。本發(fā)明根據(jù)地層承壓測試或鉆井參數(shù)確定地層承壓能力，然后計算完鉆后套管或尾管下入速度、下套管或尾管后的鉆井液循環(huán)排量，控制環(huán)空循環(huán)壓耗不超過地層承壓能力，并按滿足塞流流態(tài)要求的水泥漿雷諾數(shù)，計算注水泥作業(yè)排量，根據(jù)注水泥排量設(shè)計水泥漿稠化時間。一種高溫高壓超深井全過程塞流防漏固井設(shè)計方法，依次包括以下步驟：步驟A：通井并計算通井循環(huán)時的環(huán)空總循環(huán)壓耗，將其作為地層承壓能力。進行通井(通井是指完鉆后下套管前，采用鉆具進行起下鉆作業(yè)，并間斷循環(huán)鉆井液，確保井眼通暢，從而方便測井、下套管等作業(yè))，根據(jù)通井循環(huán)排量(如果鉆井階段發(fā)生漏失則選取漏失排量)以及鉆具組合和井身結(jié)構(gòu)，采用“范寧-達西”公式(鉆井手冊編寫組.鉆井手冊(第二版)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2013，388)計算鉆井循環(huán)壓耗：式中vi在鉆井液循環(huán)時滿足如下關(guān)系(鉆井手冊編寫組.鉆井手冊(第二版)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2013，390)：式(2)帶入式(1)可得通井循環(huán)時的環(huán)空總循環(huán)壓耗Pf，將其作為地層承壓能力：式中：Pf——環(huán)空總循環(huán)壓耗，單位為MPa；Pci——分段環(huán)空循環(huán)壓耗，單位為MPa；s——環(huán)空分段總數(shù)，無因次；i——第i段，i＝1,2,3……s，無因次；vi——鉆井液在環(huán)空的上返速度，單位為m/s；Qd——鉆井階段發(fā)生漏失時的漏失排量或通井循環(huán)排量，單位為L/s；Dhi——環(huán)空內(nèi)徑，單位為mm；Dci——下入鉆桿或套管外徑，單位為mm；ρm——鉆井液密度，單位為g/cm3；fi——摩阻系數(shù)，無因次，鉆井液摩阻系數(shù)計算采用賓漢模式；Li——環(huán)空長度，單位為m。在允許進行地層承壓試驗條件下，可根據(jù)承壓試驗直接獲得地層承壓能力。地層承壓實驗做法通常為：上提鉆頭至上層套管鞋以上，關(guān)閉與鉆具配套的防噴器閘板。緩慢開泵以較低的排量向井內(nèi)泵入鉆井液，記錄泵壓。試驗壓力以達到注水泥期間的最高當量循環(huán)密度或預期設(shè)計壓力為原則。步驟B：根據(jù)地層承壓能力計算套管或尾管下入速度，然后下入套管串或尾管串。套管串或尾管串的下端裝有單流閥，阻止環(huán)空流體進入套管，因此將套管串或尾管串可視為下端封閉的管串。尾管串是指不延伸至井口的套管串，采用鉆柱送入井內(nèi)，套管串連接懸掛器，懸掛于上層套管內(nèi)。套管串或尾管串下入時，鉆井液在各段環(huán)空的上返速度滿足式(4)的關(guān)系(陳平等，鉆井與完井工程[M].北京:石油工業(yè)出版社，2005，204)：控制套(尾)管串下入速度，使鉆井液在環(huán)空上返產(chǎn)生的壓耗不超過步驟A計算得到的地層承壓能力。將式(4)帶入式(1)，得到套管或尾管最大下入速度vcm，即套管或尾管安全下入速度：實際作業(yè)時考慮附加安全系數(shù)a，則按下式計算套管或尾管實際下入速度vc：式中：vcm——套管或尾管安全下入速度，單位為m/s；vc——套管或尾管實際下入速度，單位為m/s；a——附加安全系數(shù)，0<a<1，無因次；Kc——黏附系數(shù)，Kc＝0.4～0.5，無因次。步驟C：根據(jù)地層承壓能力計算下套管或尾管后的鉆井液循環(huán)排量，然后循環(huán)鉆井液。套管或尾管下到井底后，循環(huán)鉆井液，使得鉆井液性能均勻?？刂沏@井液循環(huán)排量，使其環(huán)空循環(huán)壓耗不超過步驟A計算得到的地層承壓能力。對于尾管串，需考慮尾管懸掛器處產(chǎn)生的附加局部阻力Pt(尾管懸掛固井時懸掛器節(jié)流壓力)，則式(3)變換為：將式(7)進行變換即可得到式(8)，從而計算出下套管或尾管后的鉆井液循環(huán)排量Qcm：如果僅下入套管，Pt為0。式中：Qcm——下套管或尾管后的鉆井液循環(huán)排量，單位為L/s；Pt——尾管懸掛器處產(chǎn)生的附加局部阻力，單位為MPa。步驟D：計算注水泥作業(yè)的塞流臨界排量。采用旋轉(zhuǎn)粘度計測試水泥漿流變參數(shù)，并確定水泥漿流變模式(常用水泥漿的流變模式為賓漢模式、冪律模式、卡森模式，一般情況下水泥漿選取冪律模式)，冪律流體環(huán)空臨界返速滿足式(9)關(guān)系(陳平等，鉆井與完井工程[M].北京:石油工業(yè)出版社，2005，343)：式中：vpm——水泥漿在環(huán)空的臨界返速，單位為m/s；n——水泥漿流性指數(shù)，無因次；k——水泥漿稠度系數(shù)，Pa·sn；ρc——水泥漿密度，單位為g/cm3；Re——環(huán)空水泥漿雷諾數(shù)，無因次。將式(9)帶入式(1)，塞流流態(tài)判別條件為流體雷諾數(shù)Re≤100，式(9)中Re取100，計算水泥漿在各段環(huán)空中的塞流臨界排量，選取各段環(huán)空中最小的排量作為注水泥作業(yè)的塞流臨界排量Qpm：步驟E：計算注水泥作業(yè)的安全臨界排量。在漏失井中，滿足塞流流態(tài)的臨界排量可能仍然會造成漏失，還需計算安全注替排量。注水泥作業(yè)結(jié)束，水泥漿頂替到位時刻，水泥漿和隔離液密度大于鉆井液，環(huán)空靜液柱壓力高于鉆井階段靜液柱壓力。按式(11)計算靜液柱壓力變化值：ΔPh＝0.00931[Lc(ρc-ρm)+Ls(ρs-ρm)I(II)式中：ΔPh——固井頂替到位后由隔離液、水泥漿引起的環(huán)空靜液柱壓力變化值，單位為MPa；ρm——鉆井液密度，單位為g/cm3；ρc——水泥漿密度，單位為g/cm3；ρs——隔離液密度，單位為g/cm3；Lc——水泥漿占環(huán)空高度，單位為m；Ls——隔離液占環(huán)空高度，單位為m。水泥漿頂替到位時刻，環(huán)空壓力最高。環(huán)空循環(huán)壓耗、尾管懸掛器處產(chǎn)生的附加局部阻力和靜液柱壓力增加值不超過地層承壓能力，則式(3)變換為下式：從而得到注水泥作業(yè)的安全臨界排量Qsm：式中：ρi——頂替到位時，第i段環(huán)空中流體(流體為鉆井液、隔離液或水泥漿)的密度，單位為g/cm3。步驟F：根據(jù)注水泥作業(yè)的塞流臨界排量Qpm和安全臨界排量Qsm，確定實際作業(yè)排量Qp，進行塞流注水泥作業(yè)，依次注入隔離液、水泥漿和替漿液。實際作業(yè)排量Qp通過下式確定：進一步地，根據(jù)計算得到的實際作業(yè)排量，結(jié)合注替漿量，設(shè)計水泥漿稠化時間，并采用緩凝劑調(diào)節(jié)水泥漿稠化時間。進一步地，所述緩凝劑為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(APMS)、衣康酸(IA)與馬來酸酐(MA)的共聚物，與水泥及其他外加劑配伍性良好，加量為水泥灰樣重量的1～7％。本發(fā)明提供的全過程塞流防漏固井設(shè)計方法，在地層承壓試驗無法實施時，根據(jù)鉆井參數(shù)計算得到地層承壓能力，結(jié)合固井套管串或尾管串結(jié)構(gòu)、井身結(jié)構(gòu)及鉆井液、水泥漿流變參數(shù)，計算套管或尾管安全下入速度、下套管或尾管后的鉆井液循環(huán)排量和塞流注水泥排量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：(1)以控制注替過程中環(huán)空循環(huán)壓耗為設(shè)計依據(jù)，進行套管或尾管安全下入速度、鉆井液循環(huán)排量和塞流注水泥排量設(shè)計，能有效降低漏失風險，保證固井作業(yè)成功；(2)以水泥漿雷諾數(shù)作為注水泥排量設(shè)計依據(jù)，保證在低排量條件下的頂替效率和固井質(zhì)量。具體實施方法下面結(jié)合實施例詳細描述本發(fā)明的實施方式。以某氣井206.38mm尾管固井為例，進行塞流固井施工參數(shù)計算：A、根據(jù)通井期間循環(huán)排量16L/s，計算得到地層承壓能力7.45MPa；B、根據(jù)步驟A計算的承壓能力、鉆井液性能及尾管串結(jié)構(gòu)等，計算得到尾管串下放速度最大不超過0.195m/s，按計算速度下入尾管串；C、下完套管后，根據(jù)步驟A計算的承壓能力、鉆井液性能、環(huán)空尺寸等，計算得到循環(huán)排量14L/s，按計算排量循環(huán)鉆井液；D、計算水泥漿在各段環(huán)空的塞流臨界排量分別為6.7L/s、6,3L/s和6.1L/s，臨界排量取最小值，6.1L/s；E、計算頂替到位后環(huán)空靜液柱壓力增加值為0.5MPa，計算安全注替臨界排量為8.2L/s；F、根據(jù)步驟D和步驟E，得到實際塞流注替排量≤6.1L/s。采用fluent軟件，模擬了A、B、C、D共4口井尾管懸掛固井在塞流排量和常規(guī)排量下的頂替效率，并對比了塞流固井排量和常規(guī)固井排量注替時的環(huán)空壓耗，結(jié)果如表1所示。表1頂替效率模擬和環(huán)空壓耗計算結(jié)果從表1中可以看出，采用本發(fā)明提供的塞流固井設(shè)計方法，能有效提高固井頂替效率，并降低固井漏失風險，保證超深易漏失井固井作業(yè)成功和固井質(zhì)量。表2為實例1、實例3、實例5和實例7現(xiàn)場固井聲幅測井結(jié)果。通過測定聲波傳播過程中幅度的衰減評價固井質(zhì)量。固井質(zhì)量良好時，聲波衰減大，聲幅值??；反之聲波衰減小，聲幅值大。聲幅值≤10％為優(yōu)秀，聲幅值≤30％為合格，根據(jù)固井井段測井聲幅結(jié)果，統(tǒng)計聲幅值≤10％所占百分比作為優(yōu)質(zhì)率，聲幅值≤30％所占百分比作為優(yōu)質(zhì)率。表2現(xiàn)場固井聲幅測井結(jié)果優(yōu)質(zhì)率合格率實例132.40％93.25％實例349.53％89.65％實例577.02％84.20％實例738.55％97.98％最后所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，也可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。當前第1頁1 2 3