CN103277067B - 水平井偏心环空顶替参数优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是水平井偏心环空顶替参数优化设计方法，属于水平井固井顶替技术，这种水平井偏心环空顶替参数优化设计方法：一、计算在给定套管下入安全的条件下水平段套管的平均偏心度；二、考虑顶替流体密度差引起的驱动力和宽窄间隙阻力对顶替界面形状的影响，建立水平井偏心环空顶替界面形状计算模型；三、测量水泥浆和钻井液的流变参数及密度；四、进行水平井偏心环空顶替界面形状计算，改变水泥浆与钻井液的密度差分析顶替界面掺混的长度，得出保证最小顶替界面掺混长度时的水泥浆与钻井液的密度差；五、调整水泥浆的密度，使之达到与实现最小顶替界面掺混长度时所需要的密度相等或接近。本发明能够确保固井顶替界面平齐推进，避免发生指进引起的界面失稳现象，降低顶替界面两相流体掺混程度。
Description
一、 技术领域：
本发明涉及的是水平井固井顶替技术，具体涉及的是水平井偏心环空顶替参数优化设计方法。
二、背景技术：
良好的层间封隔效果是实现水平井分段压裂提高薄差油层和低渗透油田采收率的关键，水平井顶替时由于套管自重造成的偏心和水泥浆与钻井液密度差的联合作用，使得固井顶替时顶替界面沿某一方向发生指进，两相流体掺混严重，造成钻井液迟流降低界面胶结强度和水泥石抗压强度，无法形成良好的封隔系统，导致许多水平井压裂后很快层间窜通，严重影响到水平井分段压裂优势的发挥。
对于水平井顶替来说，主要存在如下两个问题：
（1）水平井套管下入困难，套管偏心严重造成指进现象
水平井套管下入过程中摩阻力要比常规直井大，尤其在大斜度井段和水平井段，套管对井壁的侧压力加大，从而增加了水平井下套管摩擦阻力，为了保证水平井套管的顺利下入，对水平井套管串的扶正器有严格的限制；在大斜度或水平段，套管在自重作用下，套管贴在井壁下侧，形成严重的偏心，套管偏心形成宽窄不一的环空间隙，固井顶替时顶替流体在宽间隙处的流动阻力要小于窄间隙处，使得顶替界面容易沿宽间隙处发生指进，窄间隙处造成钻井液迟流，顶替界面掺混严重，影响顶替效率和固井质量。
（2）水平井顶替流体密度差造成明显的指进现象
水平井的特殊受力条件使其注水泥工艺和垂直井有所区别。钻井液、水泥浆及前置液等所受重力方向已经不再是轴向而是径向了。由于密度差的原因，使得重的液体总是沉向低侧，流速剖面尖锐、呈指形，水泥浆在低边形成指进现象，而轻的钻井液聚集在井眼上侧，很难替走形成连续的窜槽通道，最终导致环空顶替效率低，使环空不能完全被水泥浆充满，从而影响固井质量；同时水泥浆在水平状态下，由于重力作用易沿环空上部形成一个水槽带，即出现游离液窜槽现象。这条水槽带在水平井后期开发过程中，将为分层、分段开采造成极大困难。
目前通常采用安装套管扶正器和套管漂浮技术来改善水平井套管的居中效果，但由于水平井套管下入困难，对套管扶正器的下入数量和类型有明确的限制，因此水平井套管偏心严重的情况无法通过下入扶正器的方法加以解决。水平井顶替效果受到顶替流体的密度差、流体流变性能以及套管偏心的共同影响，在水平井中由于密度差的原因套管居中时在井眼下侧形成明显的指进现象，因此对于水平井固井顶替来说，并不是套管完全居中时顶替效果最好，不同的顶替流体密度差以及流变参数条件下实现稳定顶替时所对应的套管居中度是不一样的，盲目的追求水平井套管居中不仅会增加套管下入风险，同时还会形成明显的指进现象降低层间封隔效果。
因此需要提供一种水平井偏心环空顶替参数优化设计方法，给出不同顶替流体密度差、流变参数和套管居中度的匹配关系，提高水平井偏心环空顶替效果，通过检索国内外文献，目前还没有给出类似的优化设计方法。
三、发明内容：
本发明的目的是提供水平井偏心环空顶替参数优化设计方法，它用于解决水平井固井顶替时顶替界面沿某一方向发生指进，两相流体掺混严重的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水平井偏心环空顶替参数优化设计方法如下：
步骤一、计算在给定套管下入安全的条件下水平段套管的平均偏心度；
步骤二、考虑顶替流体密度差引起的驱动力和宽窄间隙阻力对顶替界面形状的影响，建立水平井偏心环空顶替界面形状计算模型；
其中：
式中：为顶替界面形状函数；为周向角度；为水泥浆与被钻井液的密度差；为斯托克斯数；H为环空间隙的一半；为流体K修正的压力梯度超过临界修正压力梯度的值；为流函数在周向与轴向梯度的模；为流体K的屈服应力极限值；m为流体K流性指数的倒数；k为流体K的稠度系数；L为选取的研究对象单元体长度；为关于的偏导数；为套管偏心度；
步骤三、通过高温高压流变仪和钻井液密度仪测量水泥浆和钻井液的流变参数及密度；
步骤四、采用实测流变参数、密度差及步骤一计算所得套管偏心数据进行水平井偏心环空顶替界面形状计算，改变水泥浆与钻井液的密度差分析顶替界面掺混的长度，得出保证最小顶替界面掺混长度时的水泥浆与钻井液的密度差；
步骤五、调整水泥浆的密度，使之达到与实现最小顶替界面掺混长度时所需要的密度相等或接近。
有益效果：
1、本发明通过计算水平井偏心环空顶替界面形状，能够明确的得出水平井顶替时环空不同周向角处的顶替效果，明确水平井偏心环空顶替流体发生指进的位置及程度。
2、本发明通过优化水平井偏心环空顶替参数，能够确保固井顶替界面平齐推进，避免发生指进引起的界面失稳现象，获得最小的顶替界面长度，降低顶替界面两相流体掺混程度，提高胶结强度和水泥石抗压强度，增强水平井环空封隔效果。
3、本发明通过优化水平井偏心环空顶替参数，能够在环空形成均匀厚度的水泥环，保证环空周向剖面的封隔强度，并加强水泥环对套管的保护作用，有效的预防水平井套损的发生。
4、本发明通过给出不同顶替流体密度差以及流变参数条件下的套管偏心度要求，打破现有的认为水平井套管居中时固井质量最好的传统认识，在提高水平井固井封隔效果的同时降低盲目的追求水平井套管居中所增加的套管下入风险。
四、具体实施方式：
下面对本发明做进一步的说明：
步骤一、计算在给定套管下入安全的条件下水平段套管的平均偏心度；
步骤二、考虑顶替流体密度差引起的驱动力和宽窄间隙阻力对顶替界面形状的影响建立水平井偏心环空顶替界面形状计算模型；
其中：
式中：为顶替界面形状函数；为周向角度；为水泥浆与被钻井液的密度差；为斯托克斯数；H为环空间隙的一半；为流体K修正的压力梯度超过临界修正压力梯度的值；为流函数在周向与轴向梯度的模；为流体K的屈服应力极限值；m为流体K流性指数的倒数；k为流体K的稠度系数；L为选取的研究对象单元体长度；为关于的偏导数；为套管偏心度；通常水平井套管偏心引起的环空间隙宽窄不均，宽间隙处流体流动阻力小，水泥浆容易沿宽间隙处发生指进，导致环空宽窄间隙处顶替界面失稳，两相流体掺混严重降低固井质量。
步骤三、通过高温高压流变仪和钻井液密度仪测量水泥浆和钻井液的流变参数及密度；
步骤四、采用实测流变参数、密度差及步骤一计算所得套管偏心数据进行水平井偏心环空顶替界面形状计算，改变水泥浆与钻井液的密度差分析顶替界面掺混的长度，得出保证最小顶替界面掺混长度时的水泥浆与钻井液的密度差；通常水平井顶替时环空水泥浆与钻井液的密度差所引起的驱动力是关于周向角和半径的函数，越靠近环空下部驱动力越大，导致顶替界面容易向环空下侧扩展，水泥浆在低边形成指进现象。
步骤五、调整水泥浆的密度，使之达到与实现最小顶替界面掺混长度时所需要的密度相等或接近。
由于水平井顶替效果受到顶替流体的密度差、流体流变性能以及套管偏心的共同影响，本发明综合考虑水平井套管偏心环空间隙宽窄不均引起的流动阻力不同及水平井环空水泥浆与钻井液的密度差所引起的驱动力对顶替界面形状的影响，建立了水平井偏心环空顶替界面形状计算模型，以获得最小顶替界面掺混长度为目标得出获得最优水平井固井质量的水泥浆密度。
本发明的现场实验：
采用本发明对黑168区块黑H平4井、黑H平39井、黑H平14井共计三口水平井固井施工顶替参数进行了优化设计，根据三口井实际的套管扶正器下入情况首先进行了水平井套管居中度计算，然后测量三口井所使用的钻井液性能及要求的水泥浆性能，采用本发明进行了水泥浆密度优化，优化后的结果如表1所示。
表1 三口水平井顶替参数优化设计结果
| 井名 | 平均套管居中度 | 优化设计水泥浆密度 | 实际检测水泥浆密度 |
| 黑H平4井 | 48.7% | 1.72g/cm3 | 1.78g/cm3 |
| 黑H平39井 | 49.1% | 1.83g/cm3 | 1.89g/cm3 |
| 黑H平14井 | 49.6% | 1.87g/cm3 | 1.83g/cm3 |
注：实际检测水泥浆密度与设计水泥浆密度有一定的差别，原因在于现场水泥浆密度控制困难，但两者的差别较小，满足工程误差范围。
与同地区相比，进行顶替参数优化后3口井的井段优质率提高11.49%，合格率提高5.22%，说明本研究所建立的水平井偏心环空顶替参数优化方法及优化模型具有较强的实际应用性，能够有效的指导水平井固井施工参数的优化设计，提高水平井固井质量。
表2 固井质量对比表
Claims (1)
1.一种水平井偏心环空顶替参数优化设计方法，其特征在于：这种水平井偏心环空顶替参数优化设计方法如下：
步骤一、计算在给定套管下入安全的条件下水平段套管的平均偏心度；
步骤二、考虑顶替流体密度差引起的驱动力和宽窄间隙阻力对顶替界面形状的影响建立水平井偏心环空顶替界面形状计算模型；
其中：
式中：为顶替界面形状函数；为周向角度；为水泥浆与被钻井液的密度差；为斯托克斯数；H为环空间隙的一半；为流体K修正的压力梯度超过临界修正压力梯度的值；为流函数在周向与轴向梯度的模；为流体K的屈服应力极限值；m为流体K流性指数的倒数；k为流体K的稠度系数；L为选取的研究对象单元体长度；为关于的偏导数；为套管平均偏心度；
步骤三、通过高温高压流变仪和钻井液密度仪测量水泥浆和钻井液的流变参数及密度；
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