CN105114031A - 一种针对u形管效应的固井压力控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种针对U形管效应的固井压力控制方法及系统，其通过分析注水泥过程中的进出口流量变化特征和进出口压力变化特征，及时发现U形管效应，如果出现U形管效应，进行一次流量调节，并待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′进行初级判断；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，表明经环空节流后井下出现了漏失情况，则通过计算漏失状态下的井底漏失压力P_f1，反算得到管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；进行二次流量调节，控制固井压力，从而达到预防或减轻井下漏失和保护井壁的目的。

Description

一种针对U形管效应的固井压力控制方法及系统

技术领域：

本发明专利涉及石油钻采工程固井技术领域，具体涉及一种针对U形管效应的固井压力控制方法及系统。

背景技术：

在固井注水泥过程中，由于注入水泥浆的密度高于井内钻井液密度，当管内水泥浆高度达到一定程度时，在重力势差的作用下，管内流体自流进入环空，产生U形管效应，井口注入压力为零，流体流速显著增加，造成环空压耗增大而压漏地层，并冲刷井壁容易造成垮塌。针对U形管效应下的固井压力进行控制，对于预防或减轻井下漏失和保护井壁都具有重要的实际意义。

发明内容:

有鉴于此，本发明提供一种能够预防或减轻井下漏失和保护井壁的固井压力控制方法及系统。

一种针对U形管效应的固井压力控制方法，其包括以下步骤：

S1、实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′，并根据监测值进行判断是否出现U形管效应；

S2、如果出现U形管效应，则将环空出口流量值Q′缓慢降至管内注入流量值Q；

S3、待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′，如果管内注入流量值Q等于环空出口流量值Q′，表明U形管效应已得到有效控制；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，表明经环空节流后井下出现了漏失情况，进入步骤S4；

S4、计算漏失状态下的井底漏失压力P_f1，以漏失压力P_f1为目标反算管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；

S5、根据分析计算得到的节流阀阀板闭合度η调整节流阀，指导节流操作，从而控制固井压力。

此外，本发明提供一种针对U形管效应的固井压力控制系统，用于实时分析井下工况和计算环空出口节流阀的阀板闭合度，其包括如下模块：

流量调节模块，用于将环空出口流量值Q′缓慢降至管内注入流量值Q；

监测比较模块，用于待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′，如果管内注入流量值Q等于环空出口流量值Q′，则表明U形管效应已得到有效控制，并未出现井漏现象，此时按照管内注入流量值Q正常施工即可；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，则表明经环空节流后井下出现了漏失情况；

分析计算模块，用于对漏失状态下的井底漏失压力P_f1进行计算，并以漏失压力P_f1为目标，反推得到在管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；

控制执行模块，根据分析计算得到的节流阀阀板闭合度η调整节流阀，指导节流操作，从而控制固井压力。

本发明所述为一种针对U形管效应的固井压力控制方法及系统，通过实时监测分析注水泥过程中的进出口流量变化特征和进出口压力变化特征，及时发现U形管效应，并通过一次流量调节进行初级判断，再通过计算得到节流阀阀板闭合度η进行二次流量调节，从而达到预防或减轻井下漏失和保护井壁的目的。

附图说明

图1为本发明所述的针对U形管效应的固井压力控制方法的流程框图；

图2为图1中步骤1的子流程框图；

图3为本发明所述的针对U形管效应的固井压力控制方法的步骤流程示意图；

图4为本发明所述的针对U形管效应的固井压力控制系统的模块框图；

图5为图4中数据监测模块的子模块框图；

图6为U形管效应下的固井流体循环示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为克服现有技术中U形管效应产生的危害，本发明提供一种针对U形管效应的固井压力控制方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1、实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′，并根据监测值进行判断是否出现U形管效应；

S2、如果出现U形管效应，则将环空出口流量值Q′缓慢降至管内注入流量值Q；

S3、待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′，如果管内注入流量值Q等于环空出口流量值Q′，表明U形管效应已得到有效控制；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，表明经环空节流后井下出现了漏失情况，进入步骤S4；

S4、计算漏失状态下的井底漏失压力P_f1，以漏失压力P_f1为目标反算管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；

S5、根据分析计算得到的节流阀阀板闭合度η调整节流阀，指导节流操作，从而控制固井压力。

具体的，当出现U形管效应后，应迅速通过安装在环空出口处的节流阀将出口流量Q′缓慢降至注入流量Q，然后观察5分钟，待流动稳定时监测比较管内注入流量Q和环空出口流量Q′。如果注入流量Q等于出口流量Q′，表明U形管效应已得到有效控制，且未出现井漏现象，此时按照注入流量Q正常施工即可；如果注入流量Q大于出口流量Q′，表明经环空节流后井下出现了漏失情况，需要进行二次流量调节操作；二次流量调节操作需要计算漏失状态下的井底漏失压力P_f1，然后以井底漏失压力P_f1为目标反算注入流量Q条件下的节流阀阀板闭合度η，从而指导节流操作，以更好地控制固井压力。

其中，如图2所示，所述步骤S1还包括以下子步骤：

S11、获取总井深值H、井眼直径值D_h、套管外径值D_c、套管内径值D_i、水泥浆密度值ρ₁、钻井液密度值ρ₃、环空流动摩阻系数值f、节流阀的通径D、管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力P′；

S12、实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′；

S13、根据各项监测值进行判断是否出现U形管效应，当P>0,Q＝Q′，表明未产生U形管效应，注水泥作业施工正常，无需控制；当P＝0,Q<Q′，表明井内出现了U形管效应，需要及时控制。

具体的，所述总井深值H、井眼直径值D_h、套管外径值D_c、套管内径值D_i、水泥浆密度值ρ₁、钻井液密度值ρ₃、环空流动摩阻系数值f、节流阀的通径D可以从固井设计数据获取；

固井注入流量值Q、注入压力值P可以从套管入口监测系统直接获取；环空出口返出流量值Q′、环空出口压力P′可以从环空出口监测系统直接获取。

步骤S4中所述井底漏失压力P_f1的具体分析计算方法如下：

计算井底漏失压力：

P_f1＝F₁(H，ρ₃)+F₂(H，Q′,ρ₃,f,D_h,D_c)+P′

上式中：

F₁(H，ρ₃)＝9.81ρ₃H

$F_2(H,Q^{\&prime;},{\mathrm{\&rho;}}_3,f,D_h,D_c)=\frac{32{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^{\&prime;2}fH}{{\mathrm{\&pi;}}^2{({D_h}^2-{D_c}^2)}^2(D_h-D_c)}$

P′从环空出口监测系统直接读取。

所述节流阀阀板闭合度η的具体分析计算方法如下：

①计算管内注入流量值Q条件下环空出口应控制的节流压力P₁：

P₁＝P_f1-F₁(H，ρ₃)-F₂(H，Q,ρ₃,f,D_h,D_c)

②计算环空出口节流阀应保持的流通面积A：

$A=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^2}{1.62P_1}\&times;{10}^5$

③计算环空出口节流阀阀板应保持的闭合度η：

$R=\frac{D}{2}$

当时采用下式计算闭合度η:

$A={\mathrm{\&pi;R}}^2-R^{2}arccos\left(\frac{R-2R\mathrm{\&eta;}}{R}\right)+(R-2R\mathrm{\&eta;})\sqrt{R^2-{(R-2R\mathrm{\&eta;})}^2}$

当时采用下式计算闭合度η:

$A=R^{2}arccos\left(\frac{2R\mathrm{\&eta;}-R}{R}\right)-(2R\mathrm{\&eta;}-R)\sqrt{R^2-{(2R\mathrm{\&eta;}-R)}^2}$

式中：总井深H、井眼直径D_h、套管外径D_c、套管内径D_i、节流阀的通径D单位为m；水泥浆密度ρ₁、钻井液密度ρ₃单位为kg/m³；管内注入流量值Q、环空出口返出流量值Q′单位为m³/s；环空流动摩阻系数f、节流阀阀板闭合度η单位为无因次；井底地层漏失压力P_f1、注入压力值P、环空出口压力P′、注入流量Q条件下环空出口应控制的节流压力P₁单位为Pa；环空出口节流阀应保持的流通面积A单位为m²。

图3为本发明所述针对U形管效应的固井压力控制方法的步骤流程示意图。

本发明还提供一种针对U形管效应的固井压力控制系统，用于实时分析井下工况和计算环空出口节流阀的阀板闭合度，如图4所示，其包括如下模块：

数据监测模块，用于实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′，并根据监测值进行判断是否出现U形管效应；

流量调节模块，用于将环空出口流量值Q′缓慢降至管内注入流量值Q；

监测比较模块，用于待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′，如果管内注入流量值Q等于环空出口流量值Q′，则表明U形管效应已得到有效控制，并未出现井漏现象，此时按照管内注入流量值Q正常施工即可；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，则表明经环空节流后井下出现了漏失情况；

分析计算模块，用于对漏失状态下的井底漏失压力P_f1进行计算，并以漏失压力P_f1为目标，反推得到在管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；

控制执行模块，用于根据分析计算得到的节流阀阀板闭合度η调整节流阀，指导节流操作，从而控制固井压力。

其中，如图5所示，所述数据监测模块包括以下子模块：

参数获取子模块，用于获取总井深值H、井眼直径值D_h、套管外径值D_c、套管内径值D_i、水泥浆密度值ρ₁、钻井液密度值ρ₃、环空流动摩阻系数值f、节流阀的通径D、管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力P′。

参数实时监测子模块，用于在实际固井注水泥施工过程中，实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力P′；

分析判断子模块，用于根据监测值进行判断是否出现U形管效应，当P>0,Q＝Q′，表明未产生U形管效应，注水泥作业施工正常，无需控制；当P＝0,Q<Q′，表明井内出现了U形管效应，需要及时控制。

本发明所述为一种针对U形管效应的固井压力控制方法及系统，通过实时监测分析注水泥过程中的进出口流量变化特征和进出口压力变化特征，及时发现U形管效应，并通过一次流量调节进行初级判断，再通过计算得到节流阀阀板闭合度η进行二次流量调节，从而达到预防或减轻井下漏失和保护井壁的目的。

图6为U形管效应下的固井流体循环示意图，下面以下结合图6来解释本发明实施的原理：

某井为直井，总井深H＝3000m、井眼直径D_h＝0.24m、套管外径D_c＝0.1778m、套管内径D_i＝0.157m、水泥浆密度ρ₁＝1800kg/m³、钻井液密度ρ₃＝1200kg/m³、环空流动摩阻系数f＝0.009、节流阀的通径D＝0.15m。

假设t时刻监测的管内注入流量值Q＝0.03m³/s，注入压力值P＝0，环空出口返出流量值Q′＝0.045m³/s，环空出口压力P′＝0，节流阀阀板闭合度η＝0。

经分析发现，注入压力值P＝0，且Q<Q′，表明t时刻正处于U形管效应阶段，井内出现了U形管效应，通过安装在环空出口处的节流阀将出口流量Q′缓慢降至注入流量Q＝0.03m³/s，观察5分钟，流动稳定后监测发现环空出口节流压力P′＝6.6MPa，环空出口流量Q′＝0.02m³/s，小于注入流量Q，表明经环空节流后井下出现了漏失情况。此时计算如下：

①计算井底地层漏失压力：

$\begin{array}{c}{P}_{f1}=F_1(H,{\mathrm{\&rho;}}_3)+F_2(H,Q^{\&prime;},{\mathrm{\&rho;}}_3,f,D_h,D_c)+P^{\&prime;}\\ =9.81\&times;1200\&times;3000+\frac{32\&times;1200\&times;{0.02}^2\&times;0.009\&times;3000}{{3.14}^2\&times;{({0.24}^2-{0.1778}^2)}^2(0.24-0.1778)}+6600000\\ =42917255\mathrm{MPa}\end{array}$

②计算注入流量Q条件下环空出口应控制的节流压力P₁：

$\begin{array}{c}{P}_1=P_{f1}-F_1(H,{\mathrm{\&rho;}}_3)-F_2(H,Q,{\mathrm{\&rho;}}_3,f,D_h,D_c)\\ =42917255-9.81\&times;1200\&times;3000-\frac{32\&times;1200\&times;{0.03}^2\&times;0.009\&times;3000}{{3.14}^2\&times;{({0.24}^2-{0.1778}^2)}^2(0.24-0.1778)}\\ =5348431\mathrm{MPa}\end{array}$

③计算环空出口节流阀应保持的流通面积A：

$A=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^2}{1.62P_1}\&times;{10}^5=\frac{1200\&times;{0.03}^2}{1.62\&times;5348431}\&times;{10}^5=0.01247m^2$

④计算环空出口节流阀阀板应保持的闭合度η：

$R=\frac{D}{2}=\frac{0.15}{2}=0.075m$

由于 $\frac{4A}{{\mathrm{\&pi;D}}^2}=\frac{4\&times;0.01247}{3.14\&times;{0.15}^2}=0.706>0.5,$ 故采用下式计算闭合度η:

$0.01247=3.14\&times;{0.075}^2-{0.075}^2\arccos \left(\frac{0.075-0.15\mathrm{\&eta;}}{0.075}\right)+(0.075-0.15\mathrm{\&eta;})\sqrt{{0.075}^2-{(0.075-0.15\mathrm{\&eta;})}^2}$

计算得环空出口节流阀阀板应保持的闭合度η为0.335。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机储存器、内存、只读存储器、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种针对U形管效应的固井压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′，并根据监测值进行判断是否出现U形管效应；

S2、如果出现U形管效应，则将环空出口流量值Q′缓慢降至管内注入流量值Q；

S3、待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′，如果管内注入流量值Q等于环空出口流量值Q′，表明U形管效应已得到有效控制；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，表明经环空节流后井下出现了漏失情况，进入步骤S4；

S4、计算漏失状态下的井底漏失压力P_f1，以漏失压力P_f1为目标反算管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；

S5、根据分析计算得到的节流阀阀板闭合度η调整节流阀，指导节流操作，从而控制固井压力。

2.根据权利要求1所述针对U形管效应的固井压力控制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括以下子步骤：

S11、获取总井深值H、井眼直径值D_h、套管外径值D_c、套管内径值D_i、水泥浆密度值ρ₁、钻井液密度值ρ₃、环空流动摩阻系数值f、节流阀的通径D、管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力P′；

S12、实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′；

S13、根据各项监测值进行判断是否出现U形管效应，当P>0,Q＝Q′，表明未产生U形管效应，注水泥作业施工正常，无需控制；当P＝0,Q<Q′，表明井内出现了U形管效应，需要及时控制。

3.根据权利要求1所述针对U形管效应的固井压力控制方法，其特征在于，所述井底漏失压力P_f1的具体分析计算方法如下：

计算井底漏失压力：

P_f1＝F₁(H，ρ₃)+F₂(H，Q′,ρ₃,f,D_h,D_c)+P′

上式中：

F₁(H，ρ₃)＝9.81ρ₃H

$F_2(H,Q^{\&prime;},{\mathrm{\&rho;}}_3,f,D_h,D_c)=\frac{32{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^{\&prime;2}fH}{{\mathrm{\&pi;}}^2{({D_h}^2-{D_c}^2)}^2(D_h-D_c)}$

P′从环空出口监测系统直接读取。

4.根据权利要求3所述针对U形管效应的固井压力控制方法，其特征在于，所述节流阀阀板闭合度η的具体分析计算方法如下：

①计算管内注入流量值Q条件下环空出口应控制的节流压力P₁：

P₁＝P_f1-F₁(H，ρ₃)-F₂(H，Q,ρ₃,f,D_h,D_c)

②计算环空出口节流阀应保持的流通面积A：

$A=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^2}{1.62P_1}\&times;{10}^5$

③计算环空出口节流阀阀板应保持的闭合度η：

$R=\frac{D}{2}$

当时采用下式计算闭合度η:

$A={\mathrm{\&pi;R}}^2-R^{2}arccos\left(\frac{R-2R\mathrm{\&eta;}}{R}\right)+(R-2R\mathrm{\&eta;})\sqrt{R^2-{(R-2R\mathrm{\&eta;})}^2}$

当时采用下式计算闭合度η:

$A=R^{2}arccos\left(\frac{2R\mathrm{\&eta;}-R}{R}\right)-(2R\mathrm{\&eta;}-R)\sqrt{R^2-{(2R\mathrm{\&eta;}-R)}^2}$

5.一种针对U形管效应的固井压力控制系统，用于实时分析井下工况和计算环空出口节流阀的阀板闭合度，其特征在于，包括如下模块：

数据监测模块，用于实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力值P′，并根据监测值进行判断是否出现U形管效应

流量调节模块，用于将环空出口流量值Q′缓慢降至管内注入流量值Q；

监测比较模块，用于待流动稳定时监测比较管内注入流量值Q和环空出口流量值Q′，如果管内注入流量值Q等于环空出口流量值Q′，则表明U形管效应已得到有效控制，并未出现井漏现象，此时按照管内注入流量值Q正常施工即可；如果管内注入流量值Q大于环空出口流量值Q′，则表明经环空节流后井下出现了漏失情况；

分析计算模块，用于对漏失状态下的井底漏失压力P_f1进行计算，并以漏失压力P_f1为目标，反推得到在管内注入流量值Q条件下的节流阀阀板闭合度η；

控制执行模块，用于根据分析计算得到的节流阀阀板闭合度η调整节流阀，指导节流操作，从而控制固井压力。

6.根据权利要求5所述针对U形管效应的固井压力控制系统，其特征在于，所述数据监测模块包括以下子模块：

参数获取子模块，用于获取总井深值H、井眼直径值D_h、套管外径值D_c、套管内径值D_i、水泥浆密度值ρ₁、钻井液密度值ρ₃、环空流动摩阻系数值f、节流阀的通径D、管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力P′。

实时监测子模块，用于在实际固井注水泥施工过程中，实时监测管内注入流量值Q、注入压力值P、环空出口流量值Q′、环空出口压力P′；

分析判断子模块，用于根据监测值进行判断是否出现U形管效应，当P>0,Q＝Q′，表明未产生U形管效应，注水泥作业施工正常，无需控制；当P＝0,Q<Q′，表明井内出现了U形管效应，需要及时控制。

7.根据权利要求6所述针对U形管效应的固井压力控制系统，其特征在于，所述井底漏失压力P_f1的计算步骤具体如下：

计算井底漏失压力：

P_f1＝F₁(H，ρ₃)+F₂(H，Q′,ρ₃,f,D_h,D_c)+P′

上式中：

F₁(H，ρ₃)＝9.81ρ₃H

$F_2(H,Q^{\&prime;},{\mathrm{\&rho;}}_3,f,D_h,D_c)=\frac{32{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^{\&prime;2}fH}{{\mathrm{\&pi;}}^2{({D_h}^2-{D_c}^2)}^2(D_h-D_c)}$

P′从环空出口监测系统直接读取。

8.根据权利要求7所述针对U形管效应的固井压力控制系统，其特征在于，所述节流阀阀板闭合度η的计算步骤具体如下：

①计算管内注入流量值Q条件下环空出口应控制的节流压力P₁：

P₁＝P_f1-F₁(H，ρ₃)-F₂(H，Q,ρ₃,f,D_h,D_c)

②计算环空出口节流阀应保持的流通面积A：

$A=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_3{Q}^2}{1.62P_1}\&times;{10}^5$

③计算环空出口节流阀阀板应保持的闭合度η：

$R=\frac{D}{2}$

当时采用下式计算闭合度η:

$A={\mathrm{\&pi;R}}^2-R^{2}arccos\left(\frac{R-2R\mathrm{\&eta;}}{R}\right)+(R-2R\mathrm{\&eta;})\sqrt{R^2-{(R-2R\mathrm{\&eta;})}^2}$

当时采用下式计算闭合度η:

$A=R^{2}arccos\left(\frac{2R\mathrm{\&eta;}-R}{R}\right)-(2R\mathrm{\&eta;}-R)\sqrt{R^2-{(2R\mathrm{\&eta;}-R)}^2}.$