CN106437609B - 一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，依次包括以下步骤：步骤A：通井并计算通井循环时的环空总循环压耗，将其作为地层承压能力；步骤B：根据地层承压能力计算套管或尾管下入速度，然后下入套管串或尾管串；步骤C：根据地层承压能力计算下套管或尾管后的钻井液循环排量，然后循环钻井液；步骤D：计算注水泥作业的塞流临界排量；步骤E：计算注水泥作业的安全临界排量；步骤F：根据注水泥作业的塞流临界排量和安全临界排量，确定实际作业排量，进行塞流注水泥作业，依次注入隔离液、水泥浆和替浆液。本发明可为深井超深井塞流固井提供指导，确保超深井固井作业成功和提高固井质量。

Description

一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发过程中一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法。

背景技术

连续完整且性能优异的水泥环是高温高压超深井井筒长期密封能力的关键，固井质量直接决定和影响水泥环的完整性。但随着勘探开发不断向深部地层迈进，实际作业地质条件复杂，固井作业常面临严重漏失问题，导致水泥浆难以一次上返充满环空，漏失发生后只能采取反挤补救措施，固井质量差，水泥环不连续。为降低固井过程中漏失，降低作业排量是有效措施。但大多按经验做法，降低排量致使水泥浆处于层流流态。同时，在深井超深井中，井身结构设计要求使用非标尺寸套管，无配套扶正器，套管偏心严重，层流流态下偏心窄环空顶替效率低。在塞流(流体力学定义雷诺数≤100的流体流态为塞流)流态下流速剖面平缓，顶替界面横截面上各点的运动速度相同，运动方向沿垂直于顶替界面的方向，顶替流体如同“塞子”一样推动被顶替流体，顶替液与被顶替液不容易掺混，有利于提高顶替效率。同时，处于塞流流态下的流体流速低，能有效降低窄密度窗口地层的漏失风险。但塞流固井作业时间长，工作液性能要求高，超深井固井中鲜有采用全过程塞流顶替设计。

漏失井塞流固井设计关键在地层承压能力计算(获取)、套管或尾管下入速度、下套管或尾管后的钻井液循环排量和塞流注水泥排量设计，既需要防止固井作业中漏失的发生，又需要保证低速顶替下的顶替效率。目前，大多数塞流固井设计以塞流排量设计为主，下套管速度和钻井液循环排量设计均按照钻井阶段钻铤处的环空返速作为参考依据采用经验公式计算，未结合地层实际承压能力计算，从而导致在固井前就发生漏失，给后续固井作业造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，该方法可为深井超深井塞流固井提供指导，确保超深井固井作业成功和提高固井质量。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明根据地层承压测试或钻井参数确定地层承压能力，然后计算完钻后套管或尾管下入速度、下套管或尾管后的钻井液循环排量，控制环空循环压耗不超过地层承压能力，并按满足塞流流态要求的水泥浆雷诺数，计算注水泥作业排量，根据注水泥排量设计水泥浆稠化时间。

一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，依次包括以下步骤：

步骤A：通井并计算通井循环时的环空总循环压耗，将其作为地层承压能力。

进行通井(通井是指完钻后下套管前，采用钻具进行起下钻作业，并间断循环钻井液，确保井眼通畅，从而方便测井、下套管等作业)，根据通井循环排量(如果钻井阶段发生漏失则选取漏失排量)以及钻具组合和井身结构，采用“范宁-达西”公式(钻井手册编写组.钻井手册(第二版)[M].北京:石油工业出版社，2013，388)计算钻井循环压耗：

式中v_i在钻井液循环时满足如下关系(钻井手册编写组.钻井手册(第二版)[M].北京:石油工业出版社，2013，390)：

式(2)带入式(1)可得通井循环时的环空总循环压耗P_f，将其作为地层承压能力：

式中：P_f——环空总循环压耗，单位为MPa；

P_ci——分段环空循环压耗，单位为MPa；

s——环空分段总数，无因次；

i——第i段，i＝1,2,3……s，无因次；

v_i——钻井液在环空的上返速度，单位为m/s；

Q_d——钻井阶段发生漏失时的漏失排量或通井循环排量，单位为L/s；

D_hi——环空内径，单位为mm；

D_ci——下入钻杆或套管外径，单位为mm；

ρ_m——钻井液密度，单位为g/cm³；

f_i——摩阻系数，无因次，钻井液摩阻系数计算采用宾汉模式；

L_i——环空长度，单位为m。

在允许进行地层承压试验条件下，可根据承压试验直接获得地层承压能力。地层承压实验做法通常为：上提钻头至上层套管鞋以上，关闭与钻具配套的防喷器闸板。缓慢开泵以较低的排量向井内泵入钻井液，记录泵压。试验压力以达到注水泥期间的最高当量循环密度或预期设计压力为原则。

步骤B：根据地层承压能力计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装有单流阀，阻止环空流体进入套管，因此将套管串或尾管串可视为下端封闭的管串。

尾管串是指不延伸至井口的套管串，采用钻柱送入井内，套管串连接悬挂器，悬挂于上层套管内。

套管串或尾管串下入时，钻井液在各段环空的上返速度满足式(4)的关系(陈平等，钻井与完井工程[M].北京:石油工业出版社，2005，204)：

控制套(尾)管串下入速度，使钻井液在环空上返产生的压耗不超过步骤A计算得到的地层承压能力。将式(4)带入式(1)，得到套管或尾管最大下入速度v_cm，即套管或尾管安全下入速度：

实际作业时考虑附加安全系数a，则按下式计算套管或尾管实际下入速度v_c：

式中：v_cm——套管或尾管安全下入速度，单位为m/s；

v_c——套管或尾管实际下入速度，单位为m/s；

a——附加安全系数，0<a<1，无因次；

K_c——黏附系数，K_c＝0.4～0.5，无因次。

步骤C：根据地层承压能力计算下套管或尾管后的钻井液循环排量，然后循环钻井液。

套管或尾管下到井底后，循环钻井液，使得钻井液性能均匀。控制钻井液循环排量，使其环空循环压耗不超过步骤A计算得到的地层承压能力。对于尾管串，需考虑尾管悬挂器处产生的附加局部阻力P_t(尾管悬挂固井时悬挂器节流压力)，则式(3)变换为：

将式(7)进行变换即可得到式(8)，从而计算出下套管或尾管后的钻井液循环排量Q_cm：

如果仅下入套管，P_t为0。

式中：Q_cm——下套管或尾管后的钻井液循环排量，单位为L/s；

P_t——尾管悬挂器处产生的附加局部阻力，单位为MPa。

步骤D：计算注水泥作业的塞流临界排量。

采用旋转粘度计测试水泥浆流变参数，并确定水泥浆流变模式(常用水泥浆的流变模式为宾汉模式、幂律模式、卡森模式，一般情况下水泥浆选取幂律模式)，幂律流体环空临界返速满足式(9)关系(陈平等，钻井与完井工程[M].北京:石油工业出版社，2005，343)：

式中：v_pm——水泥浆在环空的临界返速，单位为m/s；

n——水泥浆流性指数，无因次；

k——水泥浆稠度系数，Pa·sⁿ；

ρ_c——水泥浆密度，单位为g/cm³；

Re——环空水泥浆雷诺数，无因次。

将式(9)带入式(1)，塞流流态判别条件为流体雷诺数Re≤100，式(9)中Re取100，计算水泥浆在各段环空中的塞流临界排量，选取各段环空中最小的排量作为注水泥作业的塞流临界排量Q_pm：

步骤E：计算注水泥作业的安全临界排量。

在漏失井中，满足塞流流态的临界排量可能仍然会造成漏失，还需计算安全注替排量。注水泥作业结束，水泥浆顶替到位时刻，水泥浆和隔离液密度大于钻井液，环空静液柱压力高于钻井阶段静液柱压力。按式(11)计算静液柱压力变化值：

ΔP_h＝0.00931[L_c(ρ_c-ρ_m)+L_s(ρ_s-ρ_m)] (11)

式中：ΔP_h——固井顶替到位后由隔离液、水泥浆引起的环空静液柱压力变化值，单位为MPa；

ρ_m——钻井液密度，单位为g/cm³；

ρ_c——水泥浆密度，单位为g/cm³；

ρ_s——隔离液密度，单位为g/cm³；

L_c——水泥浆占环空高度，单位为m；

L_s——隔离液占环空高度，单位为m。

水泥浆顶替到位时刻，环空压力最高。环空循环压耗、尾管悬挂器处产生的附加局部阻力和静液柱压力增加值不超过地层承压能力，则式(3)变换为下式：

从而得到注水泥作业的安全临界排量Q_sm：

式中：ρ_i——顶替到位时，第i段环空中流体(流体为钻井液、隔离液或水泥浆)的密度，单位为g/cm³。

步骤F：根据注水泥作业的塞流临界排量Q_pm和安全临界排量Q_sm，确定实际作业排量Q_p，进行塞流注水泥作业，依次注入隔离液、水泥浆和替浆液。实际作业排量Q_p通过下式确定：

进一步地，根据计算得到的实际作业排量，结合注替浆量，设计水泥浆稠化时间，并采用缓凝剂调节水泥浆稠化时间。

进一步地，所述缓凝剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(APMS)、衣康酸(IA)与马来酸酐(MA)的共聚物，与水泥及其他外加剂配伍性良好，加量为水泥灰样重量的1～7％。

本发明提供的全过程塞流防漏固井设计方法，在地层承压试验无法实施时，根据钻井参数计算得到地层承压能力，结合固井套管串或尾管串结构、井身结构及钻井液、水泥浆流变参数，计算套管或尾管安全下入速度、下套管或尾管后的钻井液循环排量和塞流注水泥排量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)以控制注替过程中环空循环压耗为设计依据，进行套管或尾管安全下入速度、钻井液循环排量和塞流注水泥排量设计，能有效降低漏失风险，保证固井作业成功；

(2)以水泥浆雷诺数作为注水泥排量设计依据，保证在低排量条件下的顶替效率和固井质量。

具体实施方法

下面结合实施例详细描述本发明的实施方式。

以某气井206.38mm尾管固井为例，进行塞流固井施工参数计算：

A、根据通井期间循环排量16L/s，计算得到地层承压能力7.45MPa；

B、根据步骤A计算的承压能力、钻井液性能及尾管串结构等，计算得到尾管串下放速度最大不超过0.195m/s，按计算速度下入尾管串；

C、下完套管后，根据步骤A计算的承压能力、钻井液性能、环空尺寸等，计算得到循环排量14L/s，按计算排量循环钻井液；

D、计算水泥浆在各段环空的塞流临界排量分别为6.7L/s、6,3L/s和6.1L/s，临界排量取最小值，6.1L/s；

E、计算顶替到位后环空静液柱压力增加值为0.5MPa，计算安全注替临界排量为8.2L/s；

F、根据步骤D和步骤E，得到实际塞流注替排量≤6.1L/s。

采用fluent软件，模拟了A、B、C、D共4口井尾管悬挂固井在塞流排量和常规排量下的顶替效率，并对比了塞流固井排量和常规固井排量注替时的环空压耗，结果如表1所示。

表1顶替效率模拟和环空压耗计算结果

从表1中可以看出，采用本发明提供的塞流固井设计方法，能有效提高固井顶替效率，并降低固井漏失风险，保证超深易漏失井固井作业成功和固井质量。

表2为实例1、实例3、实例5和实例7现场固井声幅测井结果。通过测定声波传播过程中幅度的衰减评价固井质量。固井质量良好时，声波衰减大，声幅值小；反之声波衰减小，声幅值大。声幅值≤10％为优秀，声幅值≤30％为合格，根据固井井段测井声幅结果，统计声幅值≤10％所占百分比作为优质率，声幅值≤30％所占百分比作为优质率。

表2现场固井声幅测井结果

	优质率	合格率
			实例1	32.40％	93.25％
实例3	49.53％	89.65％
			实例5	77.02％	84.20％
实例7	38.55％	97.98％

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，也可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，依次包括以下步骤：

步骤A：通井，根据通井循环排量(如果钻井阶段发生漏失则选取漏失排量)，得到通井循环时的环空总循环压耗P_f，将其作为地层承压能力：

$P_f=\underset{i=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}\frac{32{\mathrm{\&rho;}}_m{f}_i{L}_i{Q}_d^2}{{\mathrm{\&pi;}}^2{(D_{hi}-D_{ci})}^3{(D_{hi}+D_{ci})}^2}$

式中P_f——环空总循环压耗，单位为MPa，

s——环空分段总数，无因次，

i——第i段，i＝1,2,3……s，无因次，

Q_d——通井循环排量或钻井阶段发生漏失时的漏失排量，单位为L/s，

D_hi——环空内径，单位为mm，

D_ci——下入钻杆或套管外径，单位为mm，

ρ_m——钻井液密度，单位为g/cm³，

f_i——摩阻系数，无因次，

L_i——环空长度，单位为m；

步骤B：根据地层承压能力计算套管或尾管下入速度，使钻井液在环空上返产生的压耗不超过地层承压能力，然后下入套管串或尾管串：

$v_c={\mathrm{av}}_{cm}={\mathrm{aP}}_f^{0.5}{\left(\underset{i=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}\frac{2{\mathrm{\&rho;}}_m{f}_i{L}_i{(K_c+\frac{D_{ci}^2}{D_{hi}^2-D_{ci}^2})}^2}{D_{hi}-D_{ci}}\right)}^{-0.5}$

式中v_cm——套管或尾管安全下入速度，单位为m/s，

v_c——套管或尾管实际下入速度，单位为m/s，

a——附加安全系数，0<a<1，无因次，

K_c——黏附系数，K_c＝0.4～0.5，无因次；

步骤C：根据地层承压能力计算下套管或尾管后的钻井液循环排量，然后循环钻井液：

$Q_{cm}={(P_f-P_t)}^{0.5}{\left(\underset{i=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}\frac{32{\mathrm{\&rho;}}_m{f}_i{L}_i}{{\mathrm{\&pi;}}^2{(D_{hi}-D_{ci})}^3{(D_{hi}+D_{ci})}^2}\right)}^{-0.5}$

式中Q_cm——下套管或尾管后的钻井液循环排量，单位为L/s，

P_t——尾管悬挂器处产生的附加局部阻力，单位为MPa；

步骤D：计算注水泥作业的塞流临界排量，确定水泥浆流变模式为幂律模式，通过

下式确定注水泥作业的塞流临界排量Q_pm：

$Q_{pm}=\min imun\left\{\frac{\mathrm{\&pi;}(D_{hi}^2-D_{ci}^2)}{4000}{\left\{\frac{{12}^{n-1}{\&lsqb;(2n+1)/\left(3n\right)\&rsqb;}^{n}100k}{{\mathrm{\&rho;}}_c{(D_{hi}-D_{ci})}^n}\right\}}^{\&lsqb;1/(2-n)\&rsqb;}\right\}$

式中n——水泥浆流性指数，无因次，

k——水泥浆稠度系数，Pa·sⁿ，

ρ_c——水泥浆密度，单位为g/cm³；

步骤E：计算注水泥作业的安全临界排量，水泥浆顶替到位时刻，环空循环压耗、尾管悬挂器处产生的附加局部阻力和静液柱压力增加值不超过地层承压能力，通过下式确定注水泥作业的安全临界排量Q_sm：

$Q_{sm}={(P_f-P_t-{\mathrm{\&Delta;P}}_h)}^{0.5}{\left(\underset{i=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}\frac{32{\mathrm{\&rho;}}_i{f}_i{L}_i}{{\mathrm{\&pi;}}^2{(D_{hi}-D_{ci})}^3{(D_{hi}+D_{ci})}^2}\right)}^{-0.5}$

式中ΔP_h——固井顶替到位后由隔离液、水泥浆引起的环空静液柱压力变化值，单位为MPa，

ρ_i——顶替到位时，第i段环空中流体的密度，单位为g/cm³；

步骤F：根据注水泥作业的塞流临界排量Q_pm和安全临界排量Q_sm，确定实际作业排量Q_p，进行塞流注水泥作业，依次注入隔离液、水泥浆和替浆液，实际作业排量Q_p通过下式确定：

$Q_p=\left\{\begin{array}{cc}{Q}_{pm},& Q_{pm}<Q_{sm}\\ Q_{sm},& Q_{pm}>Q_{sm}\end{array}\right..$

2.如权利要求1所述的一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，其特征在于，所述步骤A中，地层承压能力在允许进行地层承压试验条件下，可根据承压试验直接获得。

3.如权利要求1所述的一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，其特征在于，所述步骤C中，如果仅下入套管，P_t为0。

4.如权利要求1所述的一种高温高压超深井全过程塞流防漏固井设计方法，其特征在于，所述步骤F中，根据计算得到的实际作业排量，结合注替浆量，设计水泥浆稠化时间，并采用缓凝剂调节水泥浆稠化时间。