CN111287688B - 水泥浆失重值确定方法、固井后分时段环空憋压候凝方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水泥浆候凝期间失重值确定方法和固井后分时间段环空憋压候凝方法。所述确定方法包括：将封固段顶部至指定井深处井身划分为多个水泥浆液柱段；确定每个水泥浆液柱段对应的井下温度；进行水泥浆失重模拟测试，得到不同井下温度的实验数据；依据实验数据和等比例放大原则，确定水泥浆侯凝期间不同时刻的真实失重值。所述憋压候凝方法包括：根据环空压力欠平衡值，计算候凝期间压稳气层所需环空憋压值；根据候凝期间环空憋压值，进行关井憋压候凝。本发明有益效果包括：预测候凝期间水泥浆压力变化精度高，能解决水泥浆失重后的压力平衡问题，能有效实现候凝过程全程压稳，较好解决固井后短期气窜问题。

Description

水泥浆失重值确定方法、固井后分时段环空憋压候凝方法

技术领域

本发明涉及油气田固井工程技术领域，特别地，涉及一种固井后分时间段环空憋压候凝方法。

背景技术

高压气井通常地质构造复杂，纵向油气水显示多，固井后的环空气窜是亟需解决的棘手难题。研究表明，候凝期间水泥浆水化将导致作用于气层的压力降低，出现水泥浆失重现象，引发压力欠平衡，这是导致固井后早期气窜的原因之一。固井后环空憋压能有效补偿水泥浆失重造成的压力损耗，是解决水泥浆失重的重要手段。但高压气井裸眼段通常纵向上压力体系多，漏溢同存，常规固井后一次性憋压至设计值候凝，可能导致井漏，采用偏低的环空憋压值则无法有效压稳地层。因此，需要改进固井后憋压候凝方法，实现固井候凝期间全程压稳。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种水泥浆候凝期间失重值的确定方法和固井后分时间段环空憋压候凝方法，以解决水泥浆失重后的压力平衡问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种固井后分时间段环空憋压候凝方法。所述方法可包括以下步骤：将封固段顶部至指定井深处的井身划分为n个水泥浆液柱段，且从上至下为第1至第n个，指定井深处位于封固段顶部之下；确定每个水泥浆液柱段所对应的井下温度，其中，第n个水泥浆液柱段所对应的井下温度为指定井深处的井下温度；进行固井环空水泥浆失重模拟测试，得到分别对应不同井下温度的n组实验数据，每组实验数据都包括了对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，其中，实验时间用于模拟候凝期间的时刻且两者相同；依据所述得到的实验数据，并基于等比例放大原则，确定水泥浆在指定井深处的Δp(t)，Δp(t)为侯凝期间不同时刻的真实失重值；依据Δp(t)和对应指定井深处的初始过平衡压力，确定水泥浆在指定井深处的Δp^*(t)，Δp^*(t)为候凝期间不同时刻压稳气层所需环空憋压值；根据Δp^*(t)，进行关井憋压候凝。

根据本发明的固井后分时间段环空憋压候凝方法的一个示例性实施例，可利用式1确定Δp(t)，其中，

式1为：

其中，g为重力加速度，t为侯凝期间的时刻，i为整数且1≤i≤n，ρ_i为第i个水泥浆液柱段中水泥浆密度，L_i为第i个水泥浆液柱段的长度，Y_i(t)为第i组实验数据所包括的对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，l_i为所述模拟测试中对应第i组实验数据的水泥浆柱有效长度。

根据本发明的固井后分时间段环空憋压候凝方法的一个示例性实施例，可利用式2确定Δp^*(t)，其中，

式2为：Δp^*(t)＝max([0,Δp(t)-p₀])，

其中，t为候凝时间的时刻，p₀为对应指定井深处的初始过平衡压力。

根据本发明的固井后分时间段环空憋压候凝方法的一个示例性实施例，水泥浆在所述指定井深处初凝后，所述环空憋压值可保持不变。

根据本发明的固井后分时间段环空憋压候凝方法的一个示例性实施例，关井憋压候凝时间可大于全井水泥浆终凝时间。

本发明另一方面提供了一种水泥浆候凝期间失重值的确定方法。所述方法可包括以下步骤：将封固段顶部至指定井深处的井身划分为n个水泥浆液柱段，且从上至下为第1至第n个，指定井深处位于封固段顶部之下；确定每个水泥浆液柱段所对应的井下温度，其中，第n个水泥浆液柱段所对应的井下温度为指定井深处的井下温度；进行固井环空水泥浆失重模拟测试，得到分别对应不同井下温度的n组实验数据，每组实验数据都包括了对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，其中，实验时间用于模拟候凝期间的时刻且两者相同；依据所述得到的实验数据，并基于等比例放大原则，确定水泥浆在指定井深处的侯凝期间不同时刻的真实失重值。

根据本发明的水泥浆候凝期间失重值的确定方法的一个或多个示例性实施例，可利用式1确定侯凝期间不同时刻的真实失重值，其中，

式1为：

其中，Δp(t)为侯凝期间不同时刻的真实失重值，g为重力加速度，t为侯凝期间的时刻，i为整数且1≤i≤n，ρ_i为第i个水泥浆液柱段中水泥浆的密度，L_i为第i个水泥浆液柱段的长度，Y_i(t)为第i组实验数据所包括的对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，l_i为所述模拟测试中对应第i组实验数据的水泥浆柱有效长度。

根据本发明的水泥浆候凝期间失重值的确定方法的一个或多个示例性实施例，可利用固井环空水泥浆失重测试装置进行所述模拟测试。

根据本发明的水泥浆候凝期间失重值的确定方法的一个或多个示例性实施例，所述l_i可以为0.4～10m。

根据本发明的水泥浆候凝期间失重值的确定方法的一个或多个示例性实施例，所述指定井深处可以为井底，或者可位于井底之上。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：本发明预测候凝期间水泥浆压力变化与室内实测值对比，精度达到90％以上。本发明通过分阶段环空补压，能够解决水泥浆失重后的压力平衡问题，避免一次性憋压候凝造成的憋压值过高压漏地层，能够有效实现候凝过程全程压稳，较好地解决固井后短期气窜问题。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明示例中150℃温度下水泥浆失重实验结果曲线示意图；

图2示出了本发明示例中120℃温度下水泥浆失重实验结果曲线示意图；

图3示出了本发明示例中90℃温度下水泥浆失重实验结果曲线示意图；

图4示出了本发明示例中水泥浆失重压力的一个示意图；

图5示出了本发明示例中环空憋压候凝曲线的一个示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的水泥浆候凝期间失重值的确定方法、固井后分时间段环空憋压候凝方法。

本发明一方面提供了一种水泥浆候凝期间失重值的确定方法。

在本发明水泥浆候凝期间失重值的确定方法的一个示例性实施例中，所述水泥浆候凝期间失重值的确定方法可包括以下步骤：

S10：将封固段顶部至指定井深处的井身划分为n个水泥浆液柱段，并确定且每个水泥浆液柱段所对应的井下温度。其中，指定井深处位于封固段顶部之下，指定井深处还可位于井底之上或井底。从封固段顶部至井底方向，为第1至第n个水泥浆液柱段，n≥2。第n个水泥浆液柱段底部与指定井深处为同一位置，第n个水泥浆液柱段所对应的井下温度为指定井深处的井下温度。

S20：针对上述的n个井下温度，进行固井环空水泥浆失重模拟测试，得到多组实验数据，实验数据的组数与井下温度的个数相同并能够一一对应，换而言之，实验数据的组数与水泥浆液柱段的数量相同并能够一一对应。其中，每组实验数据都包括了多个实验数据对，每个实验数据对都包括呈对应关系的实验时间和水泥浆液柱压力。其中，实验时间用于模拟候凝期间的时刻且两者相同。水泥浆液柱压力为模拟测试的水泥浆液柱底部压力。

S30：依据所述得到的实验数据，并基于等比例放大原则，确定水泥浆在指定井深处的Δp(t)，Δp(t)为侯凝期间不同时刻的真实失重值。

其中，式1可为：

其中，g为重力加速度，t为侯凝期间的时刻，i为整数且1≤i≤n，ρ_i为第i个水泥浆液柱段(即井下第i个水泥浆液柱段)中水泥浆密度，L_i为第i个水泥浆液柱段(即井下第i个水泥浆液柱段)的长度，Y_i(t)为第i组实验数据所包括的对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，l_i为所述模拟测试中对应第i组实验数据(或对应不同井下温度)的水泥浆柱有效长度。

在本实施例中，所述确定每个水泥浆液柱段所对应的井下温度的步骤可包括：根据地温梯度(区块经验值)或测井得到的井温数据(通过电缆或钻杆下入带有井温测试的仪器)估算不同井深处的井温(即每个水泥浆液柱段所对应的井下温度)。

在本实施例中，l_i可以为0.4～10m，例如1m、2m、3m、4m、6m、8m等。若超过10m后，实验操作几乎无法开展，若短于0.4m后，失重结果受失重筒顶部所加围压影响太明显，误差太大。

进一步地，l_i可以为一常数，即对应每个井下温度的水泥浆柱的有效长度都相同。

在本实施例中，为了精准计算，式1中的g可以为第i个水泥浆液柱段中水泥浆所受到的重力加速度。

当然，为了方便计算，也可以认为每个水泥浆液柱段中水泥浆所受到的重力加速度相同，例如都可取值为9.81。

在本实施例中，所述每个水泥浆液柱段所对应的井下温度可包括：每个水泥浆液柱段底部所对应的井下温度。

在本发明水泥浆候凝期间失重值的确定方法的另一个示例性实施例中，所述确定方法可包括以下步骤：

利用固井环空水泥浆失重测试装置，分别测试水泥浆在井底至封固段顶部不同井下温度下高温高压失重曲线(例如在井底温度、封固段中部温度、封固段顶部温度条件下高温高压失重曲线)，得到不同时刻水泥浆失重实验数据组，实验数据组的数量与井下温度的数量相同并能够一一对应，井下温度的数量为n。实验数据组可以包括k个实验数据对，每个实验数据对可由实验时间和水泥浆液柱压力组成，k个实验数据对分别表示为M₁＝[T₁,Y₁]、M₂＝[T₂,Y₂]、……、M_k＝[T_k,Y_k]，其中，T₁～T_k为实验时间，Y₁～Y_k为水泥浆液柱压力。其中，一个井下温度对应了一个井深，一个井深同样对应一个实验数据组。

基于等比例放大原则，依据实验数据，推算井下条件不同时刻水泥浆真实失重值。其中，可以依据划分的指定井深，将井下水泥浆分成n段，按照水泥浆实际长度与室内实验水泥浆长度比例，可将实验数据中的水泥浆液柱压力进行等比例放大，得到井下条件不同时刻水泥浆液柱压力，进而可以求得水泥浆失重压力。其中，可以利用上一个示例性实施例中的式1来计算水泥浆失重压力。

本发明另一方面也提供了一种固井后分时间段环空憋压候凝方法。

在本发明的固井后分时间段环空憋压候凝方法的一个示例性实施例中，所述固井后分时间段环空憋压候凝方法可以包括以下步骤：

按照上述水泥浆候凝期间失重值的确定方法，确定水泥浆在指定井深处的Δp(t)。

依据水泥浆失重后指定井深处环空压力欠平衡值，计算候凝期间不同时刻压稳气层所需环空憋压值：

Δp^*(t)＝max([0，Δp(t)-p₀])，

其中，Δp^*表示环空憋压值，t表示候凝时间，Δp表示水泥浆失重值，p₀表示初始过平衡压力，即候凝初始时刻作用于气层的静液压与气层压力的差值。

其中，水泥浆侯凝初期不发生失重时，水泥浆液柱压力高于地层压力的数值称之为初始过平衡压力。水泥浆失重后，随着水泥浆液柱压力下降至地层压力之下，液柱压力低于地层压力的数值，称之为欠平衡压力。

固井施工结束时，依据上述与时间变量有关的环空憋压值，关井分时间段控套压候凝，例如每2小时补压一次。气层位置水泥浆初凝后环空憋压值应保持不变，不应继续增加。关井憋压候凝时间应大于全井水泥浆终凝时间。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

川渝油气田某构造气井，三开采用φ241.3mm钻头7000m中完，下入φ177.8mm尾管悬挂固井，封固3800～7000m井段，平均井径250mm。主要气层位于5000m，气层当量密度1.91g/cm³。该井钻井液密度1.92g/cm³，水泥浆密度2.0g/cm³。固井后使用分时间段憋压候凝方法。

利用固井环空水泥浆失重测试装置，分别测试水泥浆在井底温度150℃、中部温度120℃、顶部温度90℃条件下失重曲线(如说明书附图1、图2、图3所示，图中的虚线表示温度曲线，实线表示水泥浆液柱压力)，得到由实验时间和水泥浆液柱压力组成的实验数据(如表1所示，其中，表1示出了部分实验时间对应的液柱压力)。水泥浆实验结束时，如图1所示，150℃温度下水泥浆初凝时(704.3min)液柱压力降为11.96kPa；如图2所示，120℃温度下水泥浆初凝时(1008.7min)液柱压力降为12.03kPa；如图3所示，90℃温度下水泥浆初凝时(1622.2min)液柱压力降为11.49kPa。

表1水泥浆失重测试实验数据

基于等比例放大原则，依据实验数据，利用上述式(1)推算井下条件不同时刻水泥浆真实失重值。

井深3800m处井温90℃，井深5000m处井温120℃。井深5000m处水泥浆失重曲线如说明书附图4所示。在井径250mm，套管外径177.8mm条件下，5000m处水泥浆初凝时对应的最大失重压力为6.99MPa；顶部水泥浆初凝时刻5000m处水泥浆应的最大失重压力为10.32MPa。

根据上述式(2)计算候凝期间压稳气层所需环空最小憋压值如图5所示。5000m气层处初始过平衡压力为1.17MPa，侯凝至200min，水泥浆失重后欠平衡压力值为1.3MPa，考虑设备精度问题和压力传递损耗，憋压值不低于2MPa。同理侯凝至300min和400min时，欠平衡压力值分别为4.8MPa和6.7MPa，憋压值不低于5MPa和7MPa。侯凝400min后，5000m处水泥浆已经初凝，气窜风险较小，可继续控制憋压值不低于7MPa，例如7MPa，直至全井水泥浆终凝，可泄压开井，进行下步作业。

综上所述，本发明的水泥浆候凝期间失重值的确定方法和固井后分时间段环空憋压候凝方法的优点可包括：。

(1)本发明建立的水泥浆失重压力方程是基于水泥浆高温高压失重，预测候凝期间水泥浆压力变化与室内实测值对比，精度可达到90％以上。而国内水泥浆失重压力预测方法，按照水泥浆失重至清水，或依据古典剪切应力(20世纪初土力学基础公式)计算水泥浆静胶凝强度达到48Pa时对应的压力损耗，只能预测水泥浆最大失重压力值，对于稳定性较好的水泥浆体系，预测值误差超过30％。

(2)本发明提出了分时间段憋压候凝方法，通过分阶段环空补压，能够解决水泥浆失重后的压力平衡问题，可以避免一次性憋压候凝造成的憋压值过高压漏地层。

(3)本发明通过分时间段连续环空补压，能够有效实现候凝过程全程压稳，较好地解决固井后短期气窜问题。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (3)

1.一种固井后分时间段环空憋压候凝方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将封固段顶部至指定井深处的井身划分为n个水泥浆液柱段，且从上至下为第1至第n个，指定井深处位于封固段顶部之下；

确定每个水泥浆液柱段所对应的井下温度，其中，第n个水泥浆液柱段所对应的井下温度为指定井深处的井下温度；

进行固井环空水泥浆失重模拟测试，得到分别对应不同井下温度的n组实验数据，每组实验数据都包括了对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，其中，实验时间用于模拟候凝期间的时刻且两者相同；

依据所述得到的实验数据，并基于等比例放大原则，确定水泥浆在指定井深处的

(t)，

(t)为侯凝期间不同时刻的真实失重值；

依据

(t)和对应指定井深处的初始过平衡压力，确定水泥浆在指定井深处的

(t)，

(t)为候凝期间不同时刻压稳气层所需环空憋压值；

根据

(t)，进行关井分时间段憋压候凝；

利用式1确定(t)，其中，

式1为：

，

其中，g为重力加速度，t为侯凝期间的时刻，i为整数且1≤i≤n，

为第i个水泥浆液柱段中水泥浆密度，

为第i个水泥浆液柱段的长度，

为第i组实验数据所包括的对应不同实验时间的水泥浆液柱压力数据，

为所述模拟测试中对应第i组实验数据的水泥浆柱有效长度；

利用式2确定

，其中，

式2为：

，

其中，t为候凝期间的时刻，

为对应指定井深处的初始过平衡压力。

2.根据权利要求1所述的固井后分时间段环空憋压候凝方法，其特征在于，水泥浆在所述指定井深处初凝后，所述环空憋压值保持不变。

3.根据权利要求1所述的固井后分时间段环空憋压候凝方法，其特征在于，关井憋压候凝时间大于全井水泥浆终凝时间。

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