CN112417778A - 基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法及系统，该方法包括如下步骤：根据作业井的基础数据和固井数据，模拟井筒水泥浆的水化反应，根据模拟实时计算固井过程中的井底压力，调节所述节流管汇的开度以控制井口回压，从而使地层孔隙压力<井底压力<地层破裂压力。该系统，包括存有预设程序的计算机可读介质，该预设程序被执行时能够实现以上方法。本发明所述的方法和系统，可以通过对固井过程中水泥浆体系物理或化学反应过程的模拟，实时计算出井底压力，通过调节节流管汇控制井口回压，从而使得井底压力始终维持在地层安全作业窗口范围内，从而防止井涌、气窜、漏失等复杂事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及油气井开发技术领域，尤其涉及一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法及系统。
背景技术
伴随世界能源不断地枯竭，全球新发现油气藏不断向深层、深水发展。深层、深水油气藏带来的不仅是丰富的油气资源，同时伴随而来的是越来越复杂的地质条件。针对深层油气井固井过程中，复杂油气藏窄安全密度窗口等难题会导致固井过程中井涌、井漏、气窜现象频发，严重威胁井筒的完整性。
传统固井技术通常采用高密度水泥浆平衡地层压力来防止气窜的发生，然而窄安全密度窗口条件下，过重的水泥浆容易压裂地层诱发漏失事故。固井过程中井筒内水泥浆体系存在复杂的物理化学反应，水泥浆水化失重等现象也会诱发固井气窜事故的发生。此外，固井工艺流程复杂，包括循环洗井、下套管、注水泥、侯凝等多种工况，导致固井过程井筒压力多变，更容易诱发井涌、井漏、气窜等事故的发生。因此，传统的固井技术已经难以满足深层复杂地层条件安全高效固井的要求。
发明内容
本发明针对现有技术存的问题，提出一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法及系统，可以通过对固井过程中水泥浆体系物理或化学反应过程的模拟，实时计算出井底压力，通过调节节流管汇控制井口回压，从而控使得井底压力始终维持在地层安全作业窗口范围内，从而防止井涌、气窜、漏失等复杂事故的发生，弥补了传统固井技术的不足。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，包括如下步骤：根据作业井的基础数据和固井数据，模拟井筒水泥浆的反应，根据模拟实时计算固井过程中的井底压力，调节所述节流管汇的开度以控制井口压力，从而使地层孔隙压力<井底压力<地层破裂压力。
作为本发明的进一步优化，还包括如下步骤：若为洗井作业，则模拟洗井液动态流动过程，并计算井底压力
其中，pb为井底压力；pa为井口回压，ρ为井筒流体密度，h为井筒长度，f为环空摩阻系数，v为环空钻井液流速，dw为井眼直径，dco为套管外径。
作为本发明的进一步优化，还包括如下步骤：若为下套管作业，则模拟套管下放过程中的井筒压力分布，并计算套管下放过程中的当量流速
其中，
为环空当量流速；vc下套管速度；Kc为钻井液的粘附系数。
作为本发明的进一步优化，还包括如下步骤：若为注水泥作业时，则模拟井筒内浆柱液面的流动过程，并计算井底压力
其中，n为注入流体种类。
作为本发明的进一步优化，还包括如下步骤：若为侯凝作业，则根据水泥浆数据模拟井筒内水泥浆凝固过程，并计算井底压力
其中，hi为第i种水泥浆长度；αi为第i种水泥浆水化度；α500为水泥浆强度达到预设强度时的水泥浆水化度。
作为本发明的进一步优化，若节流管汇开到预设最小开度时井底压力小于地层孔隙压力，则开启回压泵以使井口压力增大，从而使井底压力大于地层孔隙压力。
一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统，包括节流管汇，与所述节流管汇连接的回压泵，分别与所述节流管汇和所述回压泵电性连接的处理器，以及与所述处理器连接的计算机可读介质，所述计算机可读介质中存有预设程序，该预设程序被所述处理器执行时能够实现如上任一项中所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，通过模拟固井过程中水泥浆体系物理或化学反应过程，实时计算出井底压力，通过调节节流管汇控制井口回压，从而使得井底压力始终维持在地层安全作业窗口范围内，从而防止井涌、气窜、漏失等复杂事故的发生，弥补了传统固井技术的不足。
本发明所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统，可以根据模拟和实时计算自动控制节流管汇和回压泵，从而有效的保证了固井过程的安全可靠，防止井涌、气窜、漏失等复杂事故的发生，弥补了传统固井技术的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统洗井作业示意图；
图2为本发明基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统下套管作业示意图；
图3为本发明基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统注水泥作业示意图；
图4为本发明基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统侯凝作业示意图。
图中：1、钻架；2、旋转控制头；3、防喷器；4、井筒；5、钻井液泵；6、钻井液罐；7、水泥浆泵；8、水泥罐；9、回压泵；10、节流管汇；11、处理器；12、流量计；13、气液分离罐；14、泥浆池；15、钻杆；16、钻头；17、套管；18、套管头；19、水泥浆；20、井壁支撑剂；21、分支井眼；22、计算机可读介质。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参考图1-2，本发明提出一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，包括如下步骤：根据作业井的基础数据和固井数据，模拟井筒水泥浆的反应，根据模拟实时计算固井过程中的井底压力，调节所述节流管汇的开度以控制井口压力，从而使地层孔隙压力<井底压力<地层破裂压力。
本发明所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，通过模拟固井过程中水泥浆体系物理或化学反应过程，实时计算出井底压力，通过调节节流管汇控制井口回压，从而使得井底压力始终维持在地层安全作业窗口范围内，从而防止井涌、气窜、漏失等复杂事故的发生，弥补了传统固井技术的不足。
本实施例中的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法具体包括如下步骤：
判断当前的作业状态；
S1、若为洗井作业，则模拟井筒内洗井液的动态流动过程，通过下式确定井底压力：
式中：
pb为井底压力，Pa；
pa为井口回压，Pa；
ρ为井筒流体密度，kg/m3；
h为井筒长度，m；
f为环空模组系数；
v为环空钻井液流速，m/s；
dw为井眼直径，m
dco为套管外径，m。
通过公式(1)计算出井底压力，并将井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力进行比较，若井底压力低于地层孔隙压力压力时，则减小节流管汇开度，使得井口回压升高，升高量为：
Δp＝pp-pb (2)
若井底压力大于地层破裂压力，则增大节流管汇开度，使得井口回压井底，降低量为：
Δp＝pb-pf (3)
式中，pp为地层孔隙压力，pf为地层破裂压力。
S2、若为下套管作业，则模拟下套管激动压力作用下的井筒压力分布，计算出下套管时的当量流速：
式中：
vc下套管速度，m/s；
Kc为钻井液的粘附系数，无量纲。
随后结合公式(1)，根据环空当量流速实时获取下套管过程中井底压力，并重复步骤S1中井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较，以及相应的操作。
S3、若为注水泥作业，则模拟井中多种液体的动态流动过程，模拟中考虑水泥浆、隔离液、冲洗液等多种不同类型流体的时空分布，通过下式计算井底实时压力：
式中：
n为注入流体种类。
随后重复步骤S1中井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较，以及相应的操作。
S4、若为侯凝作业，则需要模拟井筒中水泥浆水化凝固过程，考虑水泥浆水化失重现象，通过下式确定井底实时压力：
式中：
hi为第i种水泥浆长度，m；
αi为第i种水泥浆水化度；
α500为水泥浆强度达到设定的强度时水泥浆水化度，本实施例中设定为239Pa时的水泥浆的水化度。
随后重复步骤S1中井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较，以及相应的操作。
从而完整的将整个固井过程中井底压力进行了实时的模拟，并通过控制节流管汇、回压泵的措施控制井口回压，从而有效的将井底压力控制在安全范围内，防止了固井过程中井涌、气窜、漏失等复杂事故的发生，同时可以将模拟的井底压力与测试的压力进行实时的比对，有效的对井底情况进行判断，进一步保证施工的安全。
需要说明的是，本实施例中，作业井的基础数据包括井眼轨迹、井身结构、地层三压力剖面、浆柱流体参数、地层温度梯度等。
此外，参考图1-4，本发明还提出一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统，包括节流管汇10，与所述节流管汇10连接的回压泵9，分别与所述节流管汇10和所述回压泵9电性连接的处理器11，以及与所述处理器11连接的计算机可读介质22，所述计算机可读介质22中存有预设程序，该预设程序被所述处理器执行时能够实现如上所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法。
参考图1-4，为本实施例中，在洗井、下套管、注水泥、侯凝四个阶段的作业情况：
如图1所示，在洗井作业中，由钻井液泵5注入洗井液，清洗井眼内岩屑，此时所述处理器11根据所述计算机可读介质11中的模拟，根据公式(1)计算的井底压力，以及井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较结果，调节所述节流管汇10的开度，从而控制井口回压；
如图2所示，在下套管作业中，套管缓慢下入至井眼内，此时会导致激动压力，所述处理器11根据所述计算机可读介质22中模拟的井筒压力分布，根据公式(4)计算出当量流速，并根据当量流速计算出井底压力，将计算出的井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较结果，调节所述节流管汇10的开度或者所述回压泵9，从而调节井口回压；
如图3所示，在注水泥作业中，因配置固井需要水泥浆、隔离液、冲洗液，通过水泥浆泵7注入井筒内，所述处理器11根据所述计算机可读介质11中的模拟，根据公式(5)计算出井底压力，将计算出的井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较结果，调节所述节流管汇10的开度，从而调节井口回压；
如图4所示，在侯凝作业中，水泥浆柱注入到设定的位置时，所述水泥浆泵7停止，所述处理器11根据所述计算机可读介质22中的模拟，考虑水泥浆的水化式中，通过公式(5)计算出井底压力，将计算出的井底压力与地层孔隙压力、地层破裂压力的比较结果，调节所述节流管汇10的开度或所述回压泵9，从而调节井口回压。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，其特征在于，包括如下步骤：根据作业井的基础数据和固井数据，模拟井筒水泥浆的反应，根据模拟实时计算固井过程中的井底压力，调节所述节流管汇的开度以控制井口压力，从而使地层孔隙压力<井底压力<地层破裂压力。
2.根据权利要求1所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，其特征在于，还包括如下步骤：若为洗井作业，则模拟洗井液动态流动过程，并计算井底压力
其中，pb为井底压力；pa为井口回压，ρ为井筒流体密度，h为井筒长度，f为环空摩阻系数，v为环空钻井液流速，dw为井眼直径，dco为套管外径。
3.根据权利要求2所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，其特征在于，还包括如下步骤：若为下套管作业，则模拟套管下放过程中的井筒压力分布，并计算套管下放过程中的当量流速
其中，
为环空当量流速；vc下套管速度；Kc为钻井液的粘附系数。
4.根据权利要求3所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，其特征在于，还包括如下步骤：若为注水泥作业时，则模拟井筒内浆柱液面的流动过程，并计算井底压力
其中，n为注入流体种类。
5.根据权利要求4所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，其特征在于，还包括如下步骤：若为侯凝作业，则根据水泥浆数据模拟井筒内水泥浆凝固过程，并计算井底压力
其中，hi为第i种水泥浆长度；αi为第i种水泥浆水化度；α500为水泥浆强度达到预设强度时的水泥浆水化度。
6.根据权利要求1-5任一项中所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法，其特征在于，还包括如下步骤：若节流管汇开到预设最小开度时井底压力仍小于地层孔隙压力，则开启回压泵以使井口压力增大，从而使井底压力大于地层孔隙压力。
7.一种基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井系统，其特征在于，包括节流管汇，与所述节流管汇连接的回压泵，分别与所述节流管汇和所述回压泵电性连接的处理器，以及与所述处理器连接的计算机可读介质，所述计算机可读介质中存有预设程序，该预设程序被所述处理器执行时能够实现如权利要求1-6任一项中所述的基于深层井筒水泥浆体系模拟的控压固井方法。
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- 2022-01-18 WO PCT/CN2022/072468 patent/WO2022105945A1/zh active Application Filing
- 2022-01-18 GB GB2209895.8A patent/GB2617631A/en active Pending
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