CN113756744A - 一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深水高温高压井套管‑水泥环‑地层系统密封失效的数值模拟方法。所述方法包括如下步骤：根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效及固井胶结面失效过程；根据深水高温高压井作业工况，建立套管‑水泥环‑地层系统几何物理模型；基于该模型，设置模型材料参数及定义水泥环‑套管以及水泥环‑地层之间的界面；基于该模型，进行模型网格划分、施加载荷及确定边界条件；根据构建的套管‑水泥环‑地层系统网格模型，展开数值模拟计算并获取系统密封失效的数值模拟计算结果。本发明能够将深水高温高压井套管‑水泥环‑地层系统密封失效过程呈现出来，为深入分析深水高温高压井套管‑水泥环‑地层系统密封失效问题提供有效的研究手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法，属于海洋石油天然气行业固井技术领域。
背景技术
近年来，常规陆地石油天然气资源的开采难度越来越大，海洋石油天然气资源的勘探比重逐年上升，深水油气的勘探开发成为国际石油工业的热点。随着海洋油气勘探开发的不断深入，钻井深度越来越大，面临的高温高压现象愈加严重。作为海洋油气开采的关键环节之一，深水高温高压条件下固井作业面临重要的挑战。目前，固井质量差、水泥环密封失效等是海上高温高压井普遍存在的问题。众所周知，海洋油气勘探作业费用非常昂贵，特别是深水以及超深水油气的开发。因此，如何采用有效的方法研究深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效问题，显得尤为重要。
在固井过程中，套管-水泥环-地层系统密封性能的优劣会直接影响油气井寿命、开采效益以及生产安全。大量现场生产实践表明，在水泥浆顶替到位后，经过测试油气井固井质量显示良好，但在经历后续的钻进、射孔、水泥浆密度增加以及后续的相关增产措施导致温度压力发生变化，引起井口窜流、环空带压或相应层段胶结测井质量恶化等现象，极端条件下甚至还出现了油井报废的严重后果。例如：射孔前某井测井固井质量良好，但由于射孔作业瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管-水泥环-地层系统上，最高可产生20000MPa的冲击压力，一旦水泥环径向拉应力超过其强度极限时，水泥环会破裂形成裂纹。与此同时，当套管内压升高到一定程度时，会导致水泥环产生脆性破坏而密封失效。
目前而言，采用理论解析方法将深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效问题研究透彻是十分困难的。同时，采用室内实验的方法分析此类问题也具有很大的局限性，一方面会消耗大量人力物力，且模拟高温高压条件存在比较大的安全风险；另一方面现有的室内模拟技术很难准确描述深水复杂作业条件。相对而言，采用数值模拟方法分析深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效问题，是最为合适的方法。深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效问题较为复杂，数值建模及网格划分技术要求非常高。因此，有必要基于深水高温高压条件，建立一套合理有效、准确可行的高温高压条件下套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法，为高温高压条件下水泥环密封失效问题提供有效的研究手段。
本发明所提供的深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法，包括如下步骤：
S1、根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效及固井胶结面失效过程；
S2、根据深水高温高压井作业工况，建立套管-水泥环-地层系统几何物理模型；
S3、基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，设置模型材料参数及定义水泥环-套管以及水泥环-地层之间的界面；
S4、基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，进行模型网格划分、施加载荷及确定边界条件；
S5、根据步骤S4构建的套管-水泥环-地层系统网格模型，展开数值模拟计算并获取套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟计算结果。
上述的数值模拟方法中，步骤S1按照下述步骤进行：
根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效形式，分析水泥环单轴受压及受拉应力-应变曲线；
根据深水复杂温度压力变化情况，描述固井胶结面失效形式，采用Cohesive模型模拟固井胶结面；
根据Cohesive模型，描述水泥环与套管之间的胶结界面，确定cohesive的本构模型。
上述的数值模拟方法中，步骤S2按照下述步骤进行：
根据深水高温高压井实际固井作业工况，建立套管、水泥环、地层、套管-水泥环界面、水泥环-地层界面，即得到所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型；
根据典型深水高温高压井尾管特征，确定几何模型各部位尺寸；
根据深水高温高压井的井身结构特点，确定井径扩大率、设置水泥环直径及套管居中度。
上述的数值模拟方法中，步骤S3按照下述步骤进行：
基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，确定套管及地层杨氏模量与泊松比；
基于水泥环CDP模型，确定水泥环材料属性；
基于Cohesive内聚力模型，描述水泥环-套管以及水泥环-地层之间的界面特性。
上述的数值模拟方法中，步骤S4按照下述步骤进行：
基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，采用计算精度高的六面体网格对计算模型进行离散；
网格模型中地层及套管均采用向水泥环偏移布种子的方式，对水泥环进行网格加密；
网格模型中进行载荷施加及边界条件设置。
上述的数值模拟方法中，步骤S5按照下述步骤进行：
根据所述套管-水泥环-地层系统网格模型，结合实验条件，建立环空流体突破水泥环的有限元数值模型；
建立实验条件下的气体窜流模型，获取窜流压力随时间变化曲线；
基于数值模拟计算结果，绘制云图，完成深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效数值模拟分析。
本发明还提供了一种用于深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟系统，包括处理器和存储有计算机程序的存储器；所述处理器被配置成执行所述计算机程序以实现本发明所述的数值模拟方法。
本发明还进一步提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述的数值模拟方法。
本发明方法能够将深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效过程呈现出来，可以获取深水高温高压井水泥环密封失效动态数据，为深入分析深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效问题提供了有效的研究手段。
附图说明
图1为本发明深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法的流程示意图。
图2为本发明具体实施方式建立的套管-水泥环-地层系统几何模型示意图。
图3为本发明具体实施方式中不同套管居中度几何模型示意图。
图4为本发明具体实施方式中套管-水泥环-地层系统网格计算模型示意图。
图5为本发明具体实施方式中数值模拟计算所得窜流压力随时间变化曲线示意图。
图6为本发明具体实施方式中数值模拟计算所得气体窜流结果云图示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，为本发明提供的深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法的流程图，包括如下步骤：
步骤1、根据深水复杂温度压力变化情况，准确描述水泥环本体失效及固井胶结面失效过程，具体步骤如下：
(1)水泥环是密封完整性评价的重要一环，其本构关系的准确描述是密封完整性评价的基础，复杂井筒温压变化引起的水泥环本体失效形式主要包括压缩失效与拉伸失效，本实施例采用可描述水泥环压缩损伤失效与拉伸损伤失效的混凝土损伤塑性模型(CDP)。
(2)水泥环单轴受压应力-应变曲线方程
水泥环单轴受压的应力-应变曲线方程可按下列公式确定：
σ＝(1-dc)Ecε (1)
式中：αa、αd—水泥环单轴受压应力-应变曲线上升段、下降段的参数值，按下表取用；
fc *—水泥环单轴抗压强度，其值可实际结构分析需要分别取fc、fck或fcm；
εc—与单轴抗压强度fc *相应的水泥环峰值压应变，按下表取用；
dc——水泥环单轴受压损伤演化参数
水泥环单轴受拉的应力-应变曲线方程可按下列公式确定
σ＝(1-dt)Ecε (5)
式中：αt—水泥环单轴受拉应力-应变曲线下降段的参数值，按下表取用；
ft *—水泥环的单轴抗拉强度，其值可根据实际结构分析需要分别取ft、ftk或ftm；
εt—与单轴抗拉强度ft *相应的水泥环峰值拉应变，按下表取用；
dt—水泥环单轴受拉损伤演化参数。
(3)固井界面胶结属于双材料粘结问题，本实施例采用内聚力模型(Cohesive模型)述界面胶结强度以及界面刚度，同时该模型具有渗透率自由度，可模拟流体在界面的渗流情况，从而有效地模拟油气水的窜流情况。水泥环与套管之间的胶结界面是水泥环密封失效的薄弱环节，如何描述界面特性是该问题的关键。Cohesive粘聚力模型在模拟材料断裂或脱离的过程中，将复杂的破坏过程用两个面之间的“相对分离位移-接触面应力”表述，已广泛应用于水力压裂裂缝扩展及复合材料层间开裂的数值模拟中。
步骤2、根据深水高温高压井作业工况，建立套管-水泥环-地层系统几何物理模型，具体步骤如下：
(1)根据深水高温高压井实际固井作业工况，建立套管-水泥环-地层系统几何物理模型，如图2所示。几何模型包括套管、水泥环、地层、套管-水泥环界面、水泥环-地层界面。
(2)根据典型深水高温高压井尾管特征，以深水高温高压井7in尾管为研究对象，确定几何模型各部位尺寸如下：套管外径及内径分别为7in及6.004in；钻头尺寸为8.375in，设置的地层尺寸为长×宽×高＝2m×2m×0.5m。
(3)根据深水高温高压井的井身结构特点，确定井径扩大率0％、2.5％、5％、7.5％、10％，设置水泥环直径；考虑到水平井可能出现的套管偏心问题，设置的套管居中度分别为10％、40％、70％，如图3所示为不同套管居中度几何模型示意图。
步骤3、基于套管-水泥环-地层系统几何物理模型，设置模型材料参数及定义水泥环-套管以及水泥环-地层之间的界面，具体方法如下：
(1)基于套管-水泥环-地层系统几何物理模型，确定套管杨氏模量与泊松比分别为206GPa与0.3，地层弹性模量与泊松比分别为28GPa与0.21；
(2)基于水泥环CDP模型的描述，水泥环的材料属性分为压缩屈服应力-塑性应变如表1所示：
表1水泥环的材料属性
(3)基于cohesive内聚力模型，描述水泥环-套管以及水泥环-地层之间的界面特性，水泥环胶结界面的cohesive参数及界面参数设置如下表2。
表2水泥环胶结界面的cohesive参数
表3界面参数
步骤4、基于套管-水泥环-地层系统几何物理模型，进行模型网格划分、施加载荷及确定边界条件，具体步骤如下：
(1)基于套管-水泥环-地层系统几何物理模型，采用计算精度高的六面体网格对计算模型进行离散，如图4所示为套管-水泥环-地层系统网格模型示意图。
(2)在数值建模过程中，由于水泥环是研究的主要部位，因此，地层及套管均采用向水泥环偏移布种子的方式，对水泥环进行网格加密。不同网格密度对计算结果的影响如表4所示，当轴向尺寸为13.5mm，周向尺寸为6mm，网格总数为85660个时，网格密度满足了精度要求。
表4网格密度对计算结果的影响
(3)基于套管-水泥环-地层系统网格模型，进行载荷施加及边界条件设置，模型的初始条件为：整个模型施加原地应力场、原温度场；模型上的边界条件有：模型下表面施加Z方向位移约束，四周与X方向垂直的面施加X方向位移约束，四周与Y方向垂直的面施加Y方向位移约束，施加不同工况条件下的温度边界。采用两个分析步进行分析：地应力平衡分析步Geostatic，主要消除套管-水泥环-地层的初始应力及位移；应力分析步，用于计算套管内压力及温度变化条件下的套管-水泥环-地层组合体的应力应变情况。
步骤5，根据套管-水泥环-地层系统网格模型，展开数值模拟计算并获取套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟计算结果，具体方法如下：
(1)根据套管-水泥环-地层系统网格模型，结合实验条件，建立了环空流体突破水泥环的有限元数值模型，模型尺寸如表5所示。
表5实验条件下的几何模型
| 材料 | 外径(mm) | 厚度(mm) | 高度(m) |
| 套管 | 177.8 | 12.65 | 1.2 |
| 水泥环 | 220/230/240 | 21.1/26.1/31.1 | 1.0 |
| 地层 | 400 | 90/85/80 | 1.2 |
(2)建立了实验条件下的气体窜流模型，施加围压为15MPa，环空压力0MPa，套管内压力为10MPa，当气体流量达到1.5×10-3l/s时，cohesive单元的损伤参数SDEG＝1，环空流体发生窜流，经计算，窜流压力为1.38MPa，与实验结果1.2MPa相比，误差较小，如图5所示，为窜流压力随时间变化曲线示意图。
(3)根据套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟计算结果，绘制气体窜流数值模拟计算云图，如图6所示，完成深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效数值模拟分析。
以上过程的具体方法描述仅用于介绍说明本发明的实施方案，而不应视为本方法的限制，需要说明的是，任何对于本方法的具体描述中的技术方案进行修改或等同替换，都没有脱离本发明的实质和保护范围。
Claims (8)
1.一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法，包括如下步骤：
S1、根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效及固井胶结面失效过程；
S2、根据深水高温高压井作业工况，建立套管-水泥环-地层系统几何物理模型；
S3、基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，设置模型材料参数及定义水泥环-套管以及水泥环-地层之间的界面；
S4、基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，进行模型网格划分、施加载荷及确定边界条件；
S5、根据步骤S4构建的套管-水泥环-地层系统网格模型，展开数值模拟计算并获取套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟计算结果。
2.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S1按照下述步骤进行：
根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效形式，分析水泥环单轴受压及受拉应力-应变曲线；
根据深水复杂温度压力变化情况，描述固井胶结面失效形式，采用Cohesive模型模拟固井胶结面；
根据Cohesive模型，描述水泥环与套管之间的胶结界面，确定cohesive的本构模型。
3.根据权利要求1或2所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S2按照下述步骤进行：
根据深水高温高压井实际固井作业工况，建立套管、水泥环、地层、套管-水泥环界面、水泥环-地层界面，即得到所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型；
根据典型深水高温高压井尾管特征，确定几何模型各部位尺寸；
根据深水高温高压井的井身结构特点，确定井径扩大率、设置水泥环直径及套管居中度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S3按照下述步骤进行：
基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，确定套管及地层杨氏模量与泊松比；
基于水泥环CDP模型，确定水泥环材料属性；
基于Cohesive内聚力模型，描述水泥环-套管以及水泥环-地层之间的界面特性。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S4按照下述步骤进行：
基于所述套管-水泥环-地层系统几何物理模型，采用计算精度高的六面体网格对计算模型进行离散；
网格模型中地层及套管均采用向水泥环偏移布种子的方式，对水泥环进行网格加密；
网格模型中进行载荷施加及边界条件设置。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S5按照下述步骤进行：
根据所述套管-水泥环-地层系统网格模型，结合实验条件，建立环空流体突破水泥环的有限元数值模型；
建立实验条件下的气体窜流模型，获取窜流压力随时间变化曲线；
基于数值模拟计算结果，绘制云图，完成深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效数值模拟分析。
7.一种用于深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟系统，包括处理器和存储有计算机程序的存储器；所述处理器被配置成执行所述计算机程序以实现如权利要求1-6中任一项所述的数值模拟方法。
8.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的数值模拟方法。
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