CN114016973A - 一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气井固井技术领域，具体公开了一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，分别包括以下步骤：步骤①：通过实验获得水泥浆体系累计放热量；步骤②：以水泥浆水化动力学模型为基础，计算不同阶段的动力学参数；步骤③：确定天然气水合物地层物性参数，以传热学基础理论得出水泥浆对地层环境温度的改变情况；步骤④：结合天然气水合物地层物性参数，确定该体系对天然气水合物地层的损伤程度；步骤⑤：若损伤程度较大，则对水泥浆水化热进行重新设计，依据相关参数指导体系配方。本发明研究的因素全面，对于不同固井水泥浆体系与天然气水合物赋存特征，可以得出针对性较强的固井水泥浆改进方案。
Description
技术领域
本发明涉及油气井固井技术领域，尤其涉及一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法。
背景技术
随着我国常规油气资源的不断开采，常规油气资源不能满足日益增长的能源需求，增产稳产难度日益提高。为了解决油气资源短缺，保障国家能源安全，未来的油气勘探和开发逐步向非常规油气资源发展。天然气水合物是一种新型的非常规潜在能源，主要分布于海底沉积物和陆上永久冻土层。天然气水合物被认为是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型清洁能源之一。天然气水合物赋存量巨大，初步估算，全球天然气水合物资源量约为21×1015m3，是煤炭、石油和天然气总量的两倍。当前天然气水合物成为世界各国关注的焦点。
天然气水合物固井技术是天然气水合物开采的关键环节。在固井过程中，由于水泥水化放热的影响，井眼周围环境温度升高，改变了周围水合物的温度环境，造成水合物的分解。水合物分解体积会剧烈膨胀，产生大量气体侵入水泥浆内，一方面将导致本已胶结良好的水泥环与井壁之间出现微环空等固井质量下降问题，且气体不断地向上喷发，产生严重后果；另一方面水合物的分解将导致该区域地层的不稳定，如果发生塌陷的现象，会破坏整个层位，形成恶性循环，使周围的水合物全部分解，最终导致固井失败等一系列问题。
公开号为CN112723822A的中国专利文件公开了一种固井用低水化热低密度水泥浆体系，在该水泥浆体系中，使用低热硅酸盐水泥、60％闭口珍珠岩与40％二级粉煤灰组成代替油井水泥，虽然降低了水泥浆水化放热的问题，但该固井水泥浆体系的温度使用范围为40～85℃，远远高于水合物地层的分解温度。
“深水浅部水合物储层水平井井筒温度计算模型”(董胜伟等，特种油气藏，2020/8)一文基于南海神狐海域储层和钻井基本参数,研究了水平井钻井过程中井筒热量传递过程,构建了泥浆循环过程中井筒温度剖面计算模型,研究了地面泥浆排量、密度、初始温度、水平位移等参数对井筒温度场的影响规律。但未研究水泥整个水化过程中对井筒温度场的影响。
综上所述，由于天然气水合物储层地质条件、温度和压力环境的复杂性和特殊性，以及水泥水化热导致水泥温度上升远超过天然气水合物稳定赋存的条件，因此需要采取降低水泥水化热。现阶段天然气水合物固井技术虽然集中在低温低水化热水泥浆体系研究，但降低油井水泥浆体系的水化放热，无法满足低温下水泥石在较短时间内兼备较高的抗压强度，且候凝时间过长。在此基础上，需要对水泥浆水化放热量进行合理设计，以满足水化期间稳定地层，固化之后固结地层的目的。
因此，确定油井水泥浆水化放热与天然气水合物稳定性之间的关系，是天然气水合物固井急需解决的关键问题。针对这一关键问题，需要提出天然气水合物安全长效固井设计方法，本发明在现有技术的基础上，从理论层面指导水泥浆合理的水化热范围，以保证天然气水合物地层的稳定赋存条件，并根据实际井况需求改变计算参数，进而指导水泥浆体系的建立。从而保证固井质量，为天然气水合物安全高效开采打下坚实基础。
发明内容
本发明的构思是：以保证天然气水合物稳定开采为前提，对固井用水泥浆体系进行水化热评价。分别从四个方面来进行评价：①通过实验获得水泥浆体系累计放热量；②以水泥水化动力学模型为基础，计算不同阶段的动力学参数；③确定天然气水合物地层物性参数，以传热学基础理论得出水泥浆对地层环境温度的改变情况；④结合天然气水合物地层物性参数，确定该体系对天然气水合物地层的损伤程度，指导体系配方。
基于此，本发明的目的在于提出一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，对于固井用水泥浆，采用水泥水化动力学理论，对不同水泥浆体不同水化阶段进行定量分析，确定其水化动力学关键参数，并结合热力学定律，推导的环空-套管-地层产热传热方程，将水化动力学实验参数转换为实际工况下的温度变化，并结合天然气水合物稳定赋存条件，得出该体系下水泥浆水化放热对天然气水合物地层的影响程度。
为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法。包括以下步骤：
步骤①：通过等温量热仪，获得水泥浆体在特定温度下的累计放热量；
步骤②：采用Krstulovic以及Dabic提出的水泥浆水化反应动力学模型，确定水泥浆水化参数，对水泥浆不同反应阶段进行划分，主要包括三个阶段，不同阶段数学模型如下：
成核结晶与晶体生长过程(NG)：
[-ln(1-α)]1/m＝KNGt (1)
相边界反应过程(I)：
1-(1-α)1/3＝KIt (2)
扩散过程(D)：
[1-(1-α)1/3]2＝KDt (3)
式中：α——水泥水化度，
KNG——NG过程中的水化反应速率常数，
KI——I过程中的水化反应速率常数，
KD——D过程中的水化反应速率常数，
t——水化时间，单位为h，
m——反应级数，无因次，
公式1～3中所涉及的参数，可采用水泥浆常用的等温量热仪进行测定，并由公式4～5计算得出。水泥水化程度与所释放的热量有以下关系：
α＝Q(t)/Qmax (4)
式中：Q(t)——t时刻已经释放出的热量，单位为J,
Qmax——水泥最终能释放出的热量,单位为J，
公式1～3中涉及的反应速率常数，对于不同温度下的水泥浆体系，需要用经典的阿伦尼乌斯公式进行确定：
式中：K——化学反应速率常数,
A——指前因子,
Ea——化学反应的活化能，单位为J/mol，
T——化学反应的绝对温度，单位为K，
R——气体常数，取8.13J/(mol K)；
步骤③：根据能量守恒原理，计算环空-地层温度，固井期间环空水泥浆传热模型的基本表达式可以写成：
式中：T——环空温度，单位为℃，
K——环空至地层和套管的传热系数，单位为W/(m2·℃),
Cc——环空水泥的比热，单位为J/(kg·℃),
ρ——水泥浆密度，单位为kg/m3,
将水泥水化作为热源，并考虑套管、地层、环空的传热学方程，得到以下传热方程：
式中：kf——井筒内流体的导热系数，单位为W/(m2·℃)，
rw——井筒尺寸，单位为m，
Aa——环空横截面积，单位为m2，
Te,0——井壁处地层温度，单位为℃，
rci——套管内径，单位为m，
Ta——环空内温度，单位为℃，
Tc——套管内温度，单位为℃，
Uc——从套管到环空的总传热系数，单位为W/(m2·℃)；
步骤④：在计算出温度变化以后，对天然气水合物稳定性进行分析，为更直观地显示出水泥浆水化热对天然气水合物地层的影响，可联系相关模拟软件进行分析，结合天然气水合物相平衡曲线、饱和度等参数，确定此体系水泥浆在水化过程中，是否会对天然气水合物产生破坏；
步骤⑤：对步骤④天然气水合物稳定性范围进行判定，若水泥浆水化放热在稳定区间内，则此水泥浆可用于天然气水合物地层，否则，需要对水泥浆体系进行重新设计，以降低水化放热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：①针对水泥浆浆体水化性质，按照水化动力学分析了水泥浆对天然气水合物固井过程中的不同阶段的影响规律；②采取量化分析的方法，将水泥浆水化这一复杂的化学反应过程中伴随的热量变化，在与地层相互作用，并结合地层的物性参数后表述为定量的温度变化，以此精确地反映出地层受水泥浆水化的影响；③对于不同井况，天然气水合物的地质条件、天然气水合物饱和度、含水率等不尽同，可按照本文思想与方法，对部分参数进行修改和进一步完善，再结合天然气水合物稳定赋存条件，进行不同水泥浆体系进行优化设计，从而获得不同条件下天然气水合物固井过程中稳定赋存的水泥浆性能指标。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明的技术方案，对本发明对实施例所描述的需要使用附图的内容进行介绍。
图1是本发明确定的水泥浆水化热对地层作用的计算流程图。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明的技术方案，下面将对照附图的内容说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，包括以下步骤：
在热力学系统中，当系统温度高低不一时，热量将会从温度高的部分向温度低的部分流动。固井水泥浆水化热影响地层稳定性主要体现在自身产热量以及与地层之间的热量传递。一般来说，化学反应动力学主要是分析化学反应的内在因素(反应物的浓度、状态等)以及外在因素(温度、压力、催化剂等)是如何影响化学反应的速率以及化学反应的过程。由于水泥水化过程是一个极为复杂的过程，所涉及的化学反应众多，难以完整得反映出整体的化学规律。
步骤①：通过等温量热仪，获得水泥浆体在特定温度下的累计放热量；
步骤②：水化动力学参数计算，目前对于水泥水化反应动力学的研究已经经历了较长时间的发展，不同学者提出了不同水泥水化反应动力学模型，人们对于水泥水化反应的认识也愈加清晰。常用水泥水化反应动力学模型有Jander模型、金斯特林格模型和Krstulovic-Dabic模型等。其中，Krstulovic-Dabic模型应用作为在上述模型中改进的方案，已经得到广泛的应用，对于其中各种参数的计算也随着相关测量仪器的发展而变得精准。因此采用K-D模型来进行水化动力学的计算，此模型对水泥浆不同反应阶段进行划分，主要包括三个阶段，不同阶段数学模型如下：
成核结晶与晶体生长过程(NG)：
[-ln(1-α)]1/m＝KNGt (1)
相边界反应过程(I)：
1-(1-α)1/3＝KIt (2)
扩散过程(D)：
[1-(1-α)1/3]2＝KDt (3)
式中：α——水泥水化度，
KNG——NG过程中的水化反应速率常数，
KI——I过程中的水化反应速率常数，
KD——D过程中的水化反应速率常数，
t——水化时间，单位为h，
m——反应级数，无因次，
公式1～3中所涉及的参数，可采用水泥浆常用的等温量热仪进行测定，并由公式4～5计算得出。水泥水化程度与所释放的热量有以下关系：
α＝Q(t)/Qmax (4)
式中：Q(t)——t时刻已经释放出的热量，单位为J,
Qmax——水泥最终能释放出的热量,单位为J，
公式1～3中涉及的反应速率常数，对于不同温度下的水泥浆体系，需要用经典的阿伦尼乌斯公式进行确定：
式中：K——化学反应速率常数,
A——指前因子,
Ea——化学反应的活化能，单位为J/mol，
T——化学反应的绝对温度，单位为K，
R——气体常数，取8.13J/(mol K)；
步骤③：环空-地层温度计算在深水油气开采中涉及较多，由于天然气水合物稳定赋存在低温高压环境中，对温度变化比较敏感，而水泥浆在水化过程中放出大量的热，在水化过程中，最高可导致40～45℃的温升，这对于天然气水合物的稳定赋存是极大的威胁。国内外研究多采用增加外掺料的方法来减缓水化进程(参考公开号为CN105199691A、公开号为CN112723822A、公开号为CN109266320A的中国专利文件)，虽然其在不同程度上降低了水化放热，但是水泥浆的水化放热量与水泥石力学性能有一定关系，单纯的降低水化热会影响固井质量。因此，需要在天然气水合物稳定赋存与固井质量之间达到平衡，这就需要考虑到固井过程中天然气水合物稳定赋存的温度上限。
国内外开展了很多深水钻井井筒温度场计算研究，从传热学的基本理论出发，以固井液流体运移规律和地层条件开展相关温度场的计算(参考中国石油大学(华东)高永海等数值计算、西南石油大学刘洋等计算模型的研究)。为更直观的体现计算结果与简化算力，可采用仿真软件进行相关理论研究。
根据能量守恒原理，固井期间环空水泥浆传热模型的基本表达式可以写成：
式中：T——环空温度，单位为℃，
K——环空至地层和套管的传热系数，单位为W/(m2·℃),
Cc——环空水泥的比热，单位为J/(kg·℃),
ρ——水泥浆密度，单位为kg/m3,
将水泥水化作为热源，并考虑套管、地层、环空的传热学方程，得到以下传热方程：
式中：kf——井筒内流体的导热系数，单位为W/(m2·℃)，
rw——井筒尺寸，单位为m，
Aa——环空横截面积，单位为m2，
Te,0——井壁处地层温度，单位为℃，
rci——套管内径，单位为m，
Ta——环空内温度，单位为℃，
Tc——套管内温度，单位为℃，
Uc——从套管到环空的总传热系数，单位为W/(m2·℃)；
步骤④：天然气水合物稳定性分析。在计算出温度变化以后，为更直观地显示出水泥浆水化热对天然气水合物地层的影响，可结合相关模拟软件进行分析，结合天然气水合物相平衡曲线、饱和度等参数，确定此体系水泥浆在水化过程中，是否会对天然气水合物产生破坏。可参考中国石油大学(华东)王志远对天然气水合物相变多相流的研究；
步骤⑤：对步骤④天然气水合物稳定性范围进行判定，若水泥浆水化放热在稳定区间内，则此水泥浆可用于天然气水合物地层，否则，需要对水泥浆体系进行重新设计，以降低水化放热。可参考公开号为CN113213785A、CN109266320A的中国专利文件。
综上所述，本发明所提供的一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，能够较好地解决现有技术中天然气水合物固井安全性问题，在进行不同体系分析时，可按照本文思想与方法，对部分参数进行修改和进一步完善，从而获得不同条件下天然气水合物固井过程中稳定赋存的施工方案，具有较好的应用前景。
以上所述仅是本发明较佳的实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。本发明无法列举出所有的实施方式，对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤①：通过等温量热仪，获得水泥浆体在特定温度下的累计放热量；
步骤②：采用Krstulovic以及Dabic提出的水泥浆水化反应动力学模型，水泥浆水化参数，对水泥浆不同反应阶段进行划分，主要包括三个阶段，不同阶段数学模型如下：
成核结晶与晶体生长过程(NG)：
[-ln(1-α)]1/m＝KNGt (1)
相边界反应过程(I)：
1-(1-α)1/3＝KIt (2)
扩散过程(D)：
[1-(1-α)1/3]2＝KDt (3)
式中：α——水泥水化度，
KNG——NG过程中的水化反应速率常数，
KI——I过程中的水化反应速率常数，
KD——D过程中的水化反应速率常数，
t——水化时间，单位为h，
m——反应级数，无因次，
公式1～3中所涉及的参数，并由公式4～5计算得出。水泥水化程度与所释放的热量有以下关系：
α＝Q(t)/Qmax (4)
式中：Q(t)——t时刻已经释放出的热量，单位为J,
Qmax——水泥最终能释放出的热量,单位为J，
公式1～3中涉及的反应速率常数，对于不同温度下的水泥浆体系，需要用经典的阿伦尼乌斯公式进行确定：
式中：K——化学反应速率常数,
A——指前因子,
Ea——化学反应的活化能，单位为J/mol，
T——化学反应的绝对温度，单位为K，
R——气体常数，取8.13J/(mol·K)；
步骤③：根据能量守恒原理，计算环空-地层温度，固井期间环空水泥浆传热模型的基本表达式可以写成：
式中：T——环空温度，单位为℃，
K——环空至地层和套管的传热系数，单位为W/(m2·℃),
Cc——环空水泥的比热，单位为J/(kg·℃),
ρ——水泥浆密度，单位为kg/m3,
将水泥水化作为热源，并考虑套管、地层、环空的传热学方程，得到以下传热方程：
式中：kf——井筒内流体的导热系数，单位为W/(m2·℃)，
rw——井筒尺寸，单位为m，
Aa——环空横截面积，单位为m2，
Te,0——井壁处地层温度，单位为℃，
rci——套管内径，单位为m，
Ta——环空内温度，单位为℃，
Tc——套管内温度，单位为℃，
Uc——从套管到环空的总传热系数，单位为W/(m2·℃)；
步骤④：在计算出温度变化以后，对天然气水合物稳定性进行分析，为更直观地显示出水泥浆水化热对天然气水合物地层的影响，可联系相关模拟软件进行分析，结合天然气水合物相平衡曲线、饱和度等参数，确定此体系水泥浆在水化过程中，是否会对天然气水合物产生破坏；
步骤⑤：对步骤④天然气水合物稳定性范围进行判定，若水泥浆水化放热在稳定区间内，则此水泥浆可用于天然气水合物地层，否则，需要对水泥浆体系进行重新设计，以降低水化放热。
2.如权利要求1所述的一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，所述步骤①中，水泥浆累计放热量实验时长应保证在50h以上，并需对水泥浆的累计放热量按照时间顺序进行分段，一般以0～20h、20～35h、35～50h。
3.如权利要求1所述的一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，所述步骤②中，需要对公式1～3进行适当的转化，以方便计算。
4.如权利要求1所述的一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，所述步骤②中，公式4～5中的计算数据，需结合步骤①中的实验数据。
5.如权利要求1所述的一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，所述步骤④中，需结合天然气水合物相平衡曲线、天然气水合物饱和度、含水量等综合指标进行考虑。
6.如权利要求1所述的一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，所述步骤⑤中，降低水化放热的方式包括但不限于添加粉煤灰、相变材料等。
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