尾管注水泥循環(huán)溫度預(yù)測模型的研究及應(yīng)用

王良才

中國石化石油工程西南有限公司固井分公司

尾管注水泥循環(huán)溫度預(yù)測模型的研究及應(yīng)用

王良才

中國石化石油工程西南有限公司固井分公司

王良才.尾管注水泥循環(huán)溫度預(yù)測模型的研究及應(yīng)用.天然氣工業(yè),2010,30(4):77-79.

深井、超深井多采用尾管注水泥固井,水泥漿性能受溫度影響較大,準(zhǔn)確掌握循環(huán)溫度是確保施工作業(yè)成功以及封隔質(zhì)量的基本前提。循環(huán)溫度對水泥漿性能影響較大,溫度變化5℃,稠化時間可能相差1h以上。循環(huán)溫度二維預(yù)測模型過于復(fù)雜,為此,建立了符合現(xiàn)場施工流程及井下實際情況的一維瞬態(tài)模型來預(yù)測尾管注水泥環(huán)空循環(huán)溫度,并以一口5750m深井尾管固井作業(yè)為實例,預(yù)測出口溫度與實測值平均誤差為3℃。證明了所建立的預(yù)測模型具有較高的準(zhǔn)確性,可為現(xiàn)場深井尾管固井水泥漿體系的設(shè)計提供依據(jù)。

深井 超深 固井 循環(huán)溫度 尾管注水泥 一維瞬態(tài)模型

0 引言

深井、超深井多采用尾管注水泥,水泥漿性能受溫度影響較大,準(zhǔn)確掌握循環(huán)溫度是確保施工作業(yè)成功以及封隔質(zhì)量的基本前提。目前循環(huán)溫度一般采用現(xiàn)場經(jīng)驗法來確定。但是該方法從施工安全角度考慮,過高估計循環(huán)溫度,導(dǎo)致水泥漿頂替到位后靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展緩慢,且靜膠凝強(qiáng)度過渡時間很長,增加了環(huán)空氣竄的幾率,并且由于緩凝劑過量,延長了水泥漿的候凝時間,影響后續(xù)施工作業(yè)[1-5]。

目前在鉆井方面已有很多學(xué)者做了該方面的研究,但是尾管注水泥作業(yè)循環(huán)溫度研究還很少。尾管注水泥作業(yè)與鉆井作業(yè)不同,管串結(jié)構(gòu)、環(huán)空及管內(nèi)漿柱結(jié)構(gòu)以及熱源項均不相同,且施工工序更加復(fù)雜。筆者主要針對尾管注水泥作業(yè),建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,得出尾管注水泥施工作業(yè)不同時刻水泥漿最高循環(huán)溫度,為水泥漿配方設(shè)計及性能設(shè)計提供依據(jù)。

1 循環(huán)溫度對深井固井的影響

1)深井固井中由于緩凝劑對溫度的敏感性較強(qiáng),控制不好容易出現(xiàn)“灌香腸”事故。

2)過高估計循環(huán)溫度會致使尾管懸掛器喇叭口水泥石長期無強(qiáng)度。深井?177.8mm尾管固井封固段長度可能超過2000m,水泥石上下溫差達(dá)到50℃左右,這些都與循環(huán)溫度密切相關(guān)。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

為了準(zhǔn)確預(yù)測循環(huán)溫度,必須作出合理的接近井下實際情況及施工流程的假設(shè),建立科學(xué)的溫度模型預(yù)測循環(huán)溫度,才能為水泥漿體系及性能設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)[3]。尾管固井工作液種類多樣性及流動狀態(tài)的多變性決定了尾管固井循環(huán)溫度預(yù)測模型不同于一般鉆井液循環(huán)溫度預(yù)測模型。筆者僅預(yù)測注水泥漿開始到水泥漿泵送到位結(jié)束,將尾管注水泥循環(huán)溫度預(yù)測分為3個階段:

1)下完套管后循環(huán)鉆井液。管內(nèi)及環(huán)空工作液均為鉆井液,循環(huán)時間考慮為4～8h。

2)注水泥及頂替階段。管內(nèi)外工作液有水泥漿、鉆井液、隔離液、沖洗液、碰壓清水,不同工作液的入口溫度和物性參數(shù)均不同。

3)拆井口及起鉆階段。裸眼段、套管重合段管內(nèi)及環(huán)空工作液靜止,套管重合段以上鉆桿內(nèi)和環(huán)空中工作液處于運(yùn)動狀態(tài),在管內(nèi)外負(fù)壓差作用下環(huán)空工作液以一定速度進(jìn)入鉆桿內(nèi)。

2.1 基本假設(shè)

1)假設(shè)套管居中度為100%,裸眼段井徑規(guī)則,井型為直井。

2)地層巖石及工作液物性參數(shù)與溫度無關(guān),均為常數(shù)。

3)拆井口及起鉆階段井內(nèi)所有工作液均處于靜止?fàn)顟B(tài)。

4)管內(nèi)流體,環(huán)空流體是一維瞬態(tài)傳熱,地層中的傳熱是非穩(wěn)態(tài)傳熱,忽略流體內(nèi)的徑向溫度梯度。

5)管柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的液體中考慮軸向強(qiáng)制對流換熱和徑向?qū)α鲹Q熱,忽略鉆井液的軸向熱傳導(dǎo)。

2.2 循環(huán)溫度數(shù)學(xué)模型

根據(jù)井內(nèi)工作液流動狀態(tài)利用熱力學(xué)第一定律結(jié)合傳熱學(xué)基本公式建立模型。

2.2.1 第一階段和第二階段的數(shù)學(xué)模型[4]

管內(nèi)循環(huán)溫度模型:

環(huán)空循環(huán)溫度模型:

井壁溫度模型:

地層溫度模型:

2.2.2 第三階段的數(shù)學(xué)模型

2.3 邊界條件及初始條件

1)初始時刻管內(nèi)及環(huán)空工作液溫度等于原始地層溫度:

2)套管鞋處(z=h)管內(nèi)工作液溫度等于環(huán)空工作液溫度:

3)入口溫度已知:

4)井眼以外地面溫度已知:

5)地層溫度在井底一定遠(yuǎn)處等于地層原始未擾動溫度:

6)距離井眼一定距離處(筆者暫取10m)地層溫度等于地層原始未擾動溫度:

3 計算實例

某井?177.8mm尾管固井,井深為5750m,上層套管鞋深度為3700m,裸眼段平均井徑為230mm,?177.8mm套管,壁厚為12.65mm;上層?244.5mm套管,內(nèi)徑為224.7mm;?127mm鉆桿,壁厚為9.17mm。電測井底靜止溫度為133℃,實測鉆井液入口溫度為41℃,水泥漿入口溫度為37℃,清水入口溫度為33℃。此次固井循環(huán)排量為20L/s,注水泥作業(yè)前循環(huán)鉆井液4h,施工時注入水泥漿71m3,碰壓清水為4.5m3。根據(jù)式(1)～(12)用VB編制計算機(jī)程序求解數(shù)學(xué)模型。鉆井液、水泥漿和地層巖石的物性參數(shù)(見表1)。

圖1中曲線1表示注水泥及頂替過程中水泥漿最高循環(huán)溫度,曲線2表示不同時刻鉆井液出口溫度。注水泥施工作業(yè)過程中水泥漿最高循環(huán)溫度為96℃。用該模型預(yù)測起鉆后剛開始循環(huán)時喇叭口溫度為87℃。從圖1中可看出在注水泥結(jié)束到碰壓這段時間,水泥漿最高循環(huán)溫度變化不大,多在95℃左右。根據(jù)API循環(huán)溫度計算公式得出井底循環(huán)溫度為103℃,按照現(xiàn)場經(jīng)驗法計算出循環(huán)溫度為107℃(取0.8的溫度系數(shù))。不同的預(yù)測循環(huán)溫度值將會使水泥漿性能發(fā)生巨大變化,特別是稠化時間會隨溫度升高而急劇縮短(見表2)。

表1 鉆井液物性參數(shù)表

圖1 水泥漿循環(huán)溫度及鉆井液出口溫度變化曲線圖

根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果考慮注水泥施工作業(yè)時排量及環(huán)空摩阻變化附加3℃安全值,建議以99℃作為水泥漿稠化試驗溫度。出口溫度曲線可以分為3個階段:注水泥階段、注鉆井液頂替階段、注清水碰壓階段。由于這3個階段注入工作液熱物性參數(shù)及入口溫度相差較大,導(dǎo)致出口溫度有較大差異。在實測曲線上也反映出了這種規(guī)律(圖2)。但是由于實際注入工作液種類除了假設(shè)中的3種外還包含了隔離液和沖洗液,工作液的實際入口溫度波動較大、排量變化、測量誤差等因素僅產(chǎn)生了3℃的平均溫度誤差,說明筆者建立的模型能比較準(zhǔn)確地預(yù)測水泥漿循環(huán)溫度。

表2 同一水泥設(shè)計配方在不同溫度下的稠化時間表

圖2 鉆井液出口溫度隨時間變化曲線圖

4 結(jié)論

1)一維瞬態(tài)模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測循環(huán)溫度,出口溫度預(yù)測值與實測值平均誤差3℃;尾管注水泥作業(yè),在注水泥結(jié)束到頂替過程中,水泥漿最高循環(huán)溫度基本處于穩(wěn)定。

2)注水泥作業(yè)時由于泵入了先導(dǎo)漿、隔離液、沖洗液、水泥漿等冷漿,有助于降低循環(huán)溫度,應(yīng)以注水泥作業(yè)過程中水泥漿最高循環(huán)溫度作為水泥漿配方及性能設(shè)計的參考溫度。

符 號 說 明

q為排量,L/s;pi、po分別為管內(nèi)和環(huán)空單位長度壓降, MPa;rci、rco分別為管柱內(nèi)徑和外徑,mm;rw為井眼直徑或上層套管內(nèi)徑,mm;Cl、Cf為工作液比熱及地層比熱,kJ/(kg·℃); Tc、Tf分別為管內(nèi)工作液溫度及地層溫度,℃;Ta0為碰壓時環(huán)空工作液溫度,℃;Ta為拆井口和起鉆過程中環(huán)空工作液溫度,℃;m為單位高度鉆井液質(zhì)量,kg;Ua為管內(nèi)工作液和環(huán)空工作液的綜合換熱系數(shù),W/(m2·℃);kl、kf為工作液熱導(dǎo)率、地層熱導(dǎo)率,W/(m·℃);t為時間,min;Tei為原始地層溫度,℃;TD為無因次時間,確定如下:

當(dāng)無因次時間tD滿足10-10≤tD≤1.5時,TD=1.1281×(1-0.3)。

當(dāng)無因次時間 tD滿足 tD≥1.5時,TD=(0.4063+0.5lntD)(1+0.6/tD)

[1]何世明,劉崇建,黃楨,等.溫度與壓力對水泥漿稠化時間的影響規(guī)律[J].鉆井液與完井液,1999,16(2):22-24.

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.019

Wang Liangcai,engineer,was born in1978.He graduated in petroleum engineering from Southwest Petroleum Institute in2001, and is now engaged in management of cementing technology.

Add:Southwest Cement,Tabei Post of Kuqa County,Xinjiang842017,P.R.China

Tel:+86-997-7980268 E-mail:tiger-jia@163.com

A circulating temperature prediction model and its application in liner cementing

Wang Liangcai
(Well Cementing Technology Company,International Petroleum Service Southwest Corporation,Sinopec Corporation,Kuqa County,Xinjiang842017,China)

The cement properties are seriously affected by temperature in liner cementing,which is commonly used in deep wells or ultra-deep wells.To keep the circulating temperature under control will ensure the cementing quality and its separation effect.If the temperature difference reaches5℃,the thickening time difference will be up to more than one hour,which shows that the circulating temperature has a significant effect on the properties of cement.Due to the great complexity and variability of two-dimentional circulating temperature prediction model,this paper establishes a one-dimensional transient model according to the field construction programs and the actual situations to predict circulating temperature in liner cementing.The prediction model was verified in a case well of5750meters deep,in which the average error between actual temperature and model predicting temperature was3℃.Therefore, the prediction model has a high accuracy and can provide design basis to liner cementing in oil and gas fields.

deep well,ultra-deep well,cementing,circulating temperature,liner cementing,one-dimensional transient model

book=77,ebook=394

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.019

2009-11-28 編輯 鐘水清)

中國石化科技攻關(guān)項目(編號:G J-109-0821)。

王良才,1978年生,工程師;2001年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院石油工程專業(yè);從事固井技術(shù)管理工作。地址:(842017)新疆維吾爾自治區(qū)庫車縣塔北郵電轉(zhuǎn)西南固井。電話:(0997)7980268。E-mail:tiger-jia@163.com

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.77-79,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)