固井施工設計模擬與監控軟件的開發

黃浩,李陽發,孫詩杰 (西南石油大學石油工程學院,四川 成都 610000)

馬睿思,鄭雙進 (長江大學石油工程學院,湖北 武漢 430100)

固井施工設計模擬與監控軟件的開發

黃浩,李陽發,孫詩杰 (西南石油大學石油工程學院,四川 成都 610000)

馬睿思,鄭雙進 (長江大學石油工程學院,湖北 武漢 430100)

隨著石油天然氣勘探開發工作的不斷深入,固井地質條件與施工工況日益復雜,對于保障和提高固井質量提出了更高要求。在系統總結固井技術成果的基礎上,針對固井設計、模擬、監控及分析技術開展系統深入的研究,開發了一套集固井設計、固井模擬、固井監控及事后分析評價等功能于一體的固井施工設計模擬與監控軟件。介紹了軟件的總體架構,闡述了固井工程數據管理、固井設計、固井模擬、固井監控及分析評價功能模塊的功能特點。該軟件的開發有助于提高固井施工設計與分析的科學性和便捷性,并對固井施工過程進行實時監控和分析評價,有助于保障和提高復雜井固井質量。

固井工程數據管理;固井設計;固井模擬;固井監控;分析評價

近年來,隨著我國石油天然氣勘探開發規模的不斷擴大,特殊工藝井和復雜井越來越多,固井地質條件越來越復雜,對于保障固井質量提出了更高要求。由于固井工程技術的迅速發展,固井設計、模擬和分析相關理論也在不斷更新。因此,為了滿足特殊工藝井和復雜井固井施工需要,結合最新理論方法開發一套固井施工設計模擬與監控軟件,實現了固井施工設計與模擬、固井施工實時監控、固井施工分析評價等功能,以切實滿足固井現場施工需要,保障和提高固井質量,并促進固井信息化建設。

1 軟件總體架構

為了滿足油田現場對固井軟件的功能需求,該軟件總體包括固井施工數據管理、固井施工設計、固井施工模擬、固井施工監控、固井施工分析5大功能模塊,軟件總體架構如圖1所示。

2 軟件功能模塊

2.1 固井施工數據管理功能模塊

圖1 固井施工設計模擬與監控軟件總體架構圖

固井施工數據管理模塊建設有種類齊全、類型豐富的數據庫,主要針對固井材料數據、固井設計數據、固井模擬數據、固井監控數據、固井分析數據進行數字化管理,為設計、模擬、監控和分析功能提供強大的數據支撐,提高數據管理的便捷性[1]。固井施工數據庫結構圖如圖2所示。

圖2 固井施工數據庫結構圖

2.2 固井施工設計功能模塊

2.2.1 套管柱設計模塊

套管柱設計模塊包括套管柱強度設計子模塊、套管柱強度校核子模塊、套管柱居中設計子模塊、套管柱居中校核子模塊。

1)套管柱強度設計子模塊 該模塊主要根據設計井的地質條件和施工工況,計算套管有效外載,并優選套管柱組合和設計各段套管的下入深度,繪制有效外載和套管強度的對比曲線。該模塊考慮了定向井套管彎曲應力、套管摩阻、鹽膏層外擠壓力,井下高溫高壓等多因素的影響,適用井況廣泛。

2)套管柱強度校核子模塊 該模塊基于井下地質條件與施工工況,計算套管有效外載,并與給定套管柱組合的強度進行比較,分析判別套管是否安全,并繪制有效外載和套管強度的對比曲線。

3)套管柱居中設計子模塊 套管居中程度是影響固井質量的一個重要因素。該模塊在對扶正器力學特性分析的基礎上,綜合考慮井斜、井徑、套管等因素的影響,優化設計扶正器的安放位置,以保證套管居中度滿足提高固井質量的需要,并繪制套管居中度曲線。

4)套管柱居中校核子模塊 該模塊可根據實際井況,計算給定套管扶正器安放位置情況下的套管居中度,分析判別能否滿足固井施工需要,為用戶提供技術參考。

2.2.2 注水泥設計模塊

注水泥設計模塊主要包括環空漿柱結構設計、替漿流體用量計算和注水泥流變學設計子模塊。

1)環空漿柱結構設計子模塊 該模塊根據實際電測井徑逐段積分精確計算固井流體用量,并通過計算失重前和失重后的環空壓力情況,判別環空漿柱結構設計的合理性,便于指導用戶優化環空漿柱結構設計。

2)替漿流體用量計算子模塊 該模塊可自動計算頂替管柱內容積,并根據注水泥施工工藝智能默認替漿流體分類及用量,大大減小了用戶的錄入工作量。

3)注水泥流變學設計子模塊 該模塊可計算多種流變模式下的固井流體流變參數,并優化設計注水泥施工替漿排量,計算最終頂替泵壓,分析判別環空壓力的安全性。

2.3 固井施工模擬功能模塊

該模塊包括三維實際井眼模擬、下套管可行性模擬、下套管大鉤載荷模擬、下套管環空壓力模擬、注水泥過程動態模擬和固井頂替效率模擬功能模塊。

2.3.1 三維實際井眼模擬模塊

該模塊可根據實際井眼的測斜及方位數據模擬三維實際井眼,并支持拖動、翻轉查看等操作,便于用戶直觀了解實際井眼形狀,模擬界面如圖3所示。

2.3.2 下套管可行性模擬模塊

該模塊可通過分析單扶組合、雙扶組合、三扶組合及多扶組合鉆具的剛性,推薦設計一套能夠真實模擬套管柱剛性的通井鉆具組合,以模擬套管能否順利下入。

2.3.3 下套管大鉤載荷模擬模塊

在水平井及大位移井固井下套管作業過程中,由于多因素的影響,容易出現下套管遇阻遇卡現象,該模塊可通過計算模擬下套管過程中的大鉤載荷及摩阻變化情況,分析套管的下入能力[2]。

2.3.4 下套管環空壓力模擬模塊

該模塊可準確計算不同下套管速度下的波動壓力及總壓力,并繪制壓力隨套管下入速度的變化曲線,判別井筒壓力是否安全,為確定合理的下套管速度提供參考。

2.3.5 注水泥過程動態模擬模塊

在注水泥施工過程中,由于注入流體類型較多,施工工序復雜,還容易產生“U”型管效應,因此井內壓力和流量在不斷變化,開發該模塊對注水泥過程進行動態模擬十分必要。該模塊考慮了井斜、井徑、溫度、流體性能等因素的影響,可對注水泥施工過程中的井口壓力、井底壓力、井內流量、真空段長度、環空流體返速以及注水泥動態過程進行模擬[3],便于用戶直觀掌握注水泥施工過程中的井下流動狀況和井筒壓力流量變化規律,分析判別注水泥施工設計的合理性,為注水泥施工提供技術指導,模擬界面如圖4所示。

圖3 三維實際井眼模擬界面

圖4 注水泥過程動態模擬界面

2.3.6 固井頂替效率模擬模塊

固井頂替效率是反映固井質量的一個重要指標,施工之前對固井頂替效率進行預測與模擬,有助于指導用戶調整和優化固井施工方案。筆者綜合考慮了井眼質量、套管居中情況、泥漿性能、固井流體以及注水泥施工參數等因素的影響,結合驅替力理論開發了該模塊。該模塊可預測水泥封固段的頂替效率,并可繪制頂替效率隨井深變化曲線、頂替效率縱向剖面云圖,以及任一橫向剖面的頂替效率云圖,用戶可以直觀查看任一深度橫向剖面的套管居中情況和泥漿頂替情況,為優化固井施工方案提供指導,模擬界面如圖5所示。

圖5 固井頂替效率模擬界面

2.4 固井施工監控模塊

固井施工作業程序復雜,注入流體種類較多,但目前仍然多依靠經驗進行施工,難以有效保障復雜井的固井質量。因此,開發固井施工實時監控模塊對固井施工進行全程監測和控制顯得十分迫切,有助于用戶全面了解井下壓力、流量等施工情況,遇井下復雜情況時便于用戶及時科學決策,以有效減少井下復雜情況,充分保障固井質量。

筆者結合我國固井水泥車硬件采集裝置的特點,開發了固井施工監控模塊。該模塊可以對注水泥施工流體密度、排量和壓力參數進行實時監測,實時計算井底及關注點的壓力、井內實際流量和真空段長度等重要參數,通過數字、儀表、曲線等多種形式直觀顯示參數變化情況,且監測和計算的數據可以實時保存,并進行歷史數據回放,可為用戶提供一手固井施工資料。

2.5 固井施工分析功能模塊

固井施工分析是指固井施工結束以后,對固井施工過程進行分析評價,預測固井施工質量,有助于分析判別固井施工設計與固井施工措施的合理性,總結固井設計與施工經驗,為后續固井作業提供參考。

固井施工分析模塊包括固井施工質量評價與固井水泥環密封完整性分析2個子模塊。固井施工質量評價主要是通過對聲波測井數據進行分析,繪制聲波測井曲線,評價固井質量。固井水泥環密封完整性分析模塊可結合水泥石的實驗強度,對水泥環進行應力分析,確定水泥環能夠承受的最大允許內壓力,為后續鉆進、壓裂等施工作業提供技術指導,延長水泥環壽命。另外,該模塊還可分析固井第一界面的微間隙產生條件,并模擬微間隙隨井深變化曲線,為后續施工提供技術參考。

3 結論與認識

1)開發了一套集固井設計、固井模擬、實時監控及事后分析評價等功能于一體的固井施工設計模擬與監控軟件,有助于提高固井設計與分析水平和固井質量,縮短與國外同類軟件的差距,并促進我國固井工程信息化建設。

2)綜合考慮井眼質量、套管居中情況、泥漿性能、固井流體以及注水泥施工參數等因素的影響,開發了固井頂替效率模擬功能模塊,為優化固井施工參數提供參考。

3)結合我國固井水泥車硬件采集裝置的特點,開發了固井施工與監控功能模塊,對注水泥施工流體密度、排量和壓力參數進行實時監測、分析和輔助控制,有助于全面了解井下施工情況,及時科學決策以提高固井質量。

4)為了進一步提升軟件水平,還應加強固井施工分析評價技術研究,建立固井施工分析評價專家系統,實現專家知識與經驗的共享,朝向智能化方向發展[4]。

[1]黃志強.SQL Server在固井數據管理中的應用[J].長江大學學報(自科版),2009,6(1):72-74.

[2]黃志強.定向井下套管摩阻數值計算及其應用[J].石油地質與工程,2009,23(4):79-81.

[3]黃志強.注水泥動態過程研究與計算機模擬[J].特種油氣藏,2009,16(3):92-94.

[4]徐璧華,何松,何可.高溫超壓地層固井平衡壓力注水泥軟件設計[J].西部探礦工程,2012(7):75-81.

[編輯]洪云飛

TE256.1;TP39

A

1673-1409(2014)25-0030-04

2014-05-15

國家科技重大專項(2011ZX05021-006)部分研究成果。

黃浩(1992),男,現主要從事石油工程專業的學習。