注水泥過程動態模擬研究

注采過程是固井施工的重要環節。與此過程相關的液體通常包括鉆頭液、預埋液、水泥砂漿、預埋液和輔助液，有時還有各種預埋液和預埋液。由于各種流體的密度及所屬流型可能不同,即使在相同的井身條件及流量下,各流體的流態、靜液柱壓力及循環壓耗也不完全相同,而井身條件在不同井深也不盡相同,在整個注替施工過程中泵入的流量也可能改變。因此,在注替施工過程中的任一時刻,固井流體的流動特性都在變化,注水泥施工動態參數也隨之變化。國外許多大公司,如Hallibaton、DS、Western等,都建立有自己的注水泥仿真模擬系統,使得他們的注水泥作業能在科學、規范的技術指導下完成,以獲得良好的質量保證;國內近年來也越來越重視注水泥仿真系統的研究與開發,并取得了一定的成果,但還沒有完全使用施工設計與施工仿真模擬系統,從而使得整個注水泥施工過程控制帶有很大的盲目性,在很大程度上影響了注水泥頂替質量的提高?；趪鴥韧饧夹g現狀,筆者從注水泥基本理論出發,建立了注水泥過程各動態參數的計算模式,并開發了一套注水泥過程動態模擬軟件。1計算出的水泥過程中不同動態參數的計算方法1.1套管內、環空分段注水泥施工過程中用到9種流體,分別是鉆井液、前置液(3種)、水泥漿(2種)、后置液(2種)、頂替液。假設這9種流體的設計用量分別是VFi(i=1,2,…,9),對于沒有用到的流體,其設計用量為0;根據頂替管柱和待固套管的內徑不同可將管內劃分為Nc段,各段的內徑為DCi(cm),長度為LCi(m)(i=1,2,…Nc);將上層套管內徑和裸眼井徑稱為環空外徑,待固套管外徑和頂替管柱外徑稱為環空內徑,根據不同環空外徑和環空內徑對應的段長將環空劃分為Na段,分段后各段的環空外徑為DAi(cm),環空內徑為DIi(cm),各段的長度分別為LAi(m)(i=1,2,…,Na)。套管內及環空分段如圖1所示。由上到下第i段管內容積UCi和套管內的總容積UCC分別為:UCi=7.854×10-5DC2iLCiUCC=7.854×10?5∑i=1NcDC2iLCiUCC=7.854×10-5∑i=1ΝcDCi2LCi由上到下第i段環空的容積UAi和環空總容積UA分別為:UAi=7.854×10?5(DA2i?DI2i)LAiUA=7.854×10?5∑i=1Na(DA2i?DI2i)LAiUAi=7.854×10-5(DAi2-DΙi2)LAiUA=7.854×10-5∑i=1Νa(DAi2-DΙi2)LAi1.2固井流體的設計設Tx時刻泵入排量為QVm(m3/s),則從注替開始到Tx時刻,泵入井內的流體體積VPI(m3)為:VPI=∑m=1TxQVm(Tm+1?Tm)(1)VΡΙ=∑m=1ΤxQVm(Τm+1-Τm)(1)由式(1)可確定Tx時刻泵入井內的流體總量,泵入流體的序號m由:VTm?1＜VPI≤VTmVTm=∑i=2mVFiVΤm-1＜VΡΙ≤VΤmVΤm=∑i=2mVFi確定。式中,VTm-1、VTm分別是前m-1、m種固井流體的設計用量總和;VFi為各種固井流體的體積。1.3自由可動力學設Tx時刻套管內固井流體實際充填容積為UCR,則在自由下落期間:UCR=UCC-VHE(VHE為井口不連續段的體積)在自由下落開始前和自由下落結束后,UCR=UCC。1vfmvfm設Tx時刻正在泵入井內的固井流體順序號為N,如果VPI≤UCR,則所有泵入的固井流體均在套管內,其類型代號為N,N-1,…,2,套管內泵入的各種固井流體的體積分別為VF2,VF3,…,VFN-1,VFM(VFM為正在泵入的固井流體已泵入的體積,VFM=VPI-VTN-1)。如果在Tx時刻,VPI>UCR,則已泵入的固井流體已返出套管鞋進入環空或返到地面。此時,套管內固井流體的類型為N,N-1,…,Ne,且Ne流體在套管內的量為:VMC=VFNe-[(VTNe+1+VFM)-UCR]返到環空中的量為:VMH=(VTNe+VFM)?UCR?13UbVΜΗ=(VΤΝe+VFΜ)-UCR-13Ub式中,Ub為口袋容積,m3。2vfne-1-pvh如果VPI≤UCR+UA+13UbVΡΙ≤UCR+UA+13Ub,那么環空內的固井流體為Ne,Ne-1,…,2,各種流體的體積為VF2,VF3,VF4,…,VFNe-1和VMH。如果VPI＞UCR+UA+13UbVΡΙ＞UCR+UA+13Ub,則表明泵入的固井流體已返出地面。此時,環空內固井流體的類型為Ne,Ne-1,…,Nb,且Nb流體在環空內的量為:VMA=VFNb?[(VTNb+VFM)?UCR?UA?13Ub]VΜA=VFΝb-[(VΤΝb+VFΜ)-UCR-UA-13Ub]返出地面的量為:VMU=(VTNb+VFM)?UCR?UA?13UbVΜU=(VΤΝb+VFΜ)-UCR-UA-13Ub1.4tx期間固井流液柱的長度和位置的確定1去hvd的計算首先確定井口不連續段所對應的套管段數及長度HVE,即如果LTj≥HVE,求出在相應的套管段第j段除去HVE后剩余的長度LD和相應的容積VLD:LD=LTj-HVEVLD=7.854×10-5DI2jLD式中,LD為第j段套管內除去真空段后的長度,m;LTj為前j段管柱的長度之和。2將i型水流的長度i和j段環的空氣量為j，j計算LAi,j的計算過程同LCi,j。3第14c由上述計算可求出LCi,j和LAi,j,因此,套管內第i種流體的液柱長度為TLCi=∑j=1NcLCi,jΤLCi=∑j=1ΝcLCi,j,若Tx時刻第i種流體沒有在第j段套管內,則LCi,j=0。同樣,環空內第i種流體的液柱長度為TLAi=∑j=1NaLAi,jΤLAi=∑j=1ΝaLAi,j,若Tx時刻第i種流體沒有在第j段環空內,則LAi,j=0。4管道環空內xe-tlcn的截面位置已知Tx時刻井口不連續段的長度HVE,正在注入的流體種數是第N種,則第N種流體的上界面是HVE,下界面是HVE+TLCN,第N-1種流體的上界面是第N種流體的下界面。同樣,環空內各流體的液面位置即可求解。在定向井中,求出了各固井流體在套管及環空內的液面位置,可以根據測井數據求出各流體的垂直長度,進而求得各種流體的靜液柱壓力。2基于動力特性的注水泥模擬以上述理論研究為基礎,考慮以下模擬條件:1)井眼環空由若干段(任意段)組成,各段的井徑、井斜可不同;2)管內部分由若干段組成,各段的內徑、井斜可不同;3)考慮套管在環空處于一定的偏心狀態;4)考慮井眼內同時注入多種液體,各液體的流型及流變性能可不同;5)考慮“U型管效應”現象的出現與影響;6)考慮局部流動阻力作用;7)考慮注替排量的變化以及停泵等復雜施工條件的影響。在MicrosoftWindows的環境下,基于SQLServer2000數據庫,用VisualBasic6.0可視化編程語言開發了注水泥過程動態模擬軟件。該模擬軟件是在取得待固井的地質資料、井身參數和設計數據后,對注水泥方案的實施過程進行模擬分析。用戶通過可視化界面,可直觀地觀察注水泥過程中的地面參數(流量、壓力等)和井下動態參數(液面位置、流速、流態、紊流接觸時間、井內實際流量及真空段高度等)的變化情況,以及井底壓力和薄弱地層處環空動壓力。設計人員可根據模擬施工中出現的問題,對注水泥方案進行調整,直至選出最佳方案。3參數模擬光2平6井是江漢油田所屬的一口水平井,該井完鉆井深3600m,鉆頭直徑215.9mm;油層套管外徑139.7mm,水泥返高2220m;井內鉆井液密度為1.26g/cm3;使用鹽水作為前置液,用量為6.0m3;水泥漿密度為1.9g/cm3,設計用量為23.55m3;采用鉆井液作為頂替液,替入量42.54m3。圖2和圖3為光2平6井部分參數模擬曲線。由圖2可以看出,施工時首先注入前置液,由于前置液密度小于鉆井液密度,因此井口壓力逐漸增大;3min后開始注水泥,由于水泥漿密度大于鉆井液密度,使得井口壓力開始減小,直至減小到0,此時,井內實際流量大于泵入排量,即在第10min開始受“U型管效應”影響,管內出現真空段(如圖3);隨著注替施工的進行,第26min時注水泥施工結束,開始停泵下膠塞;第29min開始注入頂替液,由于頂替液的密度小于水泥漿密度,井內實際流量慢慢小于泵入排量,真空段長度開始減小,直至消失。模擬最終頂替泵壓19.5MPa,與實際值18MPa相比,相對誤差為8.33%,