本發(fā)明屬于尾管固井工程，具體涉及一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、尾管固井是油氣井鉆探過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。固井的主要步驟為：在井內(nèi)下入尾管，并在尾管與井壁之間的環(huán)形空間內(nèi)注入水泥漿，使尾管與井壁固結(jié)在一起。初期，注入的水泥漿呈液態(tài)，此時(shí)，環(huán)空內(nèi)液體對(duì)地層作用的壓力為作用點(diǎn)以上各漿柱的靜液壓力之和；因?yàn)樗酀{密度較大，因此能夠起到壓住地層的作用。然而，隨著時(shí)間的推移，水泥漿逐漸凝結(jié)固化，且水泥漿在凝結(jié)過(guò)程中，與井壁和尾管的連接力不斷增加，使得水泥漿柱的重量懸掛在套管和井壁上；也就是說(shuō)，水泥漿在候凝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生失重現(xiàn)象，從而降低了對(duì)地層的壓力。當(dāng)環(huán)空液柱的對(duì)地壓力小于地層壓力時(shí)，地層流體會(huì)侵入環(huán)空并竄至井口，不僅造成油氣資源浪費(fèi)，而且也污染了周邊環(huán)境，造成資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)候凝過(guò)程中的最低井底剩余壓力是實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn)防竄的關(guān)鍵。

2、目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水泥漿失重進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究；例如國(guó)外sabins等學(xué)者提出了膠凝失重理論和膠凝懸掛失重壓力公式，其以48pa的膠凝強(qiáng)度計(jì)算水泥漿最大失重值；國(guó)內(nèi)郭小陽(yáng)等學(xué)者對(duì)大斜度井進(jìn)行水泥漿失重規(guī)律研究，提出沉降失重理論和沉降失重壓力公式，其按照初凝時(shí)水泥漿液柱壓力降至等高水柱壓力計(jì)算失重值；這兩種理論計(jì)算方法均屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，并未考慮套管偏心、水泥漿水化對(duì)水泥漿失重的影響。此外，現(xiàn)有的水泥漿失重測(cè)量裝置也僅能對(duì)單一條件下的水泥漿失重狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，且測(cè)試時(shí)需要進(jìn)行大量的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)操作，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值預(yù)測(cè)水泥漿候凝失重過(guò)程中的最低井底剩余壓力，不僅增加了最低井底剩余壓力的預(yù)測(cè)難度，而且也不能較準(zhǔn)確地反應(yīng)井下復(fù)雜條件下水泥漿極限失重時(shí)最低井底剩余壓力，影響環(huán)空竄流的準(zhǔn)確預(yù)防。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，其在考慮尾管偏心、水泥漿水化的基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)斜直井段下水泥漿候凝失重過(guò)程中的最低井底剩余壓力進(jìn)行更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，為候凝過(guò)程中環(huán)空補(bǔ)償壓力的精確施加提供理論指導(dǎo)，對(duì)預(yù)防環(huán)空竄流具有重要的意義。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，最低井底剩余壓力pb由水泥漿頂端的液柱壓力p0、水泥漿體積縮小導(dǎo)致的極限壓力損失δpss和水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy確定，其滿足pb＝p0+psy-δpss；所述水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy通過(guò)以下公式確定：

3、

4、式中：ρcem為水泥漿的密度；

5、g為重力加速度；

6、β為長(zhǎng)斜直井段的井斜角；

7、n為尾管視為連續(xù)梁時(shí)，尾管在各穩(wěn)定器處拆分獲得的跨梁個(gè)數(shù)；

8、li為第i跨梁的長(zhǎng)度；

9、yi(x)為尾管于第i跨梁處的總撓度；

10、x為各跨梁的取矩距離；

11、τl為水泥漿具備完全防氣竄能力的臨界靜膠強(qiáng)度值，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定。

12、dsw為穩(wěn)定器外徑；

13、dco為尾管外徑；

14、所述水泥漿體積縮小導(dǎo)致的極限壓力損失δpss包括水泥漿極限水化下的收縮壓力損失δpchsh；所述水泥漿極限水化下的收縮壓力損失δpchsh的計(jì)算公式為：

15、

16、式中，為水灰比；

17、ccem為水泥漿壓縮系數(shù)，取2.85×10-5mpa-1。

18、優(yōu)選地，所述水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy的確定方法包括：

19、s1、將長(zhǎng)斜直井段處帶多個(gè)穩(wěn)定器的尾管視為多支點(diǎn)連續(xù)梁，并根據(jù)縱橫彎曲梁理論確定尾管于各跨梁處的總撓度yi(x)；

20、s2、對(duì)水泥漿微元體進(jìn)行受力分析，確定各跨梁處水泥漿膠凝失重后的剩余壓力變化率所述水泥漿膠凝失重后的剩余壓力變化率通過(guò)以下公式計(jì)算：

21、

22、式中：δp為水泥漿微元體在井筒方向上的壓降；

23、δh為水泥漿微元體在井筒方向上的長(zhǎng)度；

24、ρcem為水泥漿的密度；

25、g為重力加速度；

26、β為長(zhǎng)斜直井段的井斜角；

27、τ為水泥漿靜膠凝強(qiáng)度；

28、yi(x)為尾管于第i跨梁處的總撓度；

29、x為各跨梁的取矩距離；

30、dsw為穩(wěn)定器外徑；

31、dco為尾管外徑；

32、s3、計(jì)算水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy，所述水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy通過(guò)以下公式確定：

33、

34、式中，n為尾管視為連續(xù)梁時(shí)，尾管在各穩(wěn)定器處拆分獲得的跨梁個(gè)數(shù)；

35、li為第i跨梁的長(zhǎng)度；

36、τl為水泥漿具備完全防氣竄能力的臨界靜膠強(qiáng)度值，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定。

37、優(yōu)選地，所述水泥漿體積縮小導(dǎo)致的極限壓力損失δpss包括水泥漿失水導(dǎo)致的極限壓力損失δpfl，所述水泥漿失水導(dǎo)致的極限壓力損失δpfl的計(jì)算公式為：

38、

39、式中，pi為第i跨梁處水泥漿的壓力；

40、ppro為地層壓力，通過(guò)實(shí)鉆數(shù)據(jù)獲得；

41、δpr為參考?jí)翰睿?/p>

42、ccem為水泥漿壓縮系數(shù)，取2.85×10-5mpa-1；

43、e為水泥漿活化能；

44、r為氣體常數(shù)；

45、tr為參考溫度；

46、ti為第i跨梁處水泥漿的溫度；

47、vflmax(tr,δpr)為單位體積水泥漿在參考溫度tr與參考?jí)翰瞀膒r下的最大失水量。

48、優(yōu)選地，單位體積水泥漿在參考溫度tr與參考?jí)翰瞀膒r下最大失水量vflmax(tr,δpr)通過(guò)單位體積水泥漿的靜態(tài)濾失試驗(yàn)獲得。

49、優(yōu)選地，水泥漿活化能e的確定方法為：

50、將多個(gè)單位體積的水泥漿試樣進(jìn)行相同壓差、不同溫度下的水泥漿靜態(tài)濾失試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)壓差δp、各水泥漿試樣的試驗(yàn)溫度t和各水泥漿試樣的的最大失水量vflmax(t,δp)，獲得多組(t，vflmax(t,δp))；

51、利用第一擬合方程對(duì)多組(t，vflmax(t,δp))進(jìn)行擬合，獲得水泥漿活化能e。

52、如上，本發(fā)明的一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，具有以下有益效果：

53、本發(fā)明在計(jì)算最低井底剩余壓力時(shí)充分考慮了尾管偏心、水泥漿極限水化的影響，使得最低井底剩余壓力的計(jì)算更為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確；此外，在進(jìn)行最低井底剩余壓力時(shí)，計(jì)入考慮溫度和壓力影響下水泥漿失水導(dǎo)致的壓力損失，進(jìn)一步提升最低井底剩余壓力計(jì)算的準(zhǔn)確度，對(duì)預(yù)防環(huán)空竄流具有重要的意義。

技術(shù)特征：

1.一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，其特征在于，最低井底剩余壓力pb由水泥漿頂端的液柱壓力p0、水泥漿體積縮小導(dǎo)致的極限壓力損失δpss和水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy確定，其滿足pb＝p0+psy-δpss；所述水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy通過(guò)以下公式確定：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，其特征在于，所述水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力psy的確定方法包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，其特征在于，所述水泥漿體積縮小導(dǎo)致的極限壓力損失δpss包括水泥漿失水導(dǎo)致的極限壓力損失δpfl，所述水泥漿失水導(dǎo)致的極限壓力損失δpfl的計(jì)算公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，其特征在于，單位體積水泥漿在參考溫度tr與參考?jí)翰瞀膒r下最大失水量vflmax(tr,δpr)通過(guò)單位體積水泥漿的靜態(tài)濾失試驗(yàn)獲得。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，其特征在于，水泥漿活化能e的確定方法為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種長(zhǎng)斜直井段下水泥漿失重過(guò)程中最低井底剩余壓力的計(jì)算方法，最低井底剩余壓力P<subgt;b</subgt;由水泥漿頂端的液柱壓力P<subgt;0</subgt;、水泥漿體積縮小導(dǎo)致的極限壓力損失ΔP<subgt;ss</subgt;和水泥漿膠凝失重后的極限剩余壓力P<subgt;sy</subgt;確定，其滿足P<subgt;b</subgt;＝P<subgt;0</subgt;+P<subgt;sy</subgt;?ΔP<subgt;ss</subgt;；本發(fā)明在計(jì)算最低井底剩余壓力時(shí)，考慮了尾管偏心和水泥漿水化的影響，有效提高最低井底剩余壓力計(jì)算的準(zhǔn)確度。

技術(shù)研發(fā)人員：郝鋒,杜鵬,張宗峰,王宏民,高東亮,汪珂欣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中石化石油工程技術(shù)服務(wù)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21