注水泥过程动态模拟研究

注水泥过程动态模拟研究

注采过程是固井施工的重要环节。与此过程相关的液体通常包括钻头液、预埋液、水泥砂浆、预埋液和辅助液，有时还有各种预埋液和预埋液。由于各种流体的密度及所属流型可能不同,即使在相同的井身条件及流量下,各流体的流态、静液柱压力及循环压耗也不完全相同,而井身条件在不同井深也不尽相同,在整个注替施工过程中泵入的流量也可能改变。因此,在注替施工过程中的任一时刻,固井流体的流动特性都在变化,注水泥施工动态参数也随之变化。国外许多大公司,如Hallibaton、DS、Western等,都建立有自己的注水泥仿真模拟系统,使得他们的注水泥作业能在科学、规范的技术指导下完成,以获得良好的质量保证;国内近年来也越来越重视注水泥仿真系统的研究与开发,并取得了一定的成果,但还没有完全使用施工设计与施工仿真模拟系统,从而使得整个注水泥施工过程控制带有很大的盲目性,在很大程度上影响了注水泥顶替质量的提高。基于国内外技术现状,笔者从注水泥基本理论出发,建立了注水泥过程各动态参数的计算模式,并开发了一套注水泥过程动态模拟软件。1计算出的水泥过程中不同动态参数的计算方法1.1套管内、环空分段注水泥施工过程中用到9种流体,分别是钻井液、前置液(3种)、水泥浆(2种)、后置液(2种)、顶替液。假设这9种流体的设计用量分别是VFi(i=1,2,…,9),对于没有用到的流体,其设计用量为0;根据顶替管柱和待固套管的内径不同可将管内划分为Nc段,各段的内径为DCi(cm),长度为LCi(m)(i=1,2,…Nc);将上层套管内径和裸眼井径称为环空外径,待固套管外径和顶替管柱外径称为环空内径,根据不同环空外径和环空内径对应的段长将环空划分为Na段,分段后各段的环空外径为DAi(cm),环空内径为DIi(cm),各段的长度分别为LAi(m)(i=1,2,…,Na)。套管内及环空分段如图1所示。由上到下第i段管内容积UCi和套管内的总容积UCC分别为:UCi=7.854×10-5DC2iLCiUCC=7.854×10−5∑i=1NcDC2iLCiUCC=7.854×10-5∑i=1ΝcDCi2LCi由上到下第i段环空的容积UAi和环空总容积UA分别为: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固井流体的设计设Tx时刻泵入排量为QVm(m3/s),则从注替开始到Tx时刻,泵入井内的流体体积VPI(m3)为:VPI=∑m=1TxQVm(Tm+1−Tm)(1)VΡΙ=∑m=1ΤxQVm(Τm+1-Τm)(1)由式(1)可确定Tx时刻泵入井内的流体总量,泵入流体的序号m由:VTm−1＜VPI≤VTmVTm=∑i=2mVFiVΤm-1＜VΡΙ≤VΤmVΤm=∑i=2mVFi确定。式中,VTm-1、VTm分别是前m-1、m种固井流体的设计用量总和;VFi为各种固井流体的体积。1.3自由可动力学设Tx时刻套管内固井流体实际充填容积为UCR,则在自由下落期间:UCR=UCC-VHE(VHE为井口不连续段的体积)在自由下落开始前和自由下落结束后,UCR=UCC。1vfmvfm设Tx时刻正在泵入井内的固井流体顺序号为N,如果VPI≤UCR,则所有泵入的固井流体均在套管内,其类型代号为N,N-1,…,2,套管内泵入的各种固井流体的体积分别为VF2,VF3,…,VFN-1,VFM(VFM为正在泵入的固井流体已泵入的体积,VFM=VPI-VTN-1)。如果在Tx时刻,VPI>UCR,则已泵入的固井流体已返出套管鞋进入环空或返到地面。此时,套管内固井流体的类型为N,N-1,…,Ne,且Ne流体在套管内的量为:VMC=VFNe-[(VTNe+1+VFM)-UCR]返到环空中的量为:VMH=(VTNe+VFM)−UCR−13UbVΜΗ=(VΤΝe+VFΜ)-UCR-13Ub式中,Ub为口袋容积,m3。2vfne-1-pvh如果VPI≤UCR+UA+13UbVΡΙ≤UCR+UA+13Ub,那么环空内的固井流体为Ne,Ne-1,…,2,各种流体的体积为VF2,VF3,VF4,…,VFNe-1和VMH。如果VPI＞UCR+UA+13UbVΡΙ＞UCR+UA+13Ub,则表明泵入的固井流体已返出地面。此时,环空内固井流体的类型为Ne,Ne-1,…,Nb,且Nb流体在环空内的量为:VMA=VFNb−[(VTNb+VFM)−UCR−UA−13Ub]VΜA=VFΝb-[(VΤΝb+VFΜ)-UCR-UA-13Ub]返出地面的量为:VMU=(VTNb+VFM)−UCR−UA−13UbVΜU=(VΤΝb+VFΜ)-UCR-UA-13Ub1.4tx期间固井流液柱的长度和位置的确定1去hvd的计算首先确定井口不连续段所对应的套管段数及长度HVE,即如果LTj≥HVE,求出在相应的套管段第j段除去HVE后剩余的长度LD和相应的容积VLD:LD=LTj-HVEVLD=7.854×10-5DI2jLD式中,LD为第j段套管内除去真空段后的长度,m;LTj为前j段管柱的长度之和。2将i型水流的长度i和j段环的空气量为j，j计算LAi,j的计算过程同LCi,j。3第14c由上述计算可求出LCi,j和LAi,j,因此,套管内第i种流体的液柱长度为TLCi=∑j=1NcLCi,jΤLCi=∑j=1ΝcLCi,j,若Tx时刻第i种流体没有在第j段套管内,则LCi,j=0。同样,环空内第i种流体的液柱长度为TLAi=∑j=1NaLAi,jΤLAi=∑j=1ΝaLAi,j,若Tx时刻第i种流体没有在第j段环空内,则LAi,j=0。4管道环空内xe-tlcn的截面位置已知Tx时刻井口不连续段的长度HVE,正在注入的流体种数是第N种,则第N种流体的上界面是HVE,下界面是HVE+TLCN,第N-1种流体的上界面是第N种流体的下界面。同样,环空内各流体的液面位置即可求解。在定向井中,求出了各固井流体在套管及环空内的液面位置,可以根据测井数据求出各流体的垂直长度,进而求得各种流体的静液柱压力。2基于动力特性的注水泥模拟以上述理论研究为基础,考虑以下模拟条件:1)井眼环空由若干段(任意段)组成,各段的井径、井斜可不同;2)管内部分由若干段组成,各段的内径、井斜可不同;3)考虑套管在环空处于一定的偏心状态;4)考虑井眼内同时注入多种液体,各液体的流型及流变性能可不同;5)考虑“U型管效应”现象的出现与影响;6)考虑局部流动阻力作用;7)考虑注替排量的变化以及停泵等复杂施工条件的影响。在MicrosoftWindows的环境下,基于SQLServer2000数据库,用VisualBasic6.0可视化编程语言开发了注水泥过程动态模拟软件。该模拟软件是在取得待固井的地质资料、井身参数和设计数据后,对注水泥方案的实施过程进行模拟分析。用户通过可视化界面,可直观地观察注水泥过程中的地面参数(流量、压力等)和井下动态参数(液面位置、流速、流态、紊流接触时间、井内实际流量及真空段高度等)的变化情况,以及井底压力和薄弱地层处环空动压力。设计人员可根据模拟施工中出现的问题,对注水泥方案进行调整,直至选出最佳方案。3参数模拟光2平6井是江汉油田所属的一口水平井,该井完钻井深3600m,钻头直径215.9mm;油层套管外径139.7mm,水泥返高2220m;井内钻井液密度为1.26g/cm3;使用盐水作为前置液,用量为6.0m3;水泥浆密度为1.9g/cm3,设计用量为23.55m3;采用钻井液作为顶替液,替入量42.54m3。图2和图3为光2平6井部分参数模拟曲线。由图2可以看出,施工时首先注入前置液,由于前置液密度小于钻井液密度,因此井口压力逐渐增大;3min后开始注水泥,由于水泥浆密度大于钻井液密度,使得井口压力开始减小,直至减小到0,此时,井内实际流量大于泵入排量,即在第10min开始受“U型管效应”影响,管内出现真空段(如图3);随着注替施工的进行,第26min时注水泥施工结束,开始停泵下胶塞;第29min开始注入顶替液,由于顶替液的密度小于水泥浆密度,井内实际流量慢慢小于泵入排量,真空段长度开始减小,直至消失。模拟最终顶替泵压19.5MPa,与实际值18MPa相比,相对误差为8.33%,