现代固井技术的理论基础和现场经验

现代固井技术讲座,现代固井技术的理论基础和现场经验,第三部分,现代固井技术现场应用的技术保证（二）,现代固井技术现场应用的基本保证现代固井技术特殊计算模式,（一）现代固井技术特殊计算在固井中的意义（二）现代固井技术特殊计算的理论根据（三）现代固井技术计算的主要模式,（一）现代固井技术特殊计算在固井中的意义,.高温高压井固井作业，需要有特殊计算模式，重点解决井漏和气窜等问题；.解决固井事故需要作特殊计算；.现代固井技术离不开严密的施工措施和准确的数据,因此需要作特殊计算。,解决固井事故急需准确答案,某高温高压深井下套管突然井漏了，这是为什么，答案在哪里？某高压气井固井后气窜了井喷了，这是为什么，能预告吗？答案在哪里？某井下完套管开泵循环，井漏了；固井过程继续漏泥浆；替泥浆过程漏失更严重。这又是为什么，答案在哪里？。原因并不复杂，可是有没有一个准确的数据作答案？这就是现代固井设计特殊计算模式所要解决的任务，也就是固井特殊计算在现场固井中应用的意义。,固井特殊计算模式的理论根据,“注水泥工艺是一门科学”，“注水泥作业是一口井整个施工中最重要的组成部分”。注水泥工艺是一门由多学科组成的科学，它包括化学、地质、物理、石油机械和电工学，每一门学科对实行层间封隔这一固井目的都是很重要的。,固井特殊计算模式的主要项目,1.下套管激动压力对地层的影响2.允许的激动压力范围套管下放速度3.破坏泥浆凝胶结构所增加的压力4.Halliburton井底循环温度（BHCT）计算模式5.AmocoBHCT计算模式6.API新标准BHCT计算模式7.测井资料求BHCT计算模式,固井特殊计算模式的主要项目,8.气窜潜在系数预测气窜9.水泥浆性能系数预测气窜10.双级注水泥防窜设计11.水泥浆循环候凝法计算模式12.API水泥浆流动计算模式,（一）下套管激动压力对地层的影响,1.这时套管下端是封闭的，套管下入井内，所有流动都在环空。2.根据钻井水力学，钻杆垂直运动引起波动压力的原理，下端封闭的管子向下运动时，管子地段的摩阻压力变化将使该处的压力升高，这就是激动压力，因而对地层造成破坏（相反方向叫抽吸压力）。,应用的公式及计算方法,1.在预定的套管下放速度下计算流体在环空的平均速度：Va=DP2*Vp/(D2h-D2p)（ft/s）2.计算它所产生的激动压力梯度dPf/DL=（(Va+1/2Vp)/(1000(Dh-Dp)2）*cp3.计算薄弱层压力当量密度（ppg）4.安全检验5.符号说明：Va环空平均速度（ft/s）DPDh-管径和井径（in）Vp套管设计的下放速度（ft/s）cp泥浆塑性粘度厘泊cp（与mPa.s同）1cp=1mPa.sdPf/DL激动压力梯度psi,计算举例,1.井况设定：在13-3/8套管内下11-3/4”套管，14井眼。泥浆密度16ppg,塑性粘度40cp,薄弱层在8842ft(2695m),破裂压力当量密度18.78ppg(2.25g/cm3)，13-3/8”套管内径12.515”。2.决定下放速度30s/pice(即30s/12m)3.计算结果：设计下放速度1.31ft/s平均下放速度9.47ft/s计算的薄弱层当量29.6518.78ppg井漏了,（二）允许在激动压力范围计算套管下放速度,1.所谓激动压力就是下端封闭的管子向下运动时，管子地段的摩阻压力变化将使该处的压力升高。激动压力范围就是指该处的破裂压力和该处泥浆静液柱压力的差值。2.激动压力的计算与井眼、管径和塑性粘度有关。在一定的井眼条件下，塑性粘度越大激动压力越大，下放速度就越慢。,套管下放速度计算,计算公式如下：Pw=0.052*L*WPdPw/dL=(Pw-Phy)/LV=(dPw/dL*1000(Dh-Dp)2/(Dp2/(D2h-D2p)+1/2)*cp)L-薄弱层深度ftWP_破裂压力当量密度ppg_Phy泥浆液柱压力psiDh-井径inDp-套管外径incp塑性粘度cp(与mPa.s相同1cp=1mPa.s,计算实例,井况设定：在13-3/8套管内下11-3/4”套管，泥浆密度16ppg,塑性粘度40cp,薄弱层在8842ft(2695m),破裂压力当量密度18.78ppg(2.25g/cm3)13-3/8”套管内径12.515”。设计要求：计算下放速度和每柱的下放时间计算数据：钻井液密度塑性粘度下放速度1柱27m时间ppgcpft/smin16400.26655.5,（三）破坏泥浆凝胶结构所增加的压力,1.泥浆的凝胶结构就是静切力，下套管是个“漫长”的过程，井底泥浆形成凝胶，开泵循环首先就要破坏它，因此井壁压力增大，严重时压破地层，井漏了。2.泥浆凝胶结构取决于什么?泥浆静切力！y使用单位：lb/100ft2lb/100ft2=0.48Pa,破坏泥浆凝胶结构计算公式,计算公式：dPf/dL=y/(300(Dh-Dp)Pj=dPf/dL*LWf=（0.052*L*WP+dPf/dL*L）/LWfvsEMWLK破坏泥浆结构所增加的压力梯度dPf/dL（psi/ft)计算薄弱层激动压力Pj(psi)计算薄弱层的当量密度Wf和安全检验EMWLK-井的漏失当量密度ppglb/100ft2=0.48Pa,破坏泥浆凝胶结构计算例题,1.模拟井况：在16”套管里下13-3/8”套管后开泵循环，会不会发生井漏？泥浆密度15.244ppg（1.83g/cm3),泥浆静切力19Pa,薄弱层深度再2000m漏失当量15.8ppg(1.90)16”套管内径14.875”2.计算结果：薄弱层当量密度2.03g/cm3井漏发生了。,回头找答案,某高温高压深井下套管突然井漏了，这是为什么，答案在哪里？答案：套管下放速度失控某高压气井固井后气窜了井喷了，这是为什么，能预料到吗？答案在哪里？答案：可以预测，但未做气窜预测计算；候凝未计算水泥浆失重效率。某井下完套管开泵循环泥浆井漏了，固井过程继续漏泥浆，替泥浆过程漏失更严重。这又是为什么，答案在哪里？。答案：破坏泥浆凝胶结构增加激动压力；注水泥流速过大；替泥浆泵压过高。因为该井属渗透性地层，未造成严重井漏。,（四）Halliburton井底循环温度（BHCT）计算模式,计算公式BHCT=80+0.00053*TG1.04027*TD1.27452式中:BHCT-井底循环温度-TG-注水泥温度梯度/100ftTD-垂直井深ft,（五）AmocoBHCT计算模式,计算公式BHCT=80+(-8.49686+0.663574*(BHST-80)(1-0.000011162*TD)式中:BHCT-井底循环温度BHST-井底静止温度TD-垂直井深ft,（六）API新标准BHCT计算模式,计算公式：BHCT=80+（0.006061*TD*TG-10.0915）（1-0.1505*10-4*TD）式中:BHCT:井底循环温度TD:ftTG:ft,（七）测井资料求BHCT计算模式,测井温度与泥浆静止循环关系法计算t/（t+t）与相关温度绘制对数图先计算BHST，取得BHST后用Halliburton模式计算BHCT，如下图BHST91注水泥温度梯度2.73/100m，BHCT计算结果为67.1，与实测相同。某井测井资料求井底循环温度记录井深2343m测井前钻井液循环时间：2.5h（t）第一次测井：停止循环7.5h后井温76（t）第二次测井：停止循环12.5h后井温80（t）第三次测井：停止循环16.25h后井温84（t）,绘制对数图,（八）气窜潜在系数预测气窜,固井后水泥浆在凝固初期静压降低，气体通过正在凝固中的水泥浆渗透，而胶凝结构的形成又阻止了气体入侵。水泥浆静压降低得越多气侵得程度就越大。因此气窜潜在系数可以这样定义：水泥浆的最大压力降与井下超平衡压力的比值可以衡量气侵的程度。GFP=MPR/OBPGFP-气窜潜在系数MPR-水泥浆柱最大压力降psiOBP-液柱静压与地层压力的差值psi,水泥浆柱最大压力降如何计算,MPR=1.67*L/（Dh-dp)-(psi)1.67-单位换算系数Lc-水泥浆长度（ft）Dh-dp-井径和套管外径（in.）,气窜潜在系数GFP,GFP=MPR/OBP气窜分三个等级,(九）水泥浆性能系数防窜预测,1.根据水泥浆水化机理，失水量和水泥浆过度阶段与气窜有明显的关系，用失水量与时间的平方根的线性关系来衡量控制气窜能力。2.API失水量越低、过度段越短水泥浆防窜可能性越大。,水泥浆性能系数是对水泥浆防窜性能的评价,水泥浆从液态到固态转变初期的失水量假设与时间的平方根有线性关系，用SPN表示，在凝固过程理论上的失水量可由下式计算：SPN=API*(t100BC)1/2-(t30BC)1/2)/(30)1/2API-水泥浆失水量mL/30mint100BC-水泥浆稠度在100BC的时间mint30BC-水泥浆稠度在30BC的时间min,水泥浆性能系数防窜能力评价,SPN是衡量水泥浆防窜能力的标准之一，SPN越大防窜能力越差；反之，防窜能力就越强。水泥浆从初凝开始（表达式中稠度30BC的时间）到固态转变的初期（稠度100BC的时间）的过渡阶段越短，水泥浆的阻力就越大。,06.5-防窜能力差,水泥浆性能系数防窜评价计算某水泥浆API失水量30，100BC：300min,30BC:285min,（十）双级注水泥防窜设计,1.防漏：改变液柱静压2.防窜：降低气窜潜在系数,双级注水泥改变气窜潜在系数GFP,双级注水泥DV在10000ft水泥浆密度提高到16.2ppg井口回压200psi计算结果见下表,（十一）水泥浆循环候凝法计算模式,1.水泥浆候凝方法计算是固井特殊计算覆盖固井全过程的最后部分。2.它根据水泥浆水化过程静压随时间逐步减少的特点，对环空施加回压以补充水泥浆柱减少的静压。3.水泥浆从初凝起开始失重，一般在水泥浆候凝1hr前开始环空加压。4.因此它是固井后环空加压的科学方法。,水泥浆失重效率计算,Gp=(Ps-Pw)/60Gp=(Ws-1)h/6000Gp-水泥浆失重效率Ps水泥浆静压力Pw水柱压力Ws-水泥浆密度h-水泥浆柱,在不同时间环空蹩压值,（十二）API水泥浆流动计算模式,幂律模式和宾汉模式PowerLawBehavior&BinghamPlasticBehavior（采用1990年7月API规范）,1970流变学计算模式是石油工业标准化的新成果,APISPEC10(July1,1990)第五版本中在规范流变学计算模式时说:这个方法是目前工业标准化中的一个成果,虽然不限制其他方法，但必须具有达到目的的共同基础。”原文如右：,Thismethodispresentedinanefforttostandardizeproceduresfortheindustry.Itisnotintendedtoeliminateothermethodsbuttogiveacommongroundforcomparativepurposes.,流变学理论计算模式应用,计算塞流最高排量计算紊流最低排量计算压力降,流变学现场使用六步法,1.用旋转粘度计测出水泥浆分别在300，200，100，6，3转/分的读数；2.计算水泥浆剪切速率=1.7023N水泥浆剪切应力=0.010653.以作横坐标，作纵坐标。把各点的-画在线性坐标图和双对数坐标图上4.判别水泥浆属于什么模式5.如果是幂律模式要计算n,k值；如果是宾汉模式要计算y、值6.用相应的公式计算塞流、紊流和压力降,流动曲线计算,水泥浆剪切速率=1.7023N水泥浆剪切应力=0.01065,N-粘度计转速r/min-粘度计读数-剪切速率s-1-剪切应力lbf/ft2,模式判别,A幂律模式-各点在双对数坐标图上呈直线趋势B.宾汉模式-各点在线性坐标图上呈直线趋势,幂律模式,双对数坐标图：作横坐标作纵坐标,宾汉模式,线性坐标图：作横坐标作纵坐标,流变参数,1.幂率模式需要确定n,k值n-流动状态指数k-水泥浆稠度指数2.宾汉模式需要确定y、值y-水泥浆屈服剪切应力-水泥浆塑性粘度,双对数坐标图,在双对数坐标图找n值,最佳直线段的斜率就是n值。在最佳直线上选择两点求斜率，如斜率=(log4.5-log2.5)（log100-log25)=0.4240n=0.4240,在双对数坐标图找k值,直线在剪切应力坐标轴的截距经过换算就成为水泥浆稠度指数kK=gc*截距K-流体稠度指数gc-通用换算系数32.174lbmft/lbfs2如图中截距=0.066综合稠度指数k=K/gc(3n+1)/4n)n=0.07471lbfsn/ft2,线性坐标图,在线性坐标图找塑性粘度,最佳直线段的斜率就是塑性粘度，但必须乘以换算系数gc=(（2-1）/(2-1)*gc例题中：=（0.74-0.55）/（400-120）*gc=0.0179lbm/ft.s,在线性坐标图上找屈服应力y,直线在纵坐标（剪切应力轴）的截距就是屈服应力y，如图中：y=0.483lbf/ft2,幂率模式和宾汉模式求参数的共同点,（a）都用到最佳直线段的斜率，分别用于确定幂率模式的流动状态指数n值和宾汉模式的塑性粘度，只不过是表达式不一样而已。n=（log2-log1）/(log2-log1)=(（2-1）/(2-1)*gc（b）都用到Y轴的截距，分别用于确定幂率模式的k值和宾汉模式的屈服应力y,幂率模式在现场的计算例题,例题水泥浆密度16.4ppg水泥浆流变参数如下图井眼8”套管5-1/2”设计泵速：5bbl/min,计算要求1.环空1000ft的压力降2.环空紊流最低泵速3.环空塞流最高泵速,幂率模式计算方法及应用的公式,1.计算n,k值2.计算平均流速v3.计算综合雷诺数NRE.gen4.计算摩阻系数f5.找出临界雷诺数NRE.Crit6.计算压力降7.计算紊流Qmin8.计算塞流泵速Qmax,计算平均流速v,计算平均流速vV=17.16*Q/(Dh2-DP2)-ft/s计算综合雷诺数NRE.genNRE.gen=（1.86*V2-n*WS)/(k*(96/DE)n)f=16/NRE.gen,找出临界雷诺数NRE.Crit由n在下表查找,完成幂率模式计算要求,P=0.03875fLV2/DEQmin=0.05828(Dh2-D2P)(Nrecrik(96/DE)n/(1.86)(1/2-n)QPF=0.05828(Dh2-D2P)(53.7634(96/DE)n/()(1/2-n),幂率模式计算结果,环空1000ft压力降69.5psi环空紊流最低泵速20.9bbl/min环空塞流最高泵速2.15bbl/min。,宾汉模式在现场的计算例题,例题水泥浆密度：14.56ppg水泥浆流变参数如下表井眼8”套管5-1/2”设计泵速：5bbl/min,计算要求1.环空1000ft的压力降2.环空紊流最低泵速3.环空塞流最高泵速,宾汉模式计算方法及应用公式,1.计算y、值2.计算平均流速v3.计算综合雷诺数NRE.gen4.计算赫兹数NHE5.找出临界雷诺数NRE.Crit6.计算摩阻系数f7.计算压力降8.计算紊流Qmin9.计算塞流泵速Qmax,计算V、Nre.gen、Nhe。,V=17.16*Q/(D2h-D2P)Nr