注水泥设计与计算机辅助应用PPT课件

-,1,注水泥设计与计算机辅助应用,-,2,主要内容,设计内容概述设计资料准备注水泥设计原则与方法注水泥设计步骤注水泥设计格式计算机辅助设计软件与应用,-,3,1、设计内容概述,基本原则整个注水泥过程（包括候凝）环空压力处于一个平衡状态；在封固段水泥浆能充分顶替掉泥浆；既不会压漏地层，也不使油气水窜入环形空间。,-,4,1、设计内容概述,注水泥类型注水泥（常规注水泥作业）；打水泥塞（平衡注水泥塞）；挤水泥。,-,5,1、设计内容概述,注水泥主要设计内容井眼条件（如温度、压力、井况）、钻井液性能等基本注水泥环境的审定、分析；注水泥作业方式选择，确定采用什么方法进行该次注水泥作业；水泥浆设计，如密度、用量、性能与配方等；前置液与后置液设计；,-,6,1、设计内容概述,注水泥主要设计内容设备与工具附件的选择，如扶正器的安放、刮泥器的使用、水泥车的选配等；顶替工艺设计，如顶替流态、流速的选择与施工程序安排；注水泥前的准备，如循环洗井要求、泥浆性能的调节、人员组织与职责分工等；注水泥作业结果评价，主要指对整个施工计划实施过程的模拟效果分析与实际施工后的事后评价分析两方面的工作。,-,7,1、设计内容概述,注水泥主要设计内容其他内容：对于整个固井作业而言，还应进行套管强度校核与下套管方面的计算，这里不再阐述。,-,8,1、设计内容概述,设计过程:整理和分析设计所需的基本资料；设计总体的注水泥方案；设计施工流体（水泥浆、前置液等），并以化验室实测数据最终确定其性能与配方；设计套管附件与注水泥设备的使用，如扶正器安放位置等；安排详细的施工作业计划；,-,9,1、设计内容概述,设计过程:模拟和评价整个施工计划的实施过程，分析模拟注水泥效果；根据模拟情况进一步调整施工参数和施工流体性能；实施注水泥作业；分析评价作业结果。,-,10,2、设计资料准备,1）工程设计要求：指钻井、地质和开发上对注水泥作业的要求。这是注水泥的目标参数，必须保证整个设计应满足这些参数的要求。水泥返深需封固的产层顶部与底部深度阻流环位置（水泥塞长度）候凝时间水泥环封固质量水泥石性能等特殊要求：如对热采井而言，需要求水泥石在高温下无强度衰减等。,-,11,2、设计资料准备,2）地层资料地层资料主要是指环空裸眼段的压力、温度、地层和产层情况，这些情况在设计水泥浆密度、注水泥方式、水泥浆体系以及顶替参数时都有重要的作用。,-,12,2、设计资料准备,2）地层资料（）温度数据水泥浆顶部与底部温差井底循环温度(BHCT)井底静止温度(BHST)配浆用水的温度温度大小的影响：对外加剂加量对水泥石强度,-,13,2、设计资料准备,2）地层资料（）温度数据温度数据的获取地温梯度：井底静止温度：井底循环温度：直接测量：循环温度投测仪测温小球、电测计算机模拟：与注水泥过程有关,-,14,井下循环温度预测方法,15,API方法和经验方法与井下实测值的比较,研究目的,16,建立井下循环温度分布的数学模型完成了从能量平衡方程、壁面对流换热系数的确定、热源项的计算和数学模型的求解。井下温度的实测验证工作循环温度预测软件研究泥浆、水泥浆热物性参数测定,主要研究内容,17,研究建立了二维瞬态循环温度预测模型,考虑因素全面合理，相对于Homles的稳态模型和Hansa的假稳态模型更符合实际情况，它能给出注水泥过程中井眼不同位置以及不同时间状态下的循环温度。应用无条件稳定的全隐式有限差分法数值解其精度可靠，采用松弛法高斯塞德尔迭代其运算速度快。对于0.2小时的时间间隔，循环15个小时，相当于计算75个时间点，仅仅需要1分钟。,井下循环温度分布的数学模型,-,18,泥浆排出,泥浆排出,泥浆进入,T2,表层套管,钻杆,地层Tij,地层Tij,T1,T2,T3,T3,环空泥浆,水泥,T1=T2,-,19,能量平衡方程,(2)对于环空内的热交换,(3)对于地层内的热传导,(1)对于钻杆内的热交换,-,20,模型特点,该模型采用差分方程的形式清楚明了的表达出了井下各单元在流体对流过程中的热交换状态，通过采用适当差分格式和迭代方法可以使得运算快速稳定的收敛。通过精确的确定各单元之间总传热系数，既可考虑各种复杂的井身结构又使得模型较为简单；该模型还将考虑其它热源对井下温度的影响。,21,本模型与Homles稳态模型和Hansa瞬态模型的对比,井下循环温度分布的数学模型,-,22,循环温度实测验证测量内容,地层静止温度剖面7”套管固井后静止48小时后（实际静止57小时）测量。采用的常规温度测井仪。泥浆循环温度对8-1/2”裸眼和7”套管固井后各深度点。采用井下温度储存记录仪。,-,23,循环温度实测验证井眼条件,地理位置：牙哈5构造，钻机编号：60704（三勘）钻机类型：F400-4DH井别：开发评价井井深：5360m井身结构：表层套管20250m第一层套管133/81500m第二层套管95/84700m第三层套管75358m泥浆类型：聚磺泥浆密度：1.40g/cm3，泥浆粘度：50s,-,24,循环温度实测验证测量概况,(a)裸眼井中泥浆排量：24.24l/s，井眼大小：81/2“钻杆直径：5，仪器的采样间隔：30s第一个测深点：5300m，循环时间：15小时，第二个测深点：5000m，循环时间：4小时，(b)7套管固井后泥浆排量：10.88l/s，井眼大小：7“钻杆直径：89mm，仪器的采样间隔：75s第一个测深点：5300m，循环时间：15小时，第二个测深点：5000m，循环时间：4小时，第三个测深点：4700m，循环时间：4小时，第四个测深点：4300m，循环时间：4小时，第五个测深点：4000m，循环时间：4小时，,-,25,T=-4.6+0.0236H,循环温度实测验证测量结果,26,对YH501、YX1和YN4三口井预测的井下循环温度与实测的四组数据对比都较为吻合，其最大误差不超过2，平均相对误差仅为1.84，而API方法和经验方法其平均相对误差均在6以上。,循环温度实测验证,27,预测循环温度方法的比较井号井深地温静止温度循环温度本模型API回归方程0.7T静0.8T静梯度实测值预测值计算值计算值计算值53002.08128.5685.6587.67+2.36109.34+27.6686.81+1.3599.21+15.83YH50002.08122.283.0984.65+1.87102,20+23.0085.54+2.9497.76+17.6550153002.08128.5698.2199.55+1.36109.34+11.3386.81-9.7799.21+1.0150002.08122.296.3098.59+2.38102,20+6.1285.54-11.1797.76+1.5147002.08115.9695.1096.60+1.5796.24+1.1981.17-14.6492.76-2.4643002.08107.6491.1892.43+1.3788.30-3.1475.34-17.3786.11-5.5640002.08101.488.1488.50+0.4182.35-6.5670.98-19.4681.12-7.96YX123802.068.052.5550.67-3.5853.28+1.3947.6-9.4254.5+3.52YN432002.084.063.3362.27-1.6766.47+4.9658.8-7.1567.2+6.11平均相对误差的绝对值（）1.848.4010.366.84,循环温度实测验证,28,通过参数敏感性分析可知，水泥浆、泥浆及岩石的热物性参数对井下循环温度的准确计算有非常显著的影响。泥浆或水泥浆比热20%的变化，将引起预测温度45的误差。地层的热导率当有50%的变化时，也将引起预测温度49的误差。首次对水泥浆、泥浆的热物理性质进行了系统的实验研究。共获得7个温度段、不同密度、两类泥浆和不同成分水泥浆的比热参数151个，不同成分、不同密度泥浆和水泥浆的热导率参数24个。本项实验研究成果填补了我国石油行业中泥浆和水泥浆热物性研究的空白。为井下温度预测研究提供了可靠的应用基础。,泥浆、水泥浆热物性参数测定,29,温度预测软件,-,30,2、设计资料准备,2）地层资料（2）压力数据地层孔隙压力：钻井泥浆密度测井预测地层破裂压力：地漏实验数学计算预测（岩石力学与测井方法）,-,31,2、设计资料准备,2）地层资料（3）地层情况这些资料主要用于确定注水泥时环空顶替返速的范围、准确设计水泥浆密度、选择水泥浆体系类型。考虑是否存在：循环漏失、易塌等复杂井段；异常压力地层；异常岩性层（主要指盐岩层等）,-,32,2、设计资料准备,2）地层资料（3）地层情况需了解数据：漏失层的层位、深度范围，漏失压力，漏失时的泥浆密度、粘度、返速等，复杂情况井段对环空液体返速的一般限制范围，异常压力地层的压力大小，异常岩性的性质、层位深度等等,-,33,2、设计资料准备,当有异常压力情况时:水泥浆的设计应非常慎重。当钻井液当量密度超过1.351.6g/cm3以上时，便应考虑解决可能出现的气窜问题。如在注水泥方案上，可采用具有封隔器的尾管结构，在水泥浆设计中应加入阻气剂或气阻剂（如国内的KQ,G-60,DS公司GASBLOCK、D600、Halliturton的LATAX2000等），对一般不严重气侵井可选择多凝注水泥方案。上述设计均应在钻井液压稳地层条件下进行。,-,34,2、设计资料准备,当有特殊岩性（一般指膏盐层）时：应控制好盐岩层的影响，首先要保持水泥与盐岩的胶结质量，防止盐岩层的溶解影响第二界面质量。这时，一般应设计采用饱和盐水水泥浆，同时还使水泥浆具有高密度，以控制地层的塑性流动。,-,35,2、设计资料准备,当存在漏失问题时：应先进行堵漏处理，然后才能进行注水泥作业。处理结果应当有一个钻井液循环平衡条件，该当量密度值能提供出最小承压梯度，作为注水泥设计的基础数据。依据此条件可考虑分级注水泥或使用低密度水泥、触变性水泥等。,-,36,2、设计资料准备,2）地层资料（4）产层情况产层情况主要是指所固产层是油层还是气层，产层的渗透率等参数。这些资料主要用于选择水泥浆体系类型，性能要求等。如控制水泥浆向产层的过量漏失，避免造成产层的污染，如果产层是气层，则应要求采用防窜水泥浆体系以保证凝固期间不出现气窜。,-,37,2、设计资料准备,3）井眼形状参数井径、钻具尺寸、套管组合及完井方法。井深（垂直深度与测量深度）套管外径（包括壁厚）裸眼直径套管柱组合（如贯眼管柱、尾管、套管回接、复合套管施工等）井斜数据。,-,38,2、设计资料准备,3）井眼形状参数用途：计算井底温度所需液体容积静液柱压力顶替流动参数（流态、流动压降等）对水泥浆的性能也提出相应的要求,裸眼井径的变化情况对设计合理的顶替流动方式是非常重要的，在井眼中如有固结不良的薄弱地层时，井眼由于冲饰往往增大很多，很难实现紊流顶替，这便要求设计时应考虑使用低速（塞流）顶替方法来获取较好的顶替效果。井斜变化的大小对水泥浆的自由水性能也将提出不同的要求。,-,39,2、设计资料准备,4）钻井液类型与性能外加剂组成，密度和性能（如粘度、切力、失水、含砂量、pH值等）以及有关处理情况。,钻井液的性能对顶替的影响是较大的，一个良好性能的钻井液可大大提高泥浆的顶替效率，这在顶替机理中已经说明。因此，准确掌握钻井液资料对正确设计水泥浆和前置液，并在注水泥前合理地处理好钻井液性能是非常重要的。钻井液种类一般可分为淡水泥浆、盐水泥浆、乳化泥浆和油基泥浆四类，设计水泥浆时就必须考虑与泥浆的相容性。选择前置液时也需考虑泥浆的种类，如在乳化或油基泥浆环境下应保证加在水泥浆前面的冲洗液或隔离液的组分适合于亲水性的环空顶替。重要作业设计时还应模拟现场条件进行相容性试验。,-,40,2、设计资料准备,5）水泥与外加剂情况、配浆设备情况资料主要包括现有干水泥、外加剂的存货情况，外界可能的供货情况。注水泥机泵能力，混合方式，活动套管能力与方式等。一般要求设计水泥浆时应先在现有的外加剂和水泥情况下进行，如果无法满足该井的施工要求，再根据货源情况进行设计并提出订货要求。,-,41,3、影响注水泥顶替效率的主要因素,套管居中度流体性能（水泥浆、隔离液性能）注水泥顶替参数顶替流态紊流接触时间泥浆性能,-,42,3、影响注水泥顶替效率的主要因素,-,43,3、影响注水泥顶替效率的主要因素,-,44,3、影响注水泥顶替效率的主要因素,-,45,3、影响注水泥顶替效率的主要因素,-,46,4、注水泥设计原则与方法,4.1平衡压力设计原则注水泥顶替过程压稳：PaPp+PPa：环空静液压力Pp：地层孔隙压力P：地层孔隙压力安全附加值不漏Pa+PfaPf-PPfa：流体在环空的流动阻力。Pf：地层破裂压力。,-,47,4、注水泥设计原则与方法,4.1平衡压力设计原则候凝过程控制失重防止窜流Pa+PcPpPc：地层流体在水泥浆的流动阻力，与水泥浆的静胶凝强度发展有关。,-,48,4、注水泥设计原则与方法,4.2注水泥工艺方法选择方法分类：一次注水泥分级注水泥尾管注水泥非常规的注水泥工艺，如内管注水泥，外管注水泥，反循环注水泥等,-,49,4、注水泥设计原则与方法,4.2注水泥工艺方法选择分级注水泥工艺的选择原则当要求注入过大的水泥量，环空形成水泥柱过长，有过大静液压差或地层不能承受长段水泥浆柱液柱压力时，应采用双级或多级注工艺。当下部有气层，为防止过大失重时，应采用双级或多级注水泥工艺。当封固段太长，其水泥浆柱的顶部位置与底部位置的温度差别太大，使得很难设计在这两种温度下性能均能满足要求的水泥浆时，应采用双级注水泥工艺。当要求在上部某层有不受泥浆污染的水泥封固段时，当在上下有封隔层，但中间不需水泥封隔时，可采用双级注水泥。,-,50,4、注水泥设计原则与方法,4.2注水泥工艺方法选择分级注水泥工艺的类型正规的非连续式的双级注水泥非正规连续式的双级注水泥三级注水泥一般情况仅可能采用正规的非连续式的分级注水泥方式。采用这种方法时，如果条件允许，第一级返深最好在分级箍位置150200m以上。一级碰压后，从井口放压确认浮鞋浮箍工作可靠，水泥不回流，方可投入打开塞。,-,51,4、注水泥设计原则与方法,4.2注水泥工艺方法选择分级箍位置选择原则分级箍位置的选择主要应依据井眼的压力剖面而定。即保证分级后，每级注水泥中的环空压力均能满足井眼安全的要求。在此基础上同时，还应考虑如下要求：分级箍选择位置最好置于外层套管段内，否则应设置在地层坚硬、稳定的井段。分级箍所在井段位置的井径应规则，且在较直井段，过大斜度会影响重力塞与下内套重合密封，使打开不可靠。,-,52,4、注水泥设计原则与方法,4.3水泥浆设计设计顶替流态环空水泥浆柱组成水泥浆体系与性能要求水泥浆配方与性能试验用量计算,-,53,4、注水泥设计原则与方法,4.3水泥浆设计环空水泥浆柱组成水泥浆体系与性能要求水泥浆配方与性能试验用量计算,-,54,4、注水泥设计原则与方法,环空水泥浆组成结构,常规：泥浆+前置液（冲洗液/隔离液）+水泥浆（尾浆）常规：泥浆+前置液（冲洗液/隔离液/冲洗液）+水泥浆（领浆+尾浆）单级双封：泥浆+前置液（冲洗液/隔离液）+水泥浆+中间液（隔离液+泥浆+隔离液）+水泥浆（尾浆）双级：泥浆+前置液（冲洗液/隔离液）+水泥浆（尾浆）,-,55,4、注水泥设计原则与方法,环空各段水泥浆长度设计原则一般要求尾浆应返到主封固段以上50150m，而领浆返至设计返高以上，如有中间浆，其返深应视具体要求确定。按这一返深初步确定了各浆体的长度后，还应根据其对各段水泥浆的密度要求，在考虑满足环空平衡压力要求的原则下进一步进行调整。,-,56,4、注水泥设计原则与方法,环空各段水泥浆密度设计原则保证环空压力安全（平衡压力条件）的原则下，尾浆密度应首先考虑使用正常密度范围（即在标准配浆水灰比下配出的水泥浆的密度），而领浆密度可稍低于尾浆密度，一般低于正常水泥浆密度0.01-.02即可，中间浆一般与尾浆密度一致或介于领浆与尾浆之间。考虑：使用外加剂下综合性能最佳时的密度值；水泥浆不发生沉降的最大用水量（最低密度）及具有最低可泵性情况下的最小用水量（最大密度）；满足抗压强度要求的密度值和保证顶替效率时与钻井液密度的最低密度差；通过减轻与加重处理后，水泥浆可能达到的最低密度与最大密度值。,-,57,4、注水泥设计原则与方法,计算环空总的液柱压力,分析环空压力是否处于平衡（可通过井眼压力剖面图分析）,平衡/不平衡,调整先导水泥浆的密度调整先导水泥浆的返深调整尾浆密度（加重、减轻）,完成,-,58,4、注水泥设计原则与方法,进行了环空液柱压力校核后，如井眼有油气窜的可能，还应校核环空浆柱的失重情况，如失重较严重并可能引起油气窜时，还应进一步采用多凝结构（使用中间浆）以控制失重的速度。设计中应注意的是，在实际施工中，不可能完全达到设计的水泥浆密度和返深位置，因此在设计时，必须使得水泥浆密度和各段液体长度在一定范围内变化时，其环空仍能保持一平衡压力状态。其进行的方法是将密度和长度分别在一定范围内变化，然后校核其环空压力的平衡情况。,-,59,4、注水泥设计原则与方法,4.3水泥浆设计环空水泥浆柱组成水泥浆体系与性能要求水泥浆配方与性能试验用量计算,-,60,4、注水泥设计原则与方法,用量计算水泥浆用量环空水泥浆量的计算干灰与配浆水用量国外计算方法国内计算方法外加剂用量加重、减重剂用量,-,61,4、注水泥设计原则与方法,4.4前置液与后置液设计选择原则前置液的结构前置液的密度和用量前置液类型后置液设计,-,62,4、注水泥设计原则与方法,4.4前置液与后置液设计选择原则前置液的结构前置液的密度和用量前置液类型后置液设计,-,63,4、注水泥设计原则与方法,、只用冲洗液或紊流隔离液时，要求用量满足10min接触时间，其用量可计算如下：q=10Qc60/1000q冲洗液用量，m3Qc顶替临界排量，L/s当计算的冲洗液用量在环空中的长度超过250m时，则以冲洗液封固250m环空所需的用量为准。,-,64,4、注水泥设计原则与方法,、同时使用冲洗液和隔离液时，其总的用量仍按上面公式计算，然后两种液体按2:1的容积比例分别计算其用量即可。但对总量的限制要求不超过环空高度300m为准。、对粘性隔离液的用量，要求能充填环空长度150200m。、对尾管或小间隙井眼注水泥，因环空容积较小，故按上面要求计算的用量可能很小。一般要求用量不小于1.6m3。、根据所固井的井深情况和环空压力的平衡情况，可适当增加用量，一般当井深超过3000m后，每增加300m深度，应在设计总量中附加0.20.3m3。在环空井眼稳定、地层压力平衡满足的情况下，为提高顶替质量，可加大前置液的用量，长度可达到其应封固层段的长度。,-,65,4、注水泥设计原则与方法,4.4前置液与后置液设计选择原则前置液的结构前置液的密度和用量前置液类型后置液设计,-,66,4、注水泥设计原则与方法,后置液主要用于隔离水泥浆与管内顶替泥浆，一般使用配浆水即可。但在尾管注水泥中后置液的使用还有平衡注水泥后管内外压差，防止形成小循环的作用。故在设计中需根据管内外压力情况计算需使用的后置液量。使用高度：计算位置的环空压力=计算位置的管内压力+附加值计算位置的管内压力=顶替液(泥浆)压力+轻压塞液或碰压液压力轻后置液或碰压液压力=液体高度密度方法：根据前三方程可解出轻顶替液的使用高度。,-,67,4、注水泥设计原则与方法,4.5注水泥顶替流动设计顶替流型顶替液体流变参数的要求“U”型管效应计算与控制顶替过程参数变化,-,68,4、注水泥设计原则与方法,4.5注水泥顶替流动设计顶替流型顶替液体流变参数的要求“U”型管效应计算与控制顶替过程参数变化,-,69,4、注水泥设计原则与方法,确定合理顶替流速范围的原则井眼的稳定性，是否有易漏、易塌等薄弱地层，这些层位对环空返速的限制情况，这些数据可邻井或区块的资料获得。正常钻井过程中的环空返速情况。裸眼井径变化情况及对返速的限制，如当裸眼井径变化较大，存在所谓的“大肚子”时，一般要求返速不能太大，以免进一步冲蚀井壁。同时在“大肚子”段一般是很难达到紊流的。套管居中度情况，当套管居中度不好时，应避免使用塞流顶替；井斜情况，当在大斜度或水平井套管注水泥时，应避免使用塞流顶替；泥浆泵与注水泥设备的工作能力。,-,70,4、注水泥设计原则与方法,选择顶替流态的原则顶替流态的选择主要是考虑在现有配浆能力下能否配出在上述流速范围内达到紊流或塞流状态的水泥浆和前置液。其选择的原则是：首先考虑使用紊流流态进行顶替，如果现有条件不能实现紊流则考虑使用塞流或低速顶替。在两者均无法实现的情况下，再设计为在尽量高速下的层流顶替，这时，应充分考虑紊流前置液的使用，以弥补水泥浆不能达到紊流的缺陷。,-,71,4、注水泥设计原则与方法,4.5注水泥顶替流动设计顶替流型顶替液体流变参数的要求“U”型管效应计算与控制顶替过程参数变化,-,72,4、注水泥设计原则与方法,4.5注水泥顶替流动设计顶替流型顶替液体流变参数的要求“U”型管效应计算与控制顶替过程参数变化,-,73,4、注水泥设计原则与方法,-,74,4、注水泥设计原则与方法,4.5注水泥顶替流动设计顶替流型顶替液体流变参数的要求“U”型管效应计算与控制顶替过程参数变化,-,75,4、注水泥设计原则与方法,流动阻力环空与管内静压局部流动阻力井口压力套管鞋处压力紊流接触时间,-,76,5、注水泥设计步骤,设计内容井眼条件（如温度、压力、井况）、钻井液性能等基本注水泥环境的审定、分析；注水泥作业方式选择，确定采用什么方法进行该次注水泥作业；水泥浆设计，如密度、用量、性能与配方等；前置液与后置液设计；设备与工具附件的选择，如扶正器的安放、刮泥器的使用、水泥车的选配等；顶替工艺设计，如顶替流态、流速的选择与施工程序安排；注水泥前的准备，如循环洗井要求、泥浆性能的调节、人员组织与职责分工等；注水泥作业结果评价，主要指对整个施工计划实施过程的模拟效果分析与实际施工后的事后评价分析两方面的工作。,-,77,5、注水泥设计步骤,设计步骤(1)整理和分析设计所需的基本资料；(2)设计总体的注水泥方案，具体可按如下步骤进行；选择注水泥方案顶替流型前置液的类型与用量环空水泥浆柱组成水泥浆体系与性能要求,-,78,5、注水泥设计步骤,流程：第1步注水泥工艺方法第2步选择设计某一级注水泥过程第3步选择顶替流速范围和顶替流态第4步确定前置液组成、密度、用量第5步确定水泥浆组成、密度、返深第6步校核环空平衡压力情况第7步制定水泥浆性能要求第8步选择水泥浆体系、外加剂体系,-,79,5、注水泥设计步骤,(3)设计施工流体（水泥浆、前置液等），并以化验室实测数据最终确定其性能与配方,计算出水泥浆、水泥与外加剂的用量；(4)作业计划设计设计套管附件与注水泥设备的使用，如扶正器安放位置等；临界排量初步作业计划,-,80,5、注水泥设计步骤,初步的注水泥方案，主要包括：注前置液的排量、时间；注先导水泥浆的排量、时间；注尾