一种保持水泥环密封完整性的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种保持水泥环密封完整性的方法及装置，该方法包括：建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型；对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围；在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封。本发明专利技术通过保持水泥环密封完整性，降低微环隙，实现了抑制气井井口环空带压的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种保持水泥环密封完整性的方法及装置
本专利技术涉及石油天然气勘探开发
，特别是涉及一种气井压裂过程中保持水泥环密封完整性的方法及装置。
技术介绍
在石油天然气勘探开发过程中，油套和技套之间的环空带压问题日益突出。产生环空带压的因素较多，如固井胶结质量差、压力变化或温度变化等，而水泥环结构破坏或出现间隙是引起环空带压的关键因素之一。当气井有大型压裂生产施工时，高压会造成水泥环产生不可恢复的径向塑性形变，即压力卸载后，套管与水泥环的第一胶结面会出现环隙，从而导致气窜和环空带压问题，对于高含硫气井还可能导致严重的人员伤亡、环境污染和经济损失。目前，国内外针对预防环空带压的主要研究一般可以分为两类：一是持续改进水泥浆配方，增强弹性变形能力；二是利用以哈利伯顿WellLock树脂材料为代表的环空封隔塞，阻止气体上窜通道。虽然国内学者也试图通过有限元的方法解决上述问题，但是现有的研究在如何通过保持水泥环密封完整性从而预防环空带压方面仍处于瓶颈状态。
技术实现思路
针对于上述问题，本专利技术提供一种保持水泥环密封完整性的方法及装置，通过保持水泥环密封完整性，降低微环隙，实现了抑制气井井口环空带压的目的。为了实现上述目的，根据本专利技术的第一方面，提供了一种保持水泥环密封完整性的方法，该方法包括：建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述水泥环位于所述套管和所述地层之间；对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围，其中，所述回压范围满足固井完毕后通过压井灌注入的，能够保持所述水泥环密封性的压力范围；在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封。优选的，所述建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，包括：根据实际采用的套管尺寸与实测井径扩大率，建立由套管、水泥环和地层所构成的三维几何模型；定义所述三维几何模型各部件的物性参数；分别建立套管和水泥环以及水泥环和地层之间的接触属性关系，获得所述套管和水泥环以及水泥环和地层之间的界面的初始应力；对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；根据所述物性参数和所述初始应力，设定所述有限元网格模型的边界条件，建立所述有限元分析模型。优选的，所述对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围，包括：根据所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数，对所述有限元模型进行回压模拟分析，获得回压模拟分析参数；对所述回压模拟分析参数进行分析计算，获得回压范围。优选的，所述根据所述有限元模型中的相关参数，对所述有限元模型进行回压模拟分析，获得回压模拟分析参数，包括：在所述有限元分析模型中对所述水泥环施加较小的内压和回压，分别建立所述套管和水泥环以及水泥环和地层之间的接触性关系；在所述有限元分析模型中分析回压对压裂过程中水泥环受力状态的影响因素；在所述有限元分析模型中模拟分析当停止施加内压和回压时，水泥环的密封状态；根据所述接触性关系、所述影响因素和所述水泥环的密封状态，分析获得回压模拟分析参数。优选的，所述在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封，包括：根据所述回压范围，确定回压设计值；对所述水泥环缓慢施加回压直至所述回压设计值，实现对水泥环的密封。根据本专利技术的第二方面，提供了一种保持水泥环密封完整性的装置，该装置包括：模型建立模块，用于建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述水泥环位于所述套管和所述地层之间；计算模块，用于对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围，其中，所述回压范围满足固井完毕后通过压井灌注入的，能够保持所述水泥环密封性的压力范围；回压施加模块，用于在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封。优选的，所述模型建立模块包括：几何模型建立单元，用于根据实际采用的套管尺寸与实测井径扩大率，建立由套管、水泥环和地层所构成的三维几何模型；定义单元，用于定义所述三维几何模型各部件的物性参数；应力获取单元，用于分别建立套管和水泥环以及水泥环和地层之间的接触属性关系，获得所述套管和水泥环以及水泥环和地层之间的界面的初始应力；网格划分单元，用于对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；有限元分析模型建立单元，用于根据所述物性参数和所述初始应力，设定所述有限元网格模型的边界条件，建立所述有限元分析模型。优选的，所述计算模块包括：模拟分析单元，用于根据所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数，对所述有限元模型进行回压模拟分析，获得回压模拟分析参数；分析计算单元，用于对所述回压模拟分析参数进行分析计算，获得回压范围。优选的，所述模拟分析单元包括：第一模拟单元，用于在所述有限元分析模型中对所述水泥环施加较小的内压和回压，分别建立所述套管和水泥环以及水泥环和地层之间的接触性关系；第二模拟单元，用于在所述有限元分析模型中分析回压对压裂过程中水泥环受力状态的影响因素；第三模拟单元，用于在所述有限元分析模型中模拟分析当停止施加内压和回压时，水泥环的密封状态；分析子单元，用于根据所述接触性关系、所述影响因素和所述水泥环的密封状态，分析获得回压模拟分析参数。优选的，所述回压施加模块包括：回压确定单元，用于根据所述回压范围，确定回压设计值；施压单元，用于对所述水泥环缓慢施加回压直至所述回压设计值，实现对水泥环的密封。相较于现有技术，本专利技术通过建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型；对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围；在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封。在本专利技术中通过建立有限元分析模型，进行有限元分析计算得到最佳的回压范围，固井后在水泥环上方加上回压，可以改善水泥环受力状态，提高界面胶结强度，降低微环隙，从而保持水泥环密封的完整性，抑制气井井口环空带压。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一提供的一种保持水泥环密封完整性的方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例二中对应的图1所示S11步骤中的具体建立有限元分析模型的流程示意图；图3为本专利技术实施例二中对应的图1所示S12步骤中的计算回压范围的流程示意图；图4为本专利技术实施例二中对应的图1所示S13步骤中施加回压的流程示意图；图5为本专利技术实施例三中提供的一种保持水泥环密封完整性的装置的结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的说明书和权力要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种保持水泥环密封完整性的方法，其特征在于，该方法包括：建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述水泥环位于所述套管和所述地层之间；对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围，其中，所述回压范围满足固井完毕后通过压井灌注入的，能够保持所述水泥环密封性的压力范围；在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封。

【技术特征摘要】
1.一种保持水泥环密封完整性的方法，其特征在于，该方法包括：建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，其中，在所述气井中，所述水泥环位于所述套管和所述地层之间；对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围，其中，所述回压范围满足固井完毕后通过压井灌注入的，能够保持所述水泥环密封性的压力范围；在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立气井井下的由套管、水泥环和地层所构成的有限元分析模型，包括：根据实际采用的套管尺寸与实测井径扩大率，建立由套管、水泥环和地层所构成的三维几何模型；定义所述三维几何模型各部件的物性参数；分别建立套管和水泥环以及水泥环和地层之间的接触属性关系，获得所述套管和水泥环以及水泥环和地层之间的界面的初始应力；对所述三维几何模型进行网格划分，获得有限元网格模型；根据所述物性参数和所述初始应力，设定所述有限元网格模型的边界条件，建立所述有限元分析模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数进行分析，计算获得回压范围，包括：根据所述有限元分析模型中的与所述水泥环受力特性的相关参数，对所述有限元模型进行回压模拟分析，获得回压模拟分析参数；对所述回压模拟分析参数进行分析计算，获得回压范围。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述有限元模型中的相关参数，对所述有限元模型进行回压模拟分析，获得回压模拟分析参数，包括：在所述有限元分析模型中对所述水泥环施加较小的内压和回压，分别建立所述套管和水泥环以及水泥环和地层之间的接触性关系；在所述有限元分析模型中分析回压对压裂过程中水泥环受力状态的影响因素；在所述有限元分析模型中模拟分析当停止施加内压和回压时，水泥环的密封状态；根据所述接触性关系、所述影响因素和所述水泥环的密封状态，分析获得回压模拟分析参数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述回压范围内，对固井施工后的水泥环施加回压进行密封，包括：根据所述回压范围，确定回压设计值；对所述水泥环缓慢施加回压直至所述回压设计值，实现对水泥环的密封。6.一种保持水泥环密封完...

【专利技术属性】
技术研发人员：马小龙，兰凯，杨玄，郝小龙，姚平均，王鑫，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务有限公司，中石化中原石油工程有限公司固井公司，
类型：发明
国别省市：北京,11