一种热采井水泥环封固完整性的评价方法技术

本发明专利技术提供了一种热采井水泥环封固完整性的评价方法。该评价方法包括：确定注蒸汽热采井的热采施工参数；井筒内环境变化分析；实验确定温度对水泥石性能参数的影响；利用ABAQUS建立热传导模型；通过ABAQUS数值接口程序生成ODB文件；建立套管‑水泥环‑地层组合体的流固耦合模型；将热传导模型的ODB文件导入流固耦合模型中；对模型求解并分析数值结果。本发明专利技术的评价方法将水泥石强度衰退与高温高压的恶劣环境导致的水泥石破坏结合起来，对于评价热采井水泥环封固完整性具有非常重要的意义。

An evaluation method of cement ring sealing integrity in thermal production wells

The invention provides a method for evaluating the cement ring sealing integrity of a thermal production well. The evaluation methods include: determining the construction parameters of thermal recovery of steam injection wells; analyzing the environmental changes in the wellbore; determining the influence of temperature on the performance parameters of cement paste through experiments; establishing the heat conduction model by using ABAQUS; generating ODB file by ABAQUS numerical interface program; establishing the fluid structure coupling model of casing cement ring formation combination; importing ODB file of heat conduction model into fluid structure In the coupling model, solve the model and analyze the numerical results. The evaluation method of the invention combines the strength decline of cement stone with the damage of cement stone caused by the harsh environment of high temperature and high pressure, which is of great significance for evaluating the integrity of cement ring sealing of thermal production wells.

【技术实现步骤摘要】
一种热采井水泥环封固完整性的评价方法
本专利技术涉及一种评价热采井水泥环固井封固完整性的方法，属于石油天然气勘探开发领域。
技术介绍
固井时是向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业。固井后，套管-水泥环-地层组合体会胶结在一起，良好的胶结起到保护套管、支撑地层、封固油气层的作用，对安全高效生产有着重要的影响。但是，由于固井时的操作失误或是油气生产开发过程中的恶劣环境，导致水泥环封固失效情况的发生。如何提高套管与井壁间水泥环的密封质量、提高水泥环的强度时固井工程长期关注的问题。固井水泥环的力学性能，影响着固井的质量和油气井的寿命。现今全球剩余的石油资源中，稠油资源远远超过常规原油，稠油将是21世纪的重要能源之一。目前国内外稠油开采主要方式为蒸汽吞吐和蒸汽驱，热力采油时蒸汽温度高达380℃。在热采条件下，水泥石在高温下将不可避免的发生抗压强度衰退、渗透率增加等现象，水泥石的稳定性遭到破坏，井筒层间封隔效能失效，井口冒汽冒泡严重，导致层间气窜和环空带压，套损严重，大大缩短稠油井的生产寿命，影响稠油热采井开采效率，造成严重的经济损失，同时，酸性气田还可能对环境造成污染，给公众带来危害。根据辽河油田、克拉玛依等国内稠油生产区块现场数据统计，稠油井套损率高达50％，因水泥环层间封隔失效问题导致停产的井每年以10％的比例逐年上升，井口带压及井场周围冒汽冒泡、层间互窜严重。目前，对于常规地层油气井固井封固完整性的分析较多，而对于注汽井水泥环封固完整性的分析评价较少，这就对注气开发井建设和生产过程中风险的识别和控制造成阻碍，对于保证注气开发井固井作业安全及油气井长期高效开采，保证注气开发井固井水泥环的长期封隔稳定性存在很大的局限性。
技术实现思路
针对
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是为了提供一种热采井高温高压环境下水泥环封固完整性的评价方法，该方法不仅对温度造成的水泥石性能下降进行分析，而且对外力作用下(温度、压力、注入流体等)水泥石本体失效和界面失效进行分析评价，从而建立了一套完整的力学体系。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种热采井水泥环封固完整性的评价方法，包括以下步骤：1)获取热采井施工参数；2)对水泥石进行不同温度条件养护并测试其性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比；3)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热传导模型；4)将热传导模型计算得到ODB文件；5)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热流固耦合模型；6)对导入ODB文件的热流固耦合模型求解并分析数值结果，分析内容包括水泥石的温度分布、水泥石的周向应力、剪切应力以及一二界面是否出现微环隙。其中步骤1)中各种参数可以由施工现场获取，并代入步骤3)和5)。步骤2)中可以通过实验室对水泥石测试获得，并代入步骤3)和5)。优选的，所述步骤1)中热采井施工参数包括井口注蒸汽参数、井身轨迹参数、套管的属性参数、地层的属性参数、水泥石的属性参数以及目标层位载荷；所述井口注蒸汽参数包括注蒸汽压力、温度、速率、注蒸汽时间；所述井身轨迹参数包括套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度；所述套管的属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导率；所述地层的属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率；所述水泥石的属性参数包括密度、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率；所述目标层位载荷包括温度、压力；优选的，所述步骤1)中目标层位载荷计算方法如下：1)井筒内温度变化：将油管内的蒸汽温度看作与地面温度一致，即T＝Tsur(t)(0＜t≤tend)(1)其中，t为时间；T为蒸汽温度，℃；Tsur(t)为地面温度，℃；地面温度指蒸汽地面注入时的温度。2)井筒内压力降计算公式为：其中，p-平均压力，pa；z-井深，m；d-输汽管线的内径，m；Ap为油管截面积，m2；is-蒸汽质量流量，kg/h；qg-蒸汽体积流量，m3/h。p、is、qg均为现场施工确定。ρm为密度，kg/m3，其计算式为：式中，M为气体分子量，无因次；R为通用气体常数，一般为R＝8.314J/(mol-1·℃-1)；γ为气体比重，无因次；Tf为气体温度，℃。vm为速度，m/s，其计算式为：式中，q为注蒸汽流量，m3/d，现场施工确定。气体压缩因子Z的计算式为：A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分别取值为A1＝0.31506237、A2＝-1.0467099、A3＝-0.57832729、A4＝0.53530771、A5＝-0.61232932、A6＝-0.1048813、A7＝0.68157001、A8＝0.68446549式中，A1-A8的取值采用现今普遍认同的Dranchuk、Purris和Robinson的方法，通过经验公式确定；Tpr为井下某一位置处的温度，℃，由Tf迭代求得，或可简化为与Tf相等。fm为湿蒸汽流体的摩擦阻力系数，其计算式为：式中，e为管柱内壁绝对粗糙度，普通油管一般取4.57×10-5；Re为气相雷诺数，无因次，计算式为μm＝μs1-H·μwH(8)Vm＝XVs+(1-X)Vw(10)式中，VT为套管体积；μs和μw分别为气态和液态水的粘度；Vw和Vs分别为注入的液态水和气态水的体积；Vm和H为中间过渡量；X为干度，计算式为：式中，C1＝is(hs-hw)(12)式中，Q为井筒热损失，W；hs为汽化潜热焓，hw为水的显热焓；采用W.S.Tortlke及S.M.FarouqAil的计算方法；hm为总热焓，KJ/kg，计算方法为：hm＝Xhs+(1-X)hw(15)优选的，所述步骤2)中，首先利用常温养护箱(50℃)养护两天，转入高温养护釜养护两天，养护温度区间为50-380℃，使用压力机进行抗拉强度测试，利用巴西劈裂实验破坏载荷计算抗拉强度的方法为：其中，σt为抗拉强度；D为试件直径；L为试件厚度；P为破坏载荷。优选的，所述步骤3)、步骤5)中，模型建立不使用Tie约束，即允许组合体脱开。优选的，所述步骤3)中，热传导模型的建立步骤为①建立部件；②施加属性；③装配部件；④施加分析步；⑤添加相互作用；⑥施加载荷；⑦划分网格；⑧提交作业。其中，步骤①建立部件：建立三个不同的部件，分别为套管、水泥环和地层，地层厚度为套管-水泥环组合体的10倍。建立部件所需的套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸由现场井眼轨迹参数确定。步骤②施加属性：套管的属性包括套管密度、套管弹性模量、套管泊松比、套管热膨胀系数、套管热传导率由施工现场给出。地层的属性包括岩石的密度、岩石弹性模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热采井水泥环封固完整性的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)获取热采井施工参数；/n2)对水泥石进行不同温度条件养护并测试其性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比；/n3)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热传导模型；/n4)将热传导模型计算得到ODB文件；/n5)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热流固耦合模型；/n6)对导入ODB文件的热流固耦合模型求解并分析数值结果，分析内容包括水泥石的温度分布、水泥石的周向应力、剪切应力以及一二界面是否出现微环隙。/n

【技术特征摘要】
1.一种热采井水泥环封固完整性的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)获取热采井施工参数；
2)对水泥石进行不同温度条件养护并测试其性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比；
3)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热传导模型；
4)将热传导模型计算得到ODB文件；
5)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热流固耦合模型；
6)对导入ODB文件的热流固耦合模型求解并分析数值结果，分析内容包括水泥石的温度分布、水泥石的周向应力、剪切应力以及一二界面是否出现微环隙。


2.如权利要求1所述的一种热采井水泥环封固完整性的评价方法，其特征在于：所述步骤1)中热采井施工参数包括井口注蒸汽参数、井身轨迹参数、套管的属性参数、地层的属性参数、水泥石的属性参数以及目标层位载荷；所述井口注蒸汽参数包括注蒸汽压力、温度、速率、注蒸汽时间；所述井身轨迹参数包括套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度；所述套管的属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导率；所述地层的属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率；所述水泥石的属性参数包括密度、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率；所述目标层位载荷包括温度、压力。


3.如权利要求2所述的一种热采井水泥环封固完整性的评价方法，其特征在于：所述步骤1)中目标层位载荷计算方法如下：
1)井筒内温度变化：将油管内的蒸汽温度看作与地面温度一致，即
T＝Tsur(t)(0＜t≤tend)(1)
其中，t为时间；T为蒸汽温度，℃；Tsur(t)为地面温度，℃；
2)井筒内压力降计算公式为：



其中，p-平均压力，pa；z-井深，m；d-输汽管线的内径，m；Ap为油管截面积，m2；is-蒸汽质量流量，kg/h；qg-蒸汽体积流量，m3/h；p、is、qg均为现场施工确定；
ρm为密度，kg/m3，其计算式为：



式中，M为气体分子量，无因次；R为通用气体常数，一般为R＝8.314J/(mol-1·℃-1)；γ为气体比重，无因次；Tf为气体温度，℃；
vm为速度，m/s，其计算式为：



式中，q为注蒸汽流量，m3/d，现场施工确定；
气体压缩因子Z的计算式为：



A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8分别取值为
A1＝0.31506237、A2＝-1.0467099、A3＝-0.57832729、A4＝0.53530771、A5＝-0.61232932、A6＝-0.1048813、A7＝0.68157001、A8＝0.68446549
式中，A1-A8的取值采用现今普遍认同的Dranchuk、Purris和Robinson的方法，通过经验公式确定；Tpr为井下某一位置处的温度，℃，由Tf迭代求得，或可简化为与Tf相等；
fm为湿蒸汽流体的摩擦阻力系数，其计算式为：



式中，e为管柱内壁绝对粗糙度，普通油管一般...

【专利技术属性】
技术研发人员：步玉环，刘忠广，郭胜来，柳华杰，郭辛阳，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37