一种深水高温高压井套管-水泥环-地层系统密封失效的数值模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深水高温高压井套管

【技术实现步骤摘要】
一种深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟方法，属于海洋石油天然气行业固井


技术介绍

[0002]近年来，常规陆地石油天然气资源的开采难度越来越大，海洋石油天然气资源的勘探比重逐年上升，深水油气的勘探开发成为国际石油工业的热点。随着海洋油气勘探开发的不断深入，钻井深度越来越大，面临的高温高压现象愈加严重。作为海洋油气开采的关键环节之一，深水高温高压条件下固井作业面临重要的挑战。目前，固井质量差、水泥环密封失效等是海上高温高压井普遍存在的问题。众所周知，海洋油气勘探作业费用非常昂贵，特别是深水以及超深水油气的开发。因此，如何采用有效的方法研究深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效问题，显得尤为重要。
[0003]在固井过程中，套管
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水泥环
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地层系统密封性能的优劣会直接影响油气井寿命、开采效益以及生产安全。大量现场生产实践表明，在水泥浆顶替到位后，经过测试油气井固井质量显示良好，但在经历后续的钻进、射孔、水泥浆密度增加以及后续的相关增产措施导致温度压力发生变化，引起井口窜流、环空带压或相应层段胶结测井质量恶化等现象，极端条件下甚至还出现了油井报废的严重后果。例如：射孔前某井测井固井质量良好，但由于射孔作业瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管
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水泥环
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地层系统上，最高可产生20000MPa的冲击压力，一旦水泥环径向拉应力超过其强度极限时，水泥环会破裂形成裂纹。与此同时，当套管内压升高到一定程度时，会导致水泥环产生脆性破坏而密封失效。
[0004]目前而言，采用理论解析方法将深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效问题研究透彻是十分困难的。同时，采用室内实验的方法分析此类问题也具有很大的局限性，一方面会消耗大量人力物力，且模拟高温高压条件存在比较大的安全风险；另一方面现有的室内模拟技术很难准确描述深水复杂作业条件。相对而言，采用数值模拟方法分析深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效问题，是最为合适的方法。深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效问题较为复杂，数值建模及网格划分技术要求非常高。因此，有必要基于深水高温高压条件，建立一套合理有效、准确可行的高温高压条件下套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟方法，为高温高压条件下水泥环密封失效问题提供有效的研究手段。
[0006]本专利技术所提供的深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟方法，包括如下步骤：
[0007]S1、根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效及固井胶结面失效过
程；
[0008]S2、根据深水高温高压井作业工况，建立套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型；
[0009]S3、基于所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型，设置模型材料参数及定义水泥环
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套管以及水泥环
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地层之间的界面；
[0010]S4、基于所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型，进行模型网格划分、施加载荷及确定边界条件；
[0011]S5、根据步骤S4构建的套管
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水泥环
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地层系统网格模型，展开数值模拟计算并获取套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟计算结果。
[0012]上述的数值模拟方法中，步骤S1按照下述步骤进行：
[0013]根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效形式，分析水泥环单轴受压及受拉应力
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应变曲线；
[0014]根据深水复杂温度压力变化情况，描述固井胶结面失效形式，采用Cohesive模型模拟固井胶结面；
[0015]根据Cohesive模型，描述水泥环与套管之间的胶结界面，确定cohesive的本构模型。
[0016]上述的数值模拟方法中，步骤S2按照下述步骤进行：
[0017]根据深水高温高压井实际固井作业工况，建立套管、水泥环、地层、套管
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水泥环界面、水泥环
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地层界面，即得到所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型；
[0018]根据典型深水高温高压井尾管特征，确定几何模型各部位尺寸；
[0019]根据深水高温高压井的井身结构特点，确定井径扩大率、设置水泥环直径及套管居中度。
[0020]上述的数值模拟方法中，步骤S3按照下述步骤进行：
[0021]基于所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型，确定套管及地层杨氏模量与泊松比；
[0022]基于水泥环CDP模型，确定水泥环材料属性；
[0023]基于Cohesive内聚力模型，描述水泥环
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套管以及水泥环
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地层之间的界面特性。
[0024]上述的数值模拟方法中，步骤S4按照下述步骤进行：
[0025]基于所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型，采用计算精度高的六面体网格对计算模型进行离散；
[0026]网格模型中地层及套管均采用向水泥环偏移布种子的方式，对水泥环进行网格加密；
[0027]网格模型中进行载荷施加及边界条件设置。
[0028]上述的数值模拟方法中，步骤S5按照下述步骤进行：
[0029]根据所述套管
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水泥环
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地层系统网格模型，结合实验条件，建立环空流体突破水泥环的有限元数值模型；
[0030]建立实验条件下的气体窜流模型，获取窜流压力随时间变化曲线；
[0031]基于数值模拟计算结果，绘制云图，完成深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效数值模拟分析。
[0032]本专利技术还提供了一种用于深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数
值模拟系统，包括处理器和存储有计算机程序的存储器；所述处理器被配置成执行所述计算机程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深水高温高压井套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟方法，包括如下步骤：S1、根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效及固井胶结面失效过程；S2、根据深水高温高压井作业工况，建立套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型；S3、基于所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型，设置模型材料参数及定义水泥环
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套管以及水泥环
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地层之间的界面；S4、基于所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型，进行模型网格划分、施加载荷及确定边界条件；S5、根据步骤S4构建的套管
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水泥环
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地层系统网格模型，展开数值模拟计算并获取套管
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水泥环
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地层系统密封失效的数值模拟计算结果。2.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S1按照下述步骤进行：根据深水复杂温度压力变化情况，描述水泥环本体失效形式，分析水泥环单轴受压及受拉应力
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应变曲线；根据深水复杂温度压力变化情况，描述固井胶结面失效形式，采用Cohesive模型模拟固井胶结面；根据Cohesive模型，描述水泥环与套管之间的胶结界面，确定cohesive的本构模型。3.根据权利要求1或2所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S2按照下述步骤进行：根据深水高温高压井实际固井作业工况，建立套管、水泥环、地层、套管
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水泥环界面、水泥环
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地层界面，即得到所述套管
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水泥环
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地层系统几何物理模型；根据典型深水高温高压井尾管特征，确定几何模型各部位尺寸；根据深水高温高压井的井身结构特点，确定井径扩大率、设置水...

【专利技术属性】
技术研发人员：范白涛，李中，武治强，幸雪松，谢仁军，吴怡，杨向前，殷志明，郭华，岳家平，徐国贤，任美鹏，郭宗禄，庞照宇，江文龙，
申请(专利权)人：中海石油中国有限公司北京研究中心，
类型：发明
国别省市：