一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法技术

本发明专利技术涉及油气井固井技术领域，具体公开了一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，分别包括以下步骤：步骤

【技术实现步骤摘要】
一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法


[0001]本专利技术涉及油气井固井
，尤其涉及一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法。

技术介绍

[0002]随着我国常规油气资源的不断开采，常规油气资源不能满足日益增长的能源需求，增产稳产难度日益提高。为了解决油气资源短缺，保障国家能源安全，未来的油气勘探和开发逐步向非常规油气资源发展。天然气水合物是一种新型的非常规潜在能源，主要分布于海底沉积物和陆上永久冻土层。天然气水合物被认为是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型清洁能源之一。天然气水合物赋存量巨大，初步估算，全球天然气水合物资源量约为21
×
10
15
m3，是煤炭、石油和天然气总量的两倍。当前天然气水合物成为世界各国关注的焦点。
[0003]天然气水合物固井技术是天然气水合物开采的关键环节。在固井过程中，由于水泥水化放热的影响，井眼周围环境温度升高，改变了周围水合物的温度环境，造成水合物的分解。水合物分解体积会剧烈膨胀，产生大量气体侵入水泥浆内，一方面将导致本已胶结良好的水泥环与井壁之间出现微环空等固井质量下降问题，且气体不断地向上喷发，产生严重后果；另一方面水合物的分解将导致该区域地层的不稳定，如果发生塌陷的现象，会破坏整个层位，形成恶性循环，使周围的水合物全部分解，最终导致固井失败等一系列问题。
[0004]公开号为CN112723822A的中国专利文件公开了一种固井用低水化热低密度水泥浆体系，在该水泥浆体系中，使用低热硅酸盐水泥、60％闭口珍珠岩与40％二级粉煤灰组成代替油井水泥，虽然降低了水泥浆水化放热的问题，但该固井水泥浆体系的温度使用范围为40～85℃，远远高于水合物地层的分解温度。
[0005]“深水浅部水合物储层水平井井筒温度计算模型”(董胜伟等，特种油气藏，2020/8)一文基于南海神狐海域储层和钻井基本参数,研究了水平井钻井过程中井筒热量传递过程,构建了泥浆循环过程中井筒温度剖面计算模型,研究了地面泥浆排量、密度、初始温度、水平位移等参数对井筒温度场的影响规律。但未研究水泥整个水化过程中对井筒温度场的影响。
[0006]综上所述，由于天然气水合物储层地质条件、温度和压力环境的复杂性和特殊性，以及水泥水化热导致水泥温度上升远超过天然气水合物稳定赋存的条件，因此需要采取降低水泥水化热。现阶段天然气水合物固井技术虽然集中在低温低水化热水泥浆体系研究，但降低油井水泥浆体系的水化放热，无法满足低温下水泥石在较短时间内兼备较高的抗压强度，且候凝时间过长。在此基础上，需要对水泥浆水化放热量进行合理设计，以满足水化期间稳定地层，固化之后固结地层的目的。
[0007]因此，确定油井水泥浆水化放热与天然气水合物稳定性之间的关系，是天然气水合物固井急需解决的关键问题。针对这一关键问题，需要提出天然气水合物安全长效固井设计方法，本专利技术在现有技术的基础上，从理论层面指导水泥浆合理的水化热范围，以保证
天然气水合物地层的稳定赋存条件，并根据实际井况需求改变计算参数，进而指导水泥浆体系的建立。从而保证固井质量，为天然气水合物安全高效开采打下坚实基础。

技术实现思路

[0008]本专利技术的构思是：以保证天然气水合物稳定开采为前提，对固井用水泥浆体系进行水化热评价。分别从四个方面来进行评价：
①
通过实验获得水泥浆体系累计放热量；
②
以水泥水化动力学模型为基础，计算不同阶段的动力学参数；
③
确定天然气水合物地层物性参数，以传热学基础理论得出水泥浆对地层环境温度的改变情况；
④
结合天然气水合物地层物性参数，确定该体系对天然气水合物地层的损伤程度，指导体系配方。
[0009]基于此，本专利技术的目的在于提出一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，对于固井用水泥浆，采用水泥水化动力学理论，对不同水泥浆体不同水化阶段进行定量分析，确定其水化动力学关键参数，并结合热力学定律，推导的环空
‑
套管
‑
地层产热传热方程，将水化动力学实验参数转换为实际工况下的温度变化，并结合天然气水合物稳定赋存条件，得出该体系下水泥浆水化放热对天然气水合物地层的影响程度。
[0010]为进一步实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法。包括以下步骤：
[0011]步骤
①
：通过等温量热仪，获得水泥浆体在特定温度下的累计放热量；
[0012]步骤
②
：采用Krstulovic以及Dabic提出的水泥浆水化反应动力学模型，确定水泥浆水化参数，对水泥浆不同反应阶段进行划分，主要包括三个阶段，不同阶段数学模型如下：
[0013]成核结晶与晶体生长过程(NG)：
[0014][
‑
ln(1
‑
α)]1/m
＝K
NG
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]相边界反应过程(I)：
[0016]1‑
(1
‑
α)
1/3
＝K
I
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]扩散过程(D)：
[0018][1
‑
(1
‑
α)
1/3
]2＝K
D
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]式中：α——水泥水化度，
[0020]K
NG
——NG过程中的水化反应速率常数，
[0021]K
I
——I过程中的水化反应速率常数，
[0022]K
D
——D过程中的水化反应速率常数，
[0023]t——水化时间，单位为h，
[0024]m——反应级数，无因次，
[0025]公式1～3中所涉及的参数，可采用水泥浆常用的等温量热仪进行测定，并由公式4～5计算得出。水泥水化程度与所释放的热量有以下关系：
[0026]α＝Q(t)/Q
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0027][0028]式中：Q(t)——t时刻已经释放出的热量，单位为J,
[0029]Q
max
——水泥最终能释放出的热量,单位为J，
[0030]公式1～3中涉及的反应速率常数，对于不同温度下的水泥浆体系，需要用经典的阿伦尼乌斯公式进行确定：
[0031][0032]式中：K——化学反应速率常数,
[0033]A——指前因子,
[0034]E
a
——化学反应的活化能，单位为J/mol，
[0035]T——化学反应的绝对温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海洋深水天然气水合物固井水泥浆水化热设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
①
：通过等温量热仪，获得水泥浆体在特定温度下的累计放热量；步骤
②
：采用Krstulovic以及Dabic提出的水泥浆水化反应动力学模型，水泥浆水化参数，对水泥浆不同反应阶段进行划分，主要包括三个阶段，不同阶段数学模型如下：成核结晶与晶体生长过程(NG)：[
‑
ln(1
‑
α)]
1/m
＝K
NG
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)相边界反应过程(I)：1
‑
(1
‑
α)
1/3
＝K
I
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)扩散过程(D)：[1
‑
(1
‑
α)
1/3
]2＝K
D
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：α——水泥水化度，K
NG
——NG过程中的水化反应速率常数，K
I
——I过程中的水化反应速率常数，K
D
——D过程中的水化反应速率常数，t——水化时间，单位为h，m——反应级数，无因次，公式1～3中所涉及的参数，并由公式4～5计算得出。水泥水化程度与所释放的热量有以下关系：α＝Q(t)/Q
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：Q(t)——t时刻已经释放出的热量，单位为J,Q
max
——水泥最终能释放出的热量,单位为J，公式1～3中涉及的反应速率常数，对于不同温度下的水泥浆体系，需要用经典的阿伦尼乌斯公式进行确定：式中：K——化学反应速率常数,A——指前因子,E
a
——化学反应的活化能，单位为J/mol，T——化学反应的绝对温度，单位为K，R——气体常数，取8.13J/(mol
·
K)；步骤
③
：根据能量守恒原理，计算环空
‑
地层温度，固井期间环空水泥浆传热模型的基本表达式可以写成：式中：T——环空温度，单位为℃，
K——环空至地层和套管的传热系数，单位为W/(m2·
℃),C
c...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成文，路昊昕，薛毓铖，徐鸿志，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：