海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法技术

本发明专利技术涉及油气井固井技术领域，具体公开了海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法，根据固井施工工艺，分别从三个方面系统地分析了影响天然气水合物固井质量的因素：

【技术实现步骤摘要】
海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法


[0001]本专利技术涉及油气井固井
，尤其涉及海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法。

技术介绍

[0002]天然气水合物是由天然气和水分子组成的类似冰状的固态结晶体，天然气主要由甲烷组成，故也称为甲烷水合物，它在空气中能点燃，也俗称可燃冰。天然气水合物的能量密度较高，理想情况下1m3的天然气水合物可释放出164m3的天然气。天然气水合物被认为是21世纪最有潜力接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一，已引起世界各国尤其是发达国家及能源短缺国家的高度重视。
[0003]目前，海域天然气水合物试采大多采用传统的建井方法，可见通过建井方式开采天然气水合物是当今国际上的主流方法，而固井是建井过程的重要环节，固井质量的好坏对井筒安全影响重大。由于水泥水化放热的影响，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，可能会出现塌陷的现象。要实现水合物地层安全建井的目标，保证水泥环整体封隔性能，需要对天然气水合物地层固井过程中的二界面胶结强度发展规律、地层温度场和应力场变化规律、水泥环及界面完整性进行深入研究，为水合物地层固井提供技术支持。
[0004]公开号为CN113213785A的中国专利文件公开了一种高强低水化热固井低水化热水泥及其制备方法，在该水泥体系中，使用低热硅酸盐水泥、低水化活性材料10％
‑
20％、增强剂4％
‑r/>8％、抗收缩剂4％
‑
6％、早强剂0.5％
‑
1.5％，很好地解决了水泥浆水化热与抗压强度的问题，但该固井水泥体系在低温条件下的性能较差。
[0005]“含热力学抑制剂钻井液侵入天然气水合物地层扰动模拟”(张怀文等，科学技术与工程，2018/2)一文中探究了水合物热力学抑制剂对水合物层的扰动规律。研究了NaCl、乙二醇两类水合物热力学抑制剂钻井液侵入水合物岩样的过程，但对于防止地层中水合物的分解与抑制井筒中水合物的生成这一矛盾问题未给出解决方案。
[0006]“天然气水合物分解对井筒周围土层变形的影响”(王晶等，水利与建筑工程学报，2017/12)一文中通过FLAC3D软件建立相关模型，对不同层位的天然气水合物分解半径进行模拟，得出分解后井筒周围的土体形变，但该文章中，相关假设不具有普遍性，且未考虑固井过程中的热力学作用。
[0007]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，天然气水合物固井技术均集中在低温低水化热水泥浆体系研究，以及钻井与开采过程中，天然气水合物地层稳定性控制。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。
[0008]因此，确定油井水泥水化放热、水泥石抗压强度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，天然气水合物安全长效
固井性能设计方法，以保证固井质量，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

[0009]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，对固井施工流程所用到的工作液进行评价。分别从以下三方面研究固井过程中影响天然气水合物稳定赋存的因素，包括：
①
前置液；
②
固井水泥浆体系性能；
③
水泥石力学性能。
[0010]基于此，本专利技术的目的在于提出海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法，提出以固井工艺为前提，结合固井中的施工流程，采取不同的分析方法来保证天然气水合物稳定开采。对于固井前循环的前置液，除了具备隔开钻井液与水泥浆、冲洗井壁及套管壁、提高水泥胶结强度等作用，也应在循环时做到在储层段减少水合物分解，低温条件下具有良好的流变特性。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。同时，由于水泥浆体系水化放热量与水泥石力学性能有关，须在考虑天然气水合物稳定赋存的基础上提高水泥石相关性能，诸如抗压强度、线性膨胀率等，以提高二界面胶结质量，保证固井质量。通过对以上所列进行研究，分析各个因素的关键指标，进一步获得固井综合设计方法。
[0011]为进一步实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法。包括以下步骤：
[0012]①
前置液的设计以提高顶替效率、提高界面胶结强度为基础，通过提高前置液与钻井液的相容性和降低前置液对套管、井壁的粘附力来实现，并对多种天然气水合物抑制剂进行效果测试，优选出在与地层接触过程中防止天然气水合物分解且在井筒中防止天然气水合物生成的抑制剂及合适加量，并同时保证可以提高顶替效率、提高弱胶结地层界面胶结质量；
[0013]②
对于固井水泥浆而言，其水化时所释放的热量对天然气水合物地层产生较大影响，低温条件下会影响水泥水化反应速率，也会大大降低水泥浆活性胶凝材料的火山灰反应，进而导致水泥浆强度发展缓慢、水泥石微观孔隙结构发展不充分，影响力学性能，因此从防止天然气水合物分解、保证低温早强、提高固井质量、保障固井安全、后期开采的井筒完整性等方面来进行设计，应保证固井水泥浆50h水化热应控制在105
‑
118J
·
g
‑1，在14℃的环境温度下，水泥浆最高温度控制在21℃以下；
[0014]③
对水泥石力学性能的设计，首先基于软件平台Abaqus按照数值模拟的方法确定出天然气水合物固井二界面胶结情况，即首先要研究天然气水合物地层力学特性和本构关系，并采用广泛使用的Cohesive Zone Model模型模拟出界面胶结情况，获取二界面损伤判据在界面上的分布情况；其次，依据地层力学基本信息建立起模拟地层，并进行二界面胶结强度测试；最后，根据相关结果确定对现有水泥石进行评价，并提出提高天然气水合物地层固井质量的相关力学性能指标：水泥石48h力学性能应具备以下特性：弹性模量在5
‑
8GPa、二界面胶结强度应大于1.2MPa、抗压强度应大于12MPa；
[0015]④
根据室内固井模拟实验装置，测试所述固井工作液的性能是否满足要求；若满
足要求，进行步骤
⑤
，否则，重复步骤
①‑③
；
[0016]⑤
根据目标层段的相关钻井参数对固井工作液注入量进行估算，根据相应的施工参数将满足要求的固井工作液注入地层，直至水泥浆到达设计的范围。
[0017]进一步的，所述步骤
①
中，前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法，其特征在于，由以下步骤实现：
①
前置液的设计以提高顶替效率、提高界面胶结强度为基础，通过提高前置液与钻井液的相容性和冲洗效果，通过前置液改善弱胶结井壁的界面胶结特性从而提高界面胶结质量来实现，并对多种天然气水合物抑制剂进行效果测试，优选出在与地层接触过程中防止天然气水合物分解且在井筒中防止天然气水合物生成的抑制剂及合适加量，并同时保证可以提高顶替效率、提高弱胶结地层固井胶结质量；
②
对于固井水泥浆而言，其水化时所释放的热量对天然气水合物地层产生较大影响，低温条件下会影响水泥水化反应速率，也会大大降低水泥浆活性胶凝材料的火山灰反应，进而导致水泥浆强度发展缓慢、水泥石微观孔隙结构发展不充分，影响力学性能，因此从防止天然气水合物分解、保证低温早强、提高固井质量、保障固井安全、后期开采的井筒完整性等方面来进行设计，应保证固井水泥浆50h水化热应控制在105
‑
118J
·
g
‑1，在14℃的环境温度下，水泥浆最高温度控制在21℃以下；
③
对水泥石力学性能的设计，首先基于软件平台Abaqus按照数值模拟的方法确定出天然气水合物固井二界面胶结情况，即首先要研究天然气水合物地层力学特性和本构关系，并采用广泛使用的Cohesive Zone Model模型模拟出界面胶结情况，获取二界面损伤判据在界面上的分布情况；其次，依据地层力学基本信息建立起模拟地层，并进行二界面胶结强度测试；最后，根据相关结果确定对现有水泥石进行评价，并提出提高天然气水合物地层固井质量的相关力学性能指标：水泥石48h力学性能应具备以下特性：弹性模量在5
‑
8GPa、二界面胶结强度应大于1.2MPa、抗压强度应大于12MPa；
④
根据室内固井模拟实验装置，测试所述固井工作液的性能是否满足要求；若满足要求，进行步骤
⑤
，否则，重复步骤
①‑③
；
⑤
根据目标层段的相关钻井参数对固井工作液注入量进行估算，根据相应的施工参数将满足要求的固井工作液注入地层，直至水泥浆到达设计的范围。2.如权利要求1所述的海洋天然气水合物安全长效固井性能设计方法，其特征在于，所述步骤
①
中，前置液中所添加的天然气水合物抑制剂包括但不限于氯化钠(...

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