一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法技术

本发明专利技术属于油气井固井工程技术领域，具体涉及一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法。该方法包括水泥浆温度变化计算步骤、水泥浆失重压力计算步骤；和水泥浆候凝失重过程环空压力变化规律计算步骤：最后由整个候凝失重过程中井筒环空压力，得到水泥浆候凝失重过程环空压力变化规律。本发明专利技术提供了一种大温差井水泥浆候凝过程中环空压力的计算方法，该方法考虑了水泥浆候凝时的水化放热规律，使得井筒温度场的计算更加精确，从而提供了候凝失重过程中环空压力的精确计算方法，为水泥浆候凝时的环空回压补偿方案的制定提供了理论依据，对于大温差窄密度窗口油气井的安全固井施工具有重要的意义。有重要的意义。有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法


[0001]本专利技术属于油气井固井工程
，具体涉及一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法。

技术介绍

[0002]高压气井，特别是大温差高压气井，通常地质构造复杂，纵向油气水显示多，固井后的环空气窜是亟需解决的棘手难题。研究表明，候凝期间水泥浆水化将导致作用于气层的压力降低，出现水泥浆失重现象，引发压力欠平衡，这是导致固井后早期气窜的原因之一。为了解决这一技术问题，相关工作者进行了一系列的相关研究。主要集中在失重压力的考察，例如中国专利CN111287688A公开了一种水泥浆失重值确定方法、固井后分时段环空憋压候凝方法。该专利通过分阶段环空补压，解决水泥浆失重后的压力平衡问题，避免一次性憋压候凝造成的憋压值过高压漏地层，有效实现候凝过程全程压稳，较好解决固井后短期窜流问题。
[0003]又如专利CN111042801A则重点研究水泥浆不同水泥浆体系下的失重情况，其公开了一种测量环空水泥浆失重的装置及测量方法，所述装置包括釜体、加压泵和计算机，釜体内设有同轴的套管与地层隔板，套管底部设有加热棒和温度传感器，套管与地层隔板之间的环空间隙底部设有环空压力传感器，环空压力传感器和温度传感器将数据传输至计算机，釜体的顶部设有依次连接的三个法兰，法兰上均设有压力阀和压力表。该装置可模拟实际工况下固井水泥浆与井壁和套管的失重情况，并且可分析不同地层，不同水泥浆体系下的水泥浆失重情况，还可模拟不同井深处、不同温压下的失重情况。
[0004]文献《水泥浆失重压力评价技术研究与应用》(刘洋，钻井液与完井液，第36卷第6期，2009年11月，749-753)则采用等比例缩小尺寸方法，研发了一套高温高压水泥浆失重压力评价实验装置，开展了直井和斜井中典型水泥浆失重压力实验，同时提出了一种分段计算水泥浆失重压力的方法，并在实地得到检验，指导了环空憋压候凝。
[0005]上述文献主要侧重于失重压力的实验测试方法，受限于实验室内水泥浆柱长度，最高测试温度仅为120℃，无法满足高温高压要求；虽然对于水泥浆失重过程中的环空压力计算方法有所涉及，由于水泥浆失重受温度影响巨大，而已有的研究未考虑水泥浆候凝过程中的井筒温度场变化。
[0006]因此，如何提供一种计算精度更高的水泥浆候凝过程中环空压力的计算方法，以使其适用于大温差井，为水泥浆候凝过程施加精准的环空压力是本申请面临的技术问题。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法，采用该计算方法为候凝过程中环空回压的精确施加提供理论指导。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0009]一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法，其包括如下步骤：
[0010]水泥浆温度时间变化曲线计算步骤：
[0011]根据井底部静止温度T
sb
、水泥浆返深处温度T
st
和允许的温度变化范围ΔT将井筒分为n段，井筒段从上至下记为第1、2、3...i...n段，第i段井筒距离井口的垂直深度记为H
i
；水泥浆水化放热开始时间记为t0，水化放热结束记为t
∞
，从放热开始至放热结束之间的放热过程中的任意时间记为t
m
；
[0012]根据参数1)、2)和3)确定水泥浆候凝过程中井深H
i
处的井筒温度时间变化曲线；
[0013]所述1)为水泥浆水化放热温度函数关系式，2)为井筒深度H
i
处地层与水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量；3)为套管与水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量；
[0014]水泥浆失重压力计算步骤：
[0015]根据不同温度下水泥浆失重压力实验数据，结合水泥浆温度变化计算步骤确定的井筒温度分布数据，在井筒温度分布范围内每t℃拟合水泥浆失重压力数据，所述t取不超过5的数值；
[0016]和水泥浆候凝失重过程环空压力变化规律计算步骤：
[0017]根据水泥浆失重压力计算步骤中拟合得到的水泥浆失重压力数据，以及静液柱压力计算公式反演出水泥浆在井筒温度场范围内第i段井筒的温度T
i
对应的密度ρ
i
；然后由温度T
i
对应的密度ρ
i
、以及第i段环空水泥浆底部的温度数据T
i
',利用三次样条差值，得到出t
m
时刻第i井段的水泥浆密度ρ
i
'；再由第i井段底部深度H
i
'和t
m
时刻第i井段的水泥浆密度ρ
i
'以及重力加速度常数g确定t
m
时刻井筒环空压力Pf(t
m
),最后由整个候凝失重过程中井筒环空压力，得到水泥浆候凝失重过程环空压力变化规律。
[0018]优选地，所述水泥浆温度变化计算步骤如下：
[0019]任一井深处井筒温度随时间变化的计算公式如式(1)所示：
[0020]T
s
＝T
e-T
t
+T
c
ꢀꢀ
(1)
[0021]式(1)中Ts为失重状态的井筒温度,K；Te为第i段井筒深度处地层和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，K；Tc为水泥浆水化温升，K；Tt为套管和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，K；
[0022]式(1)中第i段井筒深度处地层和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量Te由如下式(2)求得：
[0023][0024]式(2)中，T
e
为第i段井筒深度处地层和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，K；r
w
为井筒半径，m；U
a
为地层导热系数，W/m2·
K；c
c
为环空内水泥浆的比热容，J/kg
·
K；ρ
c
为环空内水泥浆的密度，kg/m3；A
a
为环空的横截面积，m2；T
e,0
为井筒与地层界面处温度，K；
[0025]第i段井筒深度处水泥浆水泥浆水化温升T
c
由如下式(3)的水泥浆水化放热函数式计算得到:
[0026][0027]式(3)中，Q
∞
为单位质量水泥浆最终水化热；c
c
为环空内水泥浆的比热容，J/(kg
·
K)；α为水泥浆水化度；
[0028]套管和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量Tt满足函数关系式为式(4)所示：
[0029][0030]式(4)中,T
t
为套管和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，r
ci
为套管内径，m；U
c
为从套管到环空的总传热系数，W/(m2·
K)；T
f...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：水泥浆温度时间变化曲线计算步骤：根据井底部静止温度T
sb
、水泥浆返深处温度T
st
和允许的温度变化范围ΔT将井筒分为n段，井筒段从上至下记为第1、2、3...i...n段，第i段井筒距离井口的垂直深度记为H
i
；水泥浆水化放热开始时间记为t0，水化放热结束时记为t
∞
，从放热开始至放热结束之间的放热过程中的任意时间记为t
m
；根据参数1)、2)和3)确定水泥浆候凝过程中井筒深度H
i
处的井筒温度时间变化曲线；所述1)为水泥浆水化放热温度函数关系式，2)为井筒深度H
i
处地层与水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量；3)为套管与水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量；水泥浆失重压力计算步骤：根据不同温度下水泥浆失重压力实验数据，结合水泥浆温度变化计算步骤确定的井筒温度分布数据，在井筒温度分布范围内每t℃拟合水泥浆失重压力数据，其中，t取不超过5的数值；和水泥浆候凝失重过程环空压力变化规律计算步骤：根据水泥浆失重压力计算步骤中拟合得到的水泥浆失重压力数据，以及静液柱压力计算公式反演出水泥浆在井筒温度场范围内第i段井筒的温度T
i
对应的密度ρ
i
；然后由温度T
i
对应的密度ρ
i
、以及第i段环空水泥浆底部的温度数据T
i
',利用三次样条差值，得到出t
m
时刻第i井段的水泥浆密度ρ
i
'；再由第i井段底部深度H
i
'和t
m
时刻第i井段的水泥浆密度ρ
i
'以及重力加速度常数g确定t
m
时刻井筒环空压力Pf(t
m
),最后由整个候凝失重过程中井筒环空压力，得到水泥浆候凝失重过程环空压力变化规律。2.根据权利要求1所述的水泥浆候凝失重过程环空压力计算方法，其特征在于，所述水泥浆温度变化计算步骤如下：任一井深处井筒温度随时间变化的计算公式如式(1)所示：T
s
＝T
e-T
t
+T
c
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中Ts为失重状态的井筒温度,K；Te为某一井筒深度处地层和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，K；Tc为水泥浆水化温升，K；Tt为套管和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，K；式(1)中某一井筒深度处地层和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量Te由如下式(2)求得：式(2)中，T
e
为某一井筒深度处地层和水泥浆热交换引起的水泥浆温度变化量，K；r
w
为井筒半径，m；U
a
为地层导热系数，W/m2·
K；c
c
为环空内水泥浆的比热容，J/kg
·
K；ρ
c
为环空内水泥浆的密度，kg/m3；A
a
为环空的横截面积，m2；T
e,0
为井筒与地层界面处温度，K；某一深度处水泥浆水化温升T
c
由如下式(3)的水泥浆水化放热函数式计算得到；
式(3)中，Q
∞
为单位质量水泥...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海洋，李斐，易浩，李双贵，贾晓斌，罗发强，刘晓民，赫英状，路飞飞，杨卫星，张俊，于洋，陈修平，樊艳芳，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，
类型：发明
国别省市：