现代固井技术的理论基础和现场经验.ppt

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1、现代固井技术讲座,现代固井技术的理论基础和现场经验,第三部分,现代固井技术 现场应用的 技术保证（二）,现代固井技术现场应用的基本保证现代固井技术特殊计算模式,（一）现代固井技术特殊计算在固井中的意义（二）现代固井技术特殊计算的理论根据（三）现代固井技术计算的主要模式,（一）现代固井技术特殊计算在固井中的意义,.高温高压井固井作业，需要有特殊计 算模式，重点解决井漏和气窜等问题；.解决固井事故需要作特殊计算；.现代固井技术离不开严密的施工措施 和准确的数据,因此需要作特殊计算。,解决固井事故急需准确答案,某高温高压深井下套管突然井漏了，这是为什么，答案在哪里？某高压气井固井后气窜了井喷了，这是

2、为什么，能预告吗？答案在哪里？某井下完套管开泵循环，井漏了；固井过程继续漏泥浆；替泥浆过程漏失更严重。这又是为什么，答案在哪里？。原因并不复杂，可是有没有一个准确的数据作答案？这就是现代固井设计特殊计算模式所要解决的任务，也就是固井特殊计算在现场固井中应用的意义。,固井特殊计算模式的理论根据,“注水泥工艺是一门科学”，“注水泥作业是一口井整个施工中最重要的组成部分”。注水泥工艺是一门由多学科组成的 科学，它包括化学、地质、物理、石油机械和电工学，每一门学科对实行层间封隔这一固井目的都是很重要的。,固井特殊计算模式的主要项目,1.下套管激动压力对地层的影响2.允许的激动压力范围套管下放速度3.破

3、坏泥浆凝胶结构所增加的压力4.Halliburton井底循环温度（BHCT）计算模式5.Amoco BHCT 计算模式6.API 新标准BHCT计算模式7.测井资料求BHCT计算模式,固井特殊计算模式的主要项目,8.气窜潜在系数预测气窜9.水泥浆性能系数预测气窜10.双级注水泥防窜设计11.水泥浆循环候凝法计算模式12.API水泥浆流动计算模式,（一）下套管激动压力对地层的影响,1.这时套管下端是封闭的，套管下入井内，所 有流动都在环空。2.根据钻井水力学，钻杆垂直运动引起波动压 力的原理，下端封闭的管子向下运动时，管 子地段的摩阻压力变化将使该处的压力升 高，这就是激动压力，因而对地层造成破

4、 坏（相反方向叫抽吸压力）。,应用的公式及计算方法,1.在预定的套管下放速度下计算流体在环空的平均速度：Va=DP2*Vp/(D2h-D2p)（ft/s）2.计算它所产生的激动压力梯度 dPf/DL=（(Va+1/2Vp)/(1000(Dh-Dp)2）*cp3.计算薄弱层压力当量密度（ppg）4.安全检验5.符号说明：Va 环空平均速度（ft/s）DPDh-管径和井径（in）Vp套管设计的下放速度（ft/s）cp泥浆塑性粘度厘泊cp（与mPa.s同）1 cp=1 mPa.sdPf/DL激动压力梯度psi,计算举例,1.井况设定：在13-3/8套管内下11-3/4”套管，14井眼。泥浆密度16p

5、pg,塑性粘度40cp,薄弱层在8842ft(2695m),破裂压力 当量密度18.78ppg(2.25g/cm3)，13-3/8”套管内径12.515”。2.决定下放速度30s/pice(即30s/12m)3.计算结果：设计下放速度1.31ft/s 平均下放速度9.47ft/s 计算的薄弱层当量29.6518.78 ppg 井漏了,（二）允许在激动压力范围计算套管下放速度,1.所谓激动压力就是下端封闭的管子向下运动时，管子地段的摩阻压力变化将使该处的压力升高。激动压力范围就是指该处的破裂压力和该处泥浆静液柱压力的差值。2.激动压力的计算与井眼、管径和塑性粘度有关。在一定的井眼条件下，塑性粘度

6、越大激动压力越大，下放速度就越慢。,套管下放速度计算,计算公式如下：Pw=0.052*L*WP dPw/dL=(Pw-Phy)/L V=(dPw/dL*1000(Dh-Dp)2/(Dp2/(D2h-D2p)+1/2)*cp)L-薄弱层深度ft WP_破裂压力当量密度ppg_ Phy泥浆液柱压力psi Dh-井径in Dp-套管外径in cp 塑性粘度cp(与mPa.s相同 1 cp=1 mPa.s,计算实例,井况设定：在13-3/8套管内下11-3/4”套管，泥浆密度16ppg,塑性粘度40cp,薄弱层在8842ft(2695m),破裂压力当量密度18.78ppg(2.25g/cm3)13-3

7、/8”套管内径12.515”。设计要求：计算下放速度和每柱的下放时间计算数据：钻井液密度塑性粘度 下放速度1柱27m时间 ppg cp ft/s min 16 40 0.2665 5.5,（三）破坏泥浆凝胶结构所增加的压力,1.泥浆的凝胶结构就是静切力，下套管是个“漫长”的过程，井底泥浆形成凝胶，开泵循环首先就要破坏它，因此井壁压力增大，严重时压破地层，井漏了。2.泥浆凝胶结构取决于什么?泥浆静切力！y 使用单位：lb/100ft2 lb/100ft2=0.48Pa,破坏泥浆凝胶结构计算公式,计算公式：dPf/dL=y/(300(Dh-Dp)Pj=dPf/dL*LWf=（0.052*L*WP+

8、dPf/dL*L）/L Wf vs EMWLK破坏泥浆结构所增加的压力梯度dPf/dL（psi/ft)计算薄弱层激动压力Pj(psi)计算薄弱层的当量密度Wf和安全检验EMWLK-井的漏失当量密度ppg lb/100ft2=0.48Pa,破坏泥浆凝胶结构计算例题,1.模拟井况：在16”套管里下13-3/8”套管后开泵循环，会不会发生井漏？泥浆密度15.244ppg（1.83g/cm3),泥浆静切力19Pa,薄弱层深度再2000m漏失当量15.8ppg(1.90)16”套管内径14.875”2.计算结果：薄弱层当量密度2.03g/cm3 井漏发生了。,回头找答案,某高温高压深井下套管突然井漏了，

9、这是为什么，答案在哪里？答案：套管下放速度失控 某高压气井固井后气窜了井喷了，这是为什么，能预料到吗？答案在哪里？答案：可以预测，但未做气窜预测计算；候凝未计算水泥浆失重效率。某井下完套管开泵循环泥浆井漏了，固井过程继续漏泥浆，替泥浆过程漏失更严重。这又是为什么，答案在哪里？。答案：破坏泥浆凝胶结构增加激动压力；注水泥流速过大；替泥浆泵压过高。因为该井属渗透性地层，未造成严重井漏。,（四）Halliburton井底循环温度（BHCT）计算模式,计算公式 BHCT=80+0.00053*TG1.04027*TD1.27452式中:BHCT-井底循环温度-TG-注水泥温度梯度/100 ft TD-

10、垂直井深 ft,（五）Amoco BHCT 计算模式,计算公式 BHCT=80+(-8.49686+0.663574*(BHST-80)(1-0.000011162*TD)式中:BHCT-井底循环温度 BHST-井底静止温度 TD-垂直井深 ft,（六）API 新标准BHCT计算模式,计算公式：BHCT=80+（0.006061*TD*TG-10.0915）（1-0.1505*10-4*TD）式中:BHCT:井底循环温度 TD:ft TG:ft,（七）测井资料求BHCT计算模式,测井温度与泥浆静止循环关系法 计算t/（t+t）与相关温度绘制对数图 先计算BHST，取得BHST后用Hallibu

11、rton模式计算BHCT，如下图BHST91注水泥温度梯度2.73/100m，BHCT计算结果为67.1，与实测相同。某井测井资料求井底循环温度记录 井深2343m测井前钻井液循环时间：2.5h（t）第一次测井：停止循环7.5h后井温76（t）第二次测井：停止循环12.5h后井温80（t）第三次测井：停止循环16.25h后井温84（t）,绘制对数图,（八）气窜潜在系数预测气窜,固井后水泥浆在凝固初期静压降低，气体通过正在凝固中的水泥浆渗透，而胶凝结构的形成又阻止了气体入侵。水泥浆静压降低得越多气侵得程度就越大。因此气窜潜在系数可以这样定义：水泥浆的最大压力降与井下超平衡压力的比值可以衡量气侵的

12、程度。GFP=MPR/OBP GFP-气窜潜在系数 MPR-水泥浆柱最大压力降psi OBP-液柱静压与地层压力的差值psi,水泥浆柱最大压力降如何计算,MPR=1.67*L/（Dh-dp)-(psi)1.67-单位换算系数Lc-水泥浆长度（ft）Dh-dp-井径和套管外径（in.）,气窜潜在系数GFP,GFP=MPR/OBP气窜分三个等级,(九）水泥浆性能系数防窜预测,1.根据水泥浆水化机理，失水量和水泥浆过度 阶段与气窜有明显的关系，用失水量与时间 的平方根的线性关系来衡量控制气窜能力。2.API失水量越低、过度段越短水泥浆防窜可能 性越大。,水泥浆性能系数是对水泥浆防窜性能的评价,水泥浆

13、从液态到固态转变初期的失水量假设与时间的平方根 有线性关系，用SPN表示，在凝固过程理论上的失水量可由下式计算：SPN=API*(t100BC)1/2-(t30BC)1/2)/(30)1/2API-水泥浆失水量mL/30mint100BC-水泥浆稠度在100BC的时间mint30BC-水泥浆稠度在30BC的时间min,水泥浆性能系数防窜能力评价,SPN是衡量水泥浆防窜能力的标准之一，SPN越大防窜能力越差；反之，防窜能力就越强。水泥浆从初凝开始（表达式中稠度30BC的时间）到固态转变的初期（稠度100BC的时间）的过渡阶段越短，水泥浆的阻力就越大。,0 6.5-防窜能力差,水泥浆性能系数防窜评

14、价计算 某水泥浆API失水量30，100BC：300min,30BC:285min,（十）双级注水泥防窜设计,1.防漏：改变液柱静压2.防窜：降低气窜潜在系数,双级注水泥改变气窜潜在系数GFP,双级注水泥DV在10000ft水泥浆密度提高到16.2ppg井口回压200psi计算结果见下表,（十一）水泥浆循环候凝法计算模式,1.水泥浆候凝方法计算是固井特殊计算覆盖固井全过程的最后部分。2.它根据水泥浆水化过程静压随时间逐步减少的特点，对环空施加回压以补充水泥浆柱减少的静压。3.水泥浆从初凝起开始失重，一般在水泥浆候凝1hr前开始环空加压。4.因此它是固井后环空加压的科学方法。,水泥浆失重效率计算

15、,Gp=(Ps-Pw)/60 Gp=(Ws-1)h/6000 Gp-水泥浆失重效率Ps水泥浆静压力Pw水柱压力Ws-水泥浆密度h-水泥浆柱,在不同时间环空蹩压值,（十二）API水泥浆流动计算模式,幂律模式和宾汉模式Power Law Behavior&Bingham Plastic Behavior（采用1990年7月API规范）,1970流变学计算模式是石油工业标准化的新成果,API SPEC 10(July 1,1990)第五版本中在规范流变学计算模式时说:这个方法是目前工业标准化中的一个成果,虽然不限制其他方法，但必须具有达到目的的共同基础。”原文如右：,This method is p

16、resented in an effort to standardize procedures for the industry.It is not intended to eliminate other methods but to give a common ground for comparative purposes.,流变学理论计算模式应用,计算塞流最高排量计算紊流最低排量计算压力降,流变学现场使用六步法,1.用旋转粘度计测出水泥浆分别在300，200，100，6，3转/分的读数；2.计算水泥浆剪切速率=1.7023N 水泥浆剪切应力=0.010653.以作横坐标，作纵坐标。把各点的

17、-画在线 性坐标图和双对数坐标图上4.判别水泥浆属于什么模式5.如果是幂律模式要计算n,k值；如果是宾汉模式要计 算y、值6.用相应的公式计算塞流、紊流和压力降,流动曲线计算,水泥浆剪切速率=1.7023N 水泥浆剪切应力=0.01065,N-粘度计转速 r/min-粘度计读数-剪切速率 s-1-剪切应力 lbf/ft2,模式判别,A 幂律模式-各点在双对数坐标图上呈直 线趋势B.宾汉模式-各点在线性坐标图上呈直线 趋势,幂律模式,双对数坐标图：作横坐标 作纵坐标,宾汉模式,线性坐标图：作横坐标 作纵坐标,流变参数,1.幂率模式需要确定n,k值 n-流动状态指数 k-水泥浆稠度指数2.宾汉模式

18、需要确定y、值 y-水泥浆屈服剪切应力-水泥浆塑性粘度,双对数坐标图,在双对数坐标图找n 值,最佳直线段的斜率就是n值。在最佳直线上选择两点求斜率，如 斜率=(log4.5-log2.5)（log100-log25)=0.4240 n=0.4240,在双对数坐标图找k值,直线在剪切应力坐标轴的截距经过换算就成为水泥浆稠度指数k K=gc*截距 K-流体稠度指数 gc-通用换算系数32.174 lbmft/lbfs2 如图中 截距=0.066综合稠度指数k=K/gc(3n+1)/4n)n=0.07471 lbf sn/ft2,线性坐标图,在线性坐标图找塑性粘度,最佳直线段的斜率就是塑性粘度，但必

19、须乘以换算系数gc=(（2-1）/(2-1)*gc例题中：=（）/（400-120）*gc=0.0179 lbm/ft.s,在线性坐标图上找 屈服应力y,直线在纵坐标（剪切应力轴）的截距就是屈服应力y，如图中：y=0.483 lbf/ft2,幂率模式和宾汉模式 求参数的共同点,（a）都用到最佳直线段的斜率，分别用于确定 幂率模式的流动状态指数n值和宾汉模式 的塑性粘度，只不过是表达式不一样而 已。n=（log2-log1）/(log2-log1)=(（2-1）/(2-1)*gc（b）都用到Y轴的截距，分别用于确定幂率 模式的k值和宾汉模式的屈服应力y,幂率模式在现场的计算 例题,例题水泥浆密度

20、16.4ppg水泥浆流变参数如下图井眼8”套管5-1/2”设计泵速：5bbl/min,计算要求1.环空1000ft的压力降 2.环空紊流最低泵速3.环空塞流最高泵速,幂率模式计算方法 及应用的公式,1.计算n,k值2.计算平均流速v3.计算综合雷诺数NRE.gen4.计算摩阻系数f5.找出临界雷诺数NRE.Crit6.计算压力降7.计算紊流Qmin8.计算塞流泵速Qmax,计算平均流速v,计算平均流速v V=17.16*Q/(Dh2-DP2)-ft/s计算综合雷诺数NRE.genNRE.gen=（1.86*V2-n*WS)/(k*(96/DE)n)f=16/NRE.gen,找出临界雷诺数NRE

21、.Crit 由n在下表查找,完成幂率模式计算要求,P=0.03875fLV2/DE Qmin=0.05828(Dh2-D2P)(Nrecrik(96/DE)n/(1.86)(1/2-n)QPF=0.05828(Dh2-D2P)(53.7634(96/DE)n/()(1/2-n),幂率模式计算结果,环空1000ft压力降69.5psi环空紊流最低泵速20.9bbl/min环空塞流最高泵速2.15bbl/min。,宾汉模式在现场的计算例题,例题水泥浆密度：14.56ppg水泥浆流变参数如下表井眼8”套管5-1/2”设计泵速：5bbl/min,计算要求1.环空1000ft的压力降 2.环空紊流最低泵

22、速3.环空塞流最高泵速,宾汉模式计算方法 及应用公式,1.计算y、值 2.计算平均流速 v 3.计算综合雷诺数 NRE.gen 4.计算赫兹数 NHE 5.找出临界雷诺数 NRE.Crit 6.计算摩阻系数 f 7.计算压力降 8.计算紊流 Qmin 9.计算塞流泵速 Qmax,计算 V、Nre.gen、Nhe。,V=17.16*Q/(D2h-D2P)Nre.gen=0.6234*DEV/NHE=1.6714*y*DE2*/2,V、Nre.gen计算结果,V=2.5422 ft/s Nre.gen=3208.5,宾汉模式摩阻系数与雷诺数,宾汉模式摩阻系数与临界雷诺数,f 在上图找到0.008

23、临界雷诺数 NRE.Crit是上图赫兹数与牛顿流体曲线的交点 8500,完成宾汉模式计算要求,计算下列公式：P=0.03875fLV2/DE Qmin=0.09348(Dh+DP)(Nrecri/QPF=9.3480(Dh+DP)/说明：在固井工程师一口井有实例的完整计算,宾汉模式计算结果,环空1000ft 压力降11.7psi环空紊流最低泵速环空塞流最高泵速0.166bbl/min。,计算实例,井径：12.25“，外层套管11-3/4”，尾管9.625“设计：计算塞流Q水泥浆流变参数：R600 R300 R200 R100 R6 R3 280 150 95 60 15 12 1021.38

24、510.69 340.46 170.23 10.21 5.10 2.5848 1.599 1.0127 0.6396 0.1599 0.127判断：Bingham model,(slope)=(1.599-1.0127)/(510-340)=0.00345=*32.174=0.111Q=9.348*(12.25+9.625)*/15.8=1.44bpm（229L/min)v=Q/V V=(12.252-9.622)/1029=0.056bbl/ftV=1.44/0.056=25.64ft/min=0.43ft/s,让我们牢牢地掌握现代固井技术，胸怀祖国，走出国门，走向世界！,讲座到此 结束,谢谢！,