一种固井注水泥环空混浆施工安全性的污染风险评价方法与流程

1.本发明涉及油气田固井工程技术领域，具体来讲，涉及一种固井注水泥环空混浆施工安全性的污染风险评价方法。


背景技术：

2.固井作业时，水泥浆、隔离液以及钻井液的顶替过程十分复杂，顶替效果受到固井工作液流变性、井眼几何条件、套管居中度、井斜角等多方面因素制约。固井顶替过程中，常出现钻井液顶替不尽、以及环空出现钻井液、隔离液和水泥浆多相流混浆的现象。混浆严重时会直接导致水泥浆提前凝固，造成油气井报废。为了评估混浆对固井施工安全的影响，目前国内主要采用经验方法确定混浆比例，即按照水泥浆：隔离液：钻井液＝7:1:2开展混浆的污染稠化试验，来评估以及采取措施规避施工风险。但该混浆比例依靠固井经验确定，并没有通过固井顶替模拟分析井下实际混浆情况，这将导致该试验方法存在一定问题：可能过于保守估计混浆情况，在某些极端井眼情况(多段大肚子段井眼)也可能未能认识到更为严重的混浆情况。
3.cn106522933a公开了一种模拟固井水泥浆对储层伤害的评价装置及评价方法，该评价方法是通过设计的装置来模拟钻完井过程中多种工作液在不同的温度、压力、漏失等复杂工况下对储层的伤害，优选出与井下环境以及其他工作液相匹配的水泥浆体系。该方法需基于专门的设备来进行，存在成本高、不够客观等问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于降低固井施工风险。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种固井注水泥环空混浆施工安全性的污染风险评价方法。
6.所述评价方法可包括以下步骤：基于给定的基础数据，利用流体动力学数值模拟方法来模拟固井顶替过程，计算出固井封固段最危险井段的多种可能混浆体积比例(可简称为混浆比例)；根据所述多种可能混浆比例，开展水泥浆、隔离液和钻井液混浆的常规相容性试验，得到各种可能混浆比例下的浆体高温流动度；选取所述浆体高温流动度测量结果中最小值所对应的混浆比例，开展第一污染稠化试验，得到第一类稠化时间；选取所述多种可能混浆比例中钻井液占比最高的一种，开展第二污染稠化试验，得到第二类稠化时间；将水泥浆与隔离液的混浆比例设定为预设值，开展第三污染稠化试验，得到第三类稠化时间；判断第一类稠化时间、第二类稠化时间和第三类稠化时间是否满足施工要求，若满足施工要求，则混浆条件下固井施工风险低，否则，施工风险较高。
7.根据本发明的一个示例性实施例，所述基础数据可包括井眼条件、工作液物性参数、施工参数和套管居中度。
8.根据本发明的一个示例性实施例，所述固井封固段最危险井段可为封固段上部0
～30％井段。
9.根据本发明的一个示例性实施例，可将所述固井封固段最危险井段自上而下划分为m个井段；所述多种可能混浆比例可分别是：固井封固段最危险井段顶部位置处的混浆比例、以及第1井段底端位置处至第m井段底端位置处的混浆比例。
10.根据本发明的一个示例性实施例，m＝2～15。
11.根据本发明的一个示例性实施例，所述固井封固段最危险井段的多种可能混浆比例的计算结果可分别取：固井封固段顶部位置处混浆比例计算结果、固井封固段上部10％井段底端位置处混浆比例的计算结果、固井封固段上部20％井段底端位置处混浆比例的计算结果和固井封固段上部30％井段底端位置处混浆比例的计算结果。
12.根据本发明的一个示例性实施例，所述常规相容性试验的试验温度可取模拟的井底循环温度，若井底循环温度超过95℃，则试验温度取95℃。
13.根据本发明的一个示例性实施例，所述水泥浆与隔离液的混浆比例预设值可为6～8：2～4，进一步地，所述水泥浆与隔离液的混浆比例预设值可为7：3。
14.根据本发明的一个示例性实施例，所述第一污染稠化试验、第二污染稠化试验和第三污染稠化试验的试验条件均可与水泥浆稠化试验条件一致。
15.根据本发明的一个示例性实施例，所述施工要求可为：第一类稠化时间、第二类稠化时间和第三类稠化时间均大于固井施工时间。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果可以包括以下内容中的至少一项：
17.(1)本发明采用流体动力学数值模拟手段确定实际井况下固井危险段的多种可能混浆比例，并结合常规相容性试验，制定了混浆污染稠化试验，与国内经验法确定混浆比例固定水泥浆：隔离液：钻井液＝7:1:2开展混浆污染稠化试验的方法相比，本发明更加客观，精度更高；
18.(2)本发明采用流体动力学数值模拟手段与污染稠化试验相结合的方法，分析三相、两相混浆下固井施工风险，较国外采用的两相混浆评估混浆对固井施工安全影响，更能降低固井施工风险；
19.(3)本发明可以用于指导开展各种可能混浆比例条件下的水泥浆污染试验，进而指导隔离液体系性能和用量调整，对规避因混浆造成的固井事故有重要意义，对保证井下混浆固井施工安全性十分关键。
附图说明
20.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
21.图1示出了本发明示例中的体积顶替效率的一个示意图；
22.图2示出了本发明示例中的5500m顶替混浆图；
23.图3示出了本发明示例中的5600m顶替混浆图；
24.图4示出了本发明示例中的5700m顶替混浆图；
25.图5示出了本发明示例中的5800m顶替混浆图；
26.图6示出了本发明示例中的三相污染稠化试验图；
27.图7示出了本发明示例中的水泥浆与隔离液污染稠化试验图。
28.附图标记说明如下：
29.1、体积顶替效率变化曲线；2、温度随时间变化曲线；3、压力随时间变化曲线；4、稠度随时间变化曲线。
具体实施方式
30.在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的固井注水泥环空混浆施工安全性的污染风险评价方法。同时，需要说明的是，本发明的第一、第二、第三等不表示先后顺序和位置关系等，仅用于相互区别。
31.在本发明的一个示例性实施例中，所述固井注水泥环空混浆施工安全性的污染风险评价方法可包括以下步骤：
32.s10：基于给定的基础数据，利用流体动力学数值模拟方法来模拟固井顶替过程，计算出固井封固段最危险井段的多种可能混浆比例。
33.在本实施例中，所述基础数据可包括井眼条件、工作液物性参数、施工参数和套管居中度。
34.在本实施例中，所述固井封固段最危险井段为封固段上部0～30％井段。
35.在本实施例中，将所述固井封固段最危险井段自上而下划分为m个井段；所述多种可能混浆比例分别是：固井封固段顶部井段位置、以及第1井段底端位置处至第m井段底端位置处的混浆比例。其中，第1井段底端位置处至第m井段底端位置处是指：第1井段底端位置处、第2井段底端位置处、
……
、第m井段底端位置处。
36.这里，m是自定义的正整数，例如m可以是2～15，再例如5、10、14等。
37.s20、根据所述多种可能混浆比例，开展水泥浆、隔离液和钻井液混浆的常规相容性试验，得到各种可能混浆比例下的浆体高温流动度。
38.在本实施例中，如表1所示，这里固井封固段最危险井段的多种可能混浆比例的计算结果可分别取：固井封固段顶部井段位置混浆比例计算结果(如水泥浆占比k
c0
，隔离液占比k
s0
，钻井液占比k
m0
)、固井封固段上部10％井段底部位置混浆比例计算结果(如水泥浆占比k
c1
，隔离液占比k
s1
，钻井液占比k
m1
)、固井封固段上部20％井段底部位置混浆比例计算结果(如水泥浆占比k
c2
，隔离液占比k
s2
，钻井液占比k
m2
)和固井封固段上部30％井段底部位置混浆比例计算结果(如水泥浆占比k
c3
，隔离液占比k
s3
，钻井液占比k
m3
)开展常规相容性试验。
39.在本实施例中，所述常规相容性试验的试验温度取模拟的井底循环温度，若井底循环温度超过95℃，则试验温度取95℃。其中，井底循环温度可以是由固井软件模拟出的循环温度。
40.表1常规相容性试验表
[0041][0042]
[0043]
s30、选取所述浆体高温流动度测量结果中最小值所对应的混浆比例，开展第一污染稠化试验，得到第一类稠化时间。
[0044]
s40、选取所述多种可能混浆比例中钻井液占比最高的一种，开展第二污染稠化试验，得到第二类稠化时间。
[0045]
浆体高温流动度测量结果中最小值所对应的混浆比例和多种可能混浆比例中钻井液占比最高的一种可能为同一种混浆比例，此时只需根据此混浆比例开展一次污染稠化试验。
[0046]
s50、将水泥浆与隔离液的混浆比例设定为预设值，并开展第三污染稠化试验，得到第三类稠化时间。
[0047]
在本实施例中，所述第一污染稠化试验、第二污染稠化试验和第三污染稠化试验的试验条件均与水泥浆稠化试验条件一致。
[0048]
在本实施例中，所述水泥浆与隔离液的混浆比例(体积比)预设值为6～8：2～4，该比例范围是发明人从材料学角度，通过多组实验确定的，在该比例范围内，两相混浆污染最为严重。进一步地，所述水泥浆与隔离液的混浆比例预设值为7：3。
[0049]
s60、判断第一类稠化时间、第二类稠化时间和第三类稠化时间是否满足施工要求，若满足施工要求，则混浆条件下固井施工风险低，否则，施工风险较高。
[0050]
在本实施例中，所述施工要求为：第一类稠化时间、第二类稠化时间和第三类稠化时间均大于固井施工时间。
[0051]
固井施工时间的定义为：以固井泵注水泥浆为起始时刻，以水泥浆泵替到设计位置为结束时刻，所经历的时间称为固井施工时间，又称为水泥浆注替施工时间。
[0052]
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
[0053]
示例
[0054]
以四川盆地某井φ177.8mm尾管固井为例，所述固井注水泥环空混浆施工安全性的污染风险评价方法可包括以下步骤：
[0055]
按照表2所示计算基础数据，将井眼条件、套管居中度、工作液物性参数、施工参数等条件输入到流体动力学数值模拟程序中，模拟固井顶替过程。计算出固井封固段最危险井段，即封固段上部0～30％井段的多种可能混浆比例。这里取固井封固段顶部井段位置混浆比例计算结果、固井封固段上部10％井段位置混浆比例计算结果、固井封固段上部20％井段位置混浆比例计算结果和固井封固段上部30％井段位置混浆比例计算结果，得到固井封固段5500m井深处，水泥浆、隔离液、钻井液混浆比例为66：20：14；固井封固段5600m井深处，水泥浆、隔离液、钻井液混浆比例为76：11：13；固井封固段5700m井深处，水泥浆、隔离液、钻井液混浆比例为84：3：13；固井封固段5800m井深处，水泥浆、隔离液、钻井液混浆比例为94：2：4。其中，图2～图5分别示出了5500m、5600、5700和5800m顶替混浆图，图2～图5是用流体动力学软件模拟计算出的顶替混浆成果图，包含了水泥浆、隔离液、钻井液三种流体体积混浆比例。
[0056]
其中，图1示出了体积顶替效率的一个示意图，图1是采用流体动力学软件模拟计算出的体积顶替效率成果图，图1曲线1表示不同井深处顶替效率，即顶替结束后不同井深处水泥浆体积占比，顶替效率由5900m处向5500m处逐步递减，表明混浆情况逐步严重，水泥
浆占比逐步降低，钻井液和隔离液混浆逐步增加。
[0057]
表2计算基础数据表
[0058][0059]
根据固井封固段5500m井深处、固井封固段5600m井深处、固井封固段5700m井深处、固井封固段5800m井深处混浆比例计算结果，开展水泥浆、隔离液、钻井液混浆常规相容性试验，试验温度取95℃，混浆养护时间取2h。4组比例条件下混浆常规相容性试验结果如表3所示，其中，序号1为固井封固段5500m井深处混浆，高温下流动度为9cm；序号2为固井封固段5600m井深处混浆，高温下流动度为10cm；序号3为固井封固段5700m井深处混浆，高温下流动度为15cm；序号4为固井封固段5800m井深处混浆，高温下流动度为17cm。
[0060]
表3常规相容性试验结果表
[0061]
序号水泥浆占比/％隔离液占比/％钻井液占比/％高温下流动度/cm16620149276111310384313154942417
[0062]
根据表3所示常规相容性试验结果，混浆高温下流动度最差的为第1组，混浆中钻井液占比最高的同样为第1组，即水泥浆、隔离液、钻井液混浆比例为66：20：14。因此，选取第1组混浆比例，即水泥浆、隔离液、钻井液混浆比例为66：20：14，开展污染稠化试验，测量稠化时间。试验温度取105℃，试验压力取80mpa。试验结果如图6所示，得到三相混浆污染稠化时间为307min，图6中的横坐标表示时间。图6和图7中的曲线2表示温度随时间变化曲线，曲线3表示压力随时间变化曲线，曲线4表示稠度随时间变化曲线。
[0063]
选取水泥浆：隔离液＝7:3的混浆比例，开展污染稠化试验，测量稠化时间，试验温度取105℃，试验压力取80mpa。试验结果如图7所示，得到两相污染稠化时间320min，图7中的横坐标表示时间。
[0064]
该井的固井施工时间为270min，三相混浆污染稠化时间307min和两相污染稠化时间320min均大于该固井施工时间，因此满足施工要求，由此可以判断结果：混浆条件下固井施工风险低，隔离液体系满足固井水泥浆防污染要求。
[0065]
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。