一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法

本发明涉及石油开采的固井领域，具体涉及一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法。

背景技术：

1、固井具有投资大、风险高、作业时间短、一次性作业、系统性强等特点。其主要目的在于进行有效的层间封隔，巩固钻井技术成果，保证油气资源安全开采。然而在固井水泥浆候凝期间，由于水泥浆水化热作用下产生失重导致孔隙压力下降，当孔隙压力失重低于气层压力时，地层中气体就窜入环空，继而发生层间互窜，严重时会污染油气层，降低油气的采收率。因此，候凝期间水泥浆水化热条件下的防气窜能力是影响油气井水泥评价的一个重要因素。

2、气体在水泥浆浆体内窜流的实质为气体在压差驱动作用下从高压地层流向低压地层的物理过程。气体是否发生层间窜流取决于临界气窜距离是否超过地层的层间距离。现普遍认为候凝期间水泥浆特性是影响气体窜流的重要因素，水泥浆水化热是影响水泥浆候凝期间性能的关键因素。水泥浆在水化放热期间温度升高影响着浆体性能的渗透率、孔隙度及静胶凝强度情况，进而影响着水泥浆气窜距离。

3、目前针对于水泥浆水化放热对层间气窜影响研究较少，现有研究主要针对于固井候凝期间水泥浆特性对层间气窜的影响分析。文章“基于水泥浆体系性能的环空带压机理研究”主要建立了气体层间窜流模型，并对水泥浆防气窜能力进行有效评价。但是在水泥浆候凝期间，水泥浆水化作用下基体温度不断变化，影响到水泥浆渗透率、孔隙度以及静胶凝强度等参数；同时，温度变化也对气体压缩因子、粘度等产生影响，而现有方法为分析水化放热对浆体基体影响，同时，也未分析井筒温度对气体属性影响，进而使得该计算方法难以准确有效应用于实际。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法解决了现有层间气窜计算方法难以得到准确有效计算结果的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、提供一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其包括以下步骤：

4、s1、根据固井设计参数和地质设计参数构建环空水泥浆热传导模型，对环空水泥浆热传导模型进行离散处理，得到离散后的热传导模型；

5、s2、根据初始条件和候凝期间水泥浆的初始温度，采用有限差分法求解离散后的热传导模型，得到候凝期间水泥浆各区域每个时间节点温度；

6、s3、构建水泥浆基体内孔隙压力计算模型并进行离散处理，得到离散后的孔隙压力计算模型；

7、s4、根据初始条件和边界条件，采用有限差分法求解离散后的孔隙压力计算模型，得到候凝期间水泥浆各区域每个时间节点孔隙压力；

8、s5、根据候凝期间水泥浆各区域每个时间节点孔隙压力获取下一时刻的孔隙压力，判断下一时刻的孔隙压力与预先设置的水泥浆基体内孔隙压力之差是否小于等于预设精度，若是则进入步骤s7；否则进入步骤s6；

9、s6、采用预先设置的水泥浆基体内孔隙压力与下一时刻孔隙压力的平均值更新预先设置的水泥浆基体内孔隙压力，并返回步骤s5；

10、s7、通过下一时刻的孔隙压力更新水泥浆基体内孔隙压力，并结合一维达西渗流方程，计算获得气窜距离；

11、s8、判断气窜距离是否大于等于地层平均层间距离，若是则判定发生层间气窜的可能性较大；否则判定发生层间气窜的可能性较小。

12、进一步地，步骤s1中环空水泥浆热传导模型的表达式为：

13、

14、其中tc为环空水泥浆温度；ta为候凝时套管壁温度；λm为套管热传导系数；λc为环空内水泥浆热传导系数；ρm为水泥浆密度；r1为套管内径；r2为水泥环内径；r3为井壁内径；tw为候凝时井壁温度；q∞为水泥浆最终水化热；cc为水泥比热容；α为水泥浆水化热；λw为井壁热传导系数；t表示时间。

15、进一步地，步骤s3中水泥浆基体内孔隙压力计算模型的表达式为：

16、

17、其中p为孔隙压力；z为水泥浆压缩因子；c(p)为等温压缩系数；φ(x,t)为孔隙度；t表示时间；x为水泥浆在轴向上距离；k(t)为t时刻的渗透率；μ(p)为气体粘度。

18、进一步地，步骤s4中的初始条件为：

19、当临界静胶凝强度小于等于48pa时：

20、

21、当临界静胶凝强度大于48pa时：

22、

23、其中pd为水泥浆浆柱顶部压力；ρm为水泥浆密度；g为重力加速度；l为水泥浆浆柱高度；sgsc为临界静胶凝强度；x为水泥浆在轴向上距离；dw为井眼直径；dc为套管直径；p(x,t1)为水泥浆在气窜开始的瞬态孔隙压力。

24、进一步地，步骤s5中预设精度的值为1×10-3。

25、进一步地，步骤s7中一维达西渗流方程的表达式为：

26、

27、

28、其中u(x,t)为t时刻的气窜速度；k(t)为t时刻的渗透率；μ(p)为气体粘度；φ(x,t)为孔隙度；p(x,t)为水泥浆瞬态孔隙压力；t表示时间；s(t)为气窜距离；k(τ)为τ时刻的渗透率；t1为气窜开始时间。

29、本发明的有益效果为：

30、1、本发明充分考虑候凝期间水化过程中水化热对水泥浆孔隙度和静胶凝强度的影响；同时，考虑了水泥浆水化期间环空温度对气体物性参数影响，以此为计算条件，使得模拟过程更贴近实际条件，模拟结果具有更好的可行度。

31、2、本发明对于复杂的水泥浆孔隙压力方程进行线性化处理、离散化处理后使用迭代法求解，拥有计算效率高、收敛效果好的特点，能快速获得水泥浆孔隙压力分布，进而判断水泥浆气窜距离。

技术特征：

1.一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其特征在于，步骤s1中环空水泥浆热传导模型的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其特征在于，步骤s3中水泥浆基体内孔隙压力计算模型的表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其特征在于，步骤s4中的初始条件为：

5.根据权利要求1所述的一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其特征在于，步骤s5中预设精度的值为1×10-3。

6.根据权利要求1所述的一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，其特征在于，步骤s7中一维达西渗流方程的表达式为：

技术总结
本发明公开了一种基于水泥浆水化放热下层间气窜计算方法，涉及石油开采的固井领域，本发明考虑水泥浆候凝期间水化热作用对气体渗流机理影响，进而建立层间气窜模型，确定模型的边界条件和初始条件，获得水泥浆基体内孔隙压力，从而预估水泥浆凝固前期气体运移速度以及气窜临界距离，并可以对水泥浆防气窜能力进行精准地判断。

技术研发人员：杨谋,熊琛,宋泽平,赵鹏超,蒲技熠,车双苗,祝鑫泉,唐彬
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22