保障深水钻遇水合物稳定的固井调控、评价指标建立方法

本发明属于油气井固井领域，具体涉及保障深水钻遇水合物稳定的固井调控方法和评价指标建立方法。

背景技术：

1、水合物广泛分布于中国南海的深水区域的浅层中，这就导致深水油气开发过程中极易在浅层钻遇水合物层，若水合物失稳分解会对钻井和生产工程造成极大的安全隐患。目前，相比于减压释放水合物层，对水合物层进行固井是一种更安全有效的封堵水合物层的方法。然而，在后续的油井施工和油气生产开发过程中，当深层热流体从井底返至浅部水合物层时，如果通过水泥环向地层传递的热量过大，会破坏天然气水合物的稳定性，引起水合物分解，导致井口冒气，严重危害生产安全。目前学者们主要通过管柱保温和环空保温的方式来解决井筒热量散失问题（例如：cn 201010590928海上热采环空连续注氮辅助隔热方法；cn2005100448019金属真空隔热套管）。但是由于管柱隔热存在成本过于高昂同时接箍处的热损失无法忽略、环空隔热存在环空保护液加速管柱腐蚀等问题，应用并不广泛。

2、在油气生产过程中，油气沿着生产井的油管向上移动。根据热力学传热原理，油管中热流体携带的热量将通过油管、每层套管和环空水泥环（或环空液体）径向传递到地层中。为了保证水合物层的长效稳定性，需要最大限度地减少油管中的热流体向地层的热传递，根据井身结构特点，能有效起到阻隔热能传递的主要是环空水泥环。地热井固井领域的学者们通过降低水泥的导热系数来提高热量利用效率，证明了低导热系数水泥在阻碍热量传递和确保水合物稳定性方面的潜力。但目前对保温固井水泥的研究还处于初级阶段，没有统一、规范、合适的调控方法和标准。

3、因此有必要根据我国南海的实际固井条件和深水环境，建立一种保障深水钻遇水合物稳定的固井调控方法和评价指标建立方法，为后续保温隔热材料的开发及保温隔热水泥体系的构建研究提供理论依据。

技术实现思路

1、本发明提出了一种保障深水钻遇水合物稳定的固井调控方法和评价指标建立方法，该方法可以根据现场设计的井身结构和生产作业参数、产出流体参数、环空流体参数、固井目的层的地层参数、对应生产层位的地层参数建立导热系数调控图版。利用该图版可以合理协调水泥环厚度和水泥环的热传导系数，并在确定水泥环厚度条件下明确保障深水钻遇型水合物层稳定的水泥环导热系数评价指标。现场作业时可根据导热系数指标对固井水泥的保温性能进行调控，通过低导热的水泥环实现对热能的有效阻隔，从而保证在实际生产过程中井周水合物地层的稳定，有效避免由于固井质量问题引起的事故，为深水深层油气资源的安全高效开采提供重要保障。

2、本发明所述的一种深水钻遇型水合物层长效稳定的固井调控方法，包括以下步骤：

3、（1-1）采集穿越型水合物层的地层样本，测试其物性参数，作为固井目的层的物性参数。

4、（1-2）采集对应位置深层的油气藏产层的地层样本，测试其物性参数，作为生产层位的物性参数。

5、（1-3）基于设计的井身结构建立固井目的层稳定传热情况下的固井二界面处的温度计算公式。

6、（1-4）基于设计的生产作业参数、产出流体参数、环空流体参数、固井目的层的物性参数、对应生产层位的物性参数代入温度计算公式中，得到不同水泥环厚度下水合物层处于不分解上限温度时的导热系数曲线和水合物层处于完全稳定状态时的导热系数曲线，以水泥环厚度为x轴，以水泥环导热系数为y轴，建立导热系数调控图版（如图1所示）；

7、进一步的，水合物层处于不分解上限温度时的导热系数曲线采用虚线表示，水合物层处于完全稳定状态（地层温度）时的导热系数曲线用实线表示。两条线将导热系数调控图版分为水合物分解区、水合物介稳区和水合物稳定区。

8、（1-5）基于设计的水泥浆体系配方，于实验室测定水泥浆凝固后水泥环的导热系数后，根据设计的水泥环厚度，在图版中判断该水泥环导热系数所在位置；

9、若水泥环导热系数处于水合物分解区时，则表示该水泥环的保温性能无法满足要求，需要调控水泥环的导热系数或厚度，使水泥环的导热系数处于水合物介稳定区或水合物稳定区，进行步骤（1-6）；

10、若水泥环的导热系数处于水合物介稳定区，则表示该水泥环具有一定的保温性能，一定程度上可以保证井周水合物不会失稳，可以进行使用，进行步骤（1-6），但不是处于最优状态；

11、若水泥环的导热系数处于水合物稳定区，则表示该水泥环保温性能优秀，在生产过程中能够将热量完全的阻隔在井筒内，保证地层温度的稳定，继续进行步骤（1-6）。

12、（1-6）根据目的层段所需的水泥浆注入量进行估算，根据现场作业情况和相应施工参数以顶替液的方式将满足测试要求的保温水泥浆注入地层，直至水泥浆到达预定固化范围。

13、进一步的，所述固井目的层的物性参数为温度、压力、水合物饱和度、水合物分解温度、层位深度。

14、进一步的，所述对应生产层位的物性参数为油气藏温度、压力、层位深度。

15、进一步的，所述井身结构包括油管尺寸、各层套管尺寸、井筒尺寸、水泥环层数。

16、进一步的，所述稳定传热情况下的固井二界面处的温度计算公式为：

17、     （1）

18、式中， t a为交界面处温度，k； t p为油管内壁温度，k； cd为油管中流体比热容，j·(g·k)-1； ρd为油管中流体密度，kg·m-3； ap为油管横截面积，m2； vp为钻井液在钻柱内的流速，m·s-1； rti为油管内半径，m； k cem为水泥环导热系数，w·(m·k)-1；δ r为水泥环厚度，m； r co为套管外径，m； r o 、r i为环空外、内径，m； k c为环空流体导热系数，w·(m·k)-1。

19、进一步的，所述生产作业参数为设计产量、设计产出温度。

20、进一步的，所述产出流体参数为流体比热容、流体密度。

21、进一步的，所述环空流体参数为充填介质、环空流体导热系数。

22、进一步的，所述导热系数调控图版为以稳定传热情况下的固井二界面处的温度计算公式为基础建立的深层油气生产不造成水合物分解风险的水泥环导热系数要求范围。

23、进一步的，所述导热系数调控图版中水合物分解区表示此区域内水泥环无法起到保证水合物稳定的效果，此时传递至地层的热量将使地层温度高于水合物分解温度，从而导致井周水合物的分解；水合物介稳定区表示此区域内水泥环能够起到隔热的效果，此时地层温度虽然会有所上升但是低于水合物的分解温度，不会造成水合物的失稳；水合物稳定区表示此区域内水泥环能够很好的将热量阻隔于井筒内部，使大部分热量继续沿井筒向上运移，此时地层温度不会受到影响，此时水合物层完全处于稳定状态。

24、本发明还提出了一种保障深水钻遇水合物稳定的评价指标的建立方法，基于上述所述的固井调控方法，包括以下步骤：

25、（2-1）建立导热系数调控图版；建立过程同步骤（1-1）-（1-4）；

26、（2-2）根据设计的水泥环的厚度，在图版中确认水合物层处于不分解上限温度时的导热系数k1（虚线）和水合物层处于完全稳定状态时的导热系数k2（实线）；

27、（2-3）建立导热系数评价指标，以形成的水泥环能否有效阻碍热量传递至地层为评价依据，将水泥环的保温性能分为3个等级。

28、进一步的，当k≤k2，表示水泥环能将热量完全阻隔，水泥环保温性能评级为优秀；当k2<k≤k1，表示水泥环能将热量部分阻隔，水泥环保温性能评级为良好；当k>k1，表示水泥环不能将热量阻隔，水泥环保温性能评级为不合格；

29、其中：k为设计的水泥环的导热系数，单位w·(m·k)-1；

30、k1为水合物层处于不分解上限温度时的导热系数，单位w·(m·k)-1；

31、k2为水合物层处于完全稳定状态时的导热系数，单位w·(m·k)-1。

32、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

33、（1）创新性的提出保障深水钻遇水合物稳定的固井调控方法，利用该方法可以根据现场油气层的具体温度和生产参数利用调控图版合理协调水泥环厚度和水泥石的热传导系数，从而保证在实际生产过程中井周地层水合物的稳定，为深水水合物层油气资源的安全高效开采提供重要保障；

34、（2）基于固井调控方法提出保障深水钻遇水合物稳定的评价指标建立方法，利用该方法可以在确定水泥环厚度条件下明确保障深水钻遇型水合物层稳定的水泥环导热系数评价指标，现场作业时可根据导热系数指标对固井水泥的保温性能进行调控，通过低导热的水泥环实现对热能的有效阻隔，从而保证固井侯凝期间与后续生产作业过程中水合物的稳定，有效避免由于固井质量问题引起的事故。