一种海上控压固井注替排量设计方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开采技术领域，特别涉及一种海上控压固井注替排量设计方法。

背景技术

随着勘探技术的进步，海洋勘探开发逐步从常规水深不断向深水、超深水发展，深水油气田已成为世界石油产量的主要增长点。受注替排量的影响，海洋窄压力窗口井的固井质量是制约海洋油气开发的重要瓶颈。控压固井技术在满足安全固井的前提下，由于减小了环空静液柱压力，对于提高注替排量具有独特优势，成为提高固井质量的有效技术手段。

不同于控压钻井，控压固井施工过程中，井筒内由原钻井液、低密度钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆等工作液组成，各工作液密度、流变性差异较大，顶替过程环空动当量密度具有时变特性，需要精细化设计不同阶段顶替排量，达到注替过程中的压稳、防漏以及提高顶替效率的目的。通过大量的研究结果及现场施工经验表明，顶替水泥浆的最佳流态是紊流，其次是塞流。在常规井固井中通常采用紊流顶替来提高水泥浆顶替效率，但对于窄密度窗口，使用较多的是紊流-塞流变排量的复合顶替技术。采用紊流顶替有利于提高顶替效率，保证固井质量；塞流顶替环空摩阻非常小，可减小漏失发生的危险，同时塞流顶替可以保证水泥浆处于流动状态，传递环空液柱压力压稳气层，一旦顶替结束，水泥浆可以迅速胶凝，防止环空气窜的发生。

现有技术公开提供的注替排量设计方法主要是以地层漏失压力为设计基准，对固井施工进行阶段划分，通过优化注替排量分别控制各阶段的环空当量循环密度，以期减少漏失的产生。但上述方法并未考虑井筒安全密度窗口窄的限制，没有形成完整具体的针对海上控压固井的注替排量设计方法。

发明内容

本发明提供一种海上控压固井注替排量设计方法，基于流体的流变性，保证在固井施工过程中的压力平衡，同时还应达到对钻井液的有效驱替。

本发明提供了一种海上控压固井注替排量设计方法，包括以下步骤：

S1、划分固井施工阶段；

S2、在已知各固井液的流变参数的情况下，确定注水泥各个施工阶段中各固井液的流态；

S3、分别计算施工阶段的环空内各固井液的临界流速与排量；

S4、分别计算施工阶段的套管内各固井液的临界流速与排量；

S5、计算停泵压胶塞阶段整个流道产生的摩阻压降；

S6、计算固井注替过程井筒压力；

S7、以地层漏失压力为设计基准，将井筒压力与地层漏失压力进行比较，判断是否有漏失风险。

可选的，步骤S1具体为：以地层漏失压力为设计基准，固井施工分为水泥浆出套管鞋前为第一阶段，水泥浆出套管鞋后为第二阶段，第一阶段和第二阶段需关注停泵压胶塞阶段的注替排量设计。

可选的，步骤S2中各固井液包括：钻井液、低密度钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆；确定注水泥各个施工阶段中各固井液的流态具体为：采用紊流-塞流复合顶替技术，第一阶段采用紊流顶替，第二阶段采用塞流顶替。

可选的，步骤S3中不同施工阶段的环空内各固井液的临界流速，通过环空塞流临界流速公式和环空紊流临界流速公式进行计算，公式如下：

式中，V

不同施工阶段的环空内各固井液的临界排量通过下式计算：

式中，Q

临界雷诺数由下式计算：

Re

式中，n为水泥浆流性指数。

可选的，步骤S4中不同施工阶段的套管内各固井液的临界流速由下式确定：

式中，V

不同施工阶段的套管内各固井液的临界排量由下式确定：

/>

式中，Q

可选的，步骤S5中的停泵压胶塞阶段，考虑利用防喷器和节流管汇结合的施工方法进行控压固井，即在停泵压胶塞前完成关闭防喷器操作，停泵压胶塞后固井流体由套管环空进入节流管汇返出，具体工艺流程为：首先在停泵压胶塞前1min内完成关闭防喷器操作，且固井流体返出流道由常规方案的隔水管环空变为节流管汇，随后在停泵压胶塞过程中，进行关闭节流阀操作，此降低排量的过程应在30～40s内完成，以便有充分的时间用于调整井口回压值。

可选的，步骤S5中的停泵压胶塞阶段，固井液在由泥线位置返到海平面过程中，节流管汇产生的摩阻压降由下式计算得到：

式中，P

节流管汇中固井液的流速由下式计算得到：

摩阻系数由下式计算得到：

式中，Re为雷诺数，雷诺数由下式计算得到：

步骤S5中的停泵压胶塞阶段，固井液在由泥线位置返到海平面过程中，节流管汇产生的摩阻压降由下式计算得到：

式中，P

节流管汇中固井液的流速由下式计算得到：

摩阻系数由下式计算得到：

式中，Re为雷诺数，雷诺数由下式计算得到：

可选的，步骤S6中固井注替过程井筒压力由环空摩阻压降与环空固井液静压组成，其中第一阶段和第二阶段井筒压力分别由下式计算所得：

ΔP

ΔP

式中，ΔP

第一阶段和第二阶段固井液静压分别由下式计算所得

式中，ρ

第一阶段和第二阶段固井液环空摩阻压降分别由下式计算所得：

式中，f

可选的，判断是否有漏失风险的准则为：

ΔP

式中，P

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过划分控压固井施工阶段，针对不同的阶段设计固井液的临界流速和临界排量，形成停泵压胶塞阶段利用防喷器和节流管汇结合的施工方法，由设计所得海上控压固井注替排量计算最终顶替泵压与地层漏失压力进行比较，验证了设计方法的可靠性。该方法能够兼顾防漏和提高顶替效率，并创新性的考虑到停泵压胶塞阶段的注替排量设计，保障了固井施工安全和固井质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种海上控压固井注替排量设计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的海上控压固井停泵压胶塞阶段注替排量设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

随着勘探技术的进步，海洋勘探开发逐步从常规水深不断向深水、超深水发展，深水油气田已成为世界石油产量的主要增长点。受注替排量的影响，海洋窄压力窗口井的固井质量是制约海洋油气开发的重要瓶颈。控压固井技术在满足安全固井的前提下，由于减小了环空静液柱压力，对于提高注替排量具有独特优势，成为提高固井质量的有效技术手段。

不同于控压钻井，控压固井施工过程中，井筒内由原钻井液、低密度钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆等工作液组成，各工作液密度、流变性差异较大，顶替过程环空动当量密度具有时变特性，需要精细化设计不同阶段顶替排量，达到注替过程中的压稳、防漏以及提高顶替效率的目的。通过大量的研究结果及现场施工经验表明，顶替水泥浆的最佳流态是紊流，其次是塞流。在常规井固井中通常采用紊流顶替来提高水泥浆顶替效率，但对于窄密度窗口，使用较多的是紊流-塞流变排量的复合顶替技术。采用紊流顶替有利于提高顶替效率，保证固井质量；塞流顶替环空摩阻非常小，可减小漏失发生的危险，同时塞流顶替可以保证水泥浆处于流动状态，传递环空液柱压力压稳气层，一旦顶替结束，水泥浆可以迅速胶凝，防止环空气窜的发生。

现有技术公开提供的注替排量设计方法主要是以地层漏失压力为设计基准，对固井施工进行阶段划分，通过优化注替排量分别控制各阶段的环空当量循环密度，以期减少漏失的产生。但上述方法并未考虑井筒安全密度窗口窄的限制，没有形成完整具体的针对海上控压固井的注替排量设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种海上控压固井注替排量设计方法，基于流体的流变性，保证在固井施工过程中的压力平衡，同时还应达到对钻井液的有效驱替，以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，其中，图1为本发明实施例提供的一种海上控压固井注替排量设计方法的流程图，图2为本发明实施例提供的海上控压固井停泵压胶塞阶段注替排量设计流程图。

如图1-2所示，本发明实施例提供的一种海上控压固井注替排量设计方法，包括以下步骤：

S1、划分固井施工阶段，以地层漏失压力为设计基准，固井施工分为水泥浆出套管鞋前为第一阶段，水泥浆出套管鞋后为第二阶段，在第一阶段和第二阶段需关注停泵压胶塞阶段的注替排量设计；

S2、在已知各固井液的流变参数的情况下，确定注水泥各个施工阶段中各固井液的流态，各固井液包括：钻井液、低密度钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆，确定注水泥各个施工阶段中各固井液的流态具体为：采用紊流-塞流复合顶替技术，第一阶段采用紊流顶替，第二阶段采用塞流顶替；

S3、分别计算施工阶段的环空内各固井液的临界流速与排量；

通过环空塞流临界流速公式和环空紊流临界流速公式进行计算，公式如下：

式中，V

不同施工阶段的环空内各类固井液的临界排量通过下式计算：

式中，Q

临界雷诺数由下式计算：

Re

式中，n为水泥浆流性指数。

如表1所示，为本实施例浆体性能参数；如表2所示，为本实施例紊流、塞流临界顶替排量；

表1浆体性能参数浆体性能参数

表2紊流、塞流临界顶替排量

S4、分别计算施工阶段的套管内各固井液的临界流速与排量：

式中，V

不同施工阶段的套管内各固井液的临界排量由下式确定：

式中，Q

S5、计算停泵压胶塞阶段整个流道产生的摩阻压降停泵压胶塞阶段，考虑利用防喷器和节流管汇结合的施工方法进行控压固井，即在停泵压胶塞前完成关闭防喷器操作，停泵压胶塞后固井流体由套管环空进入节流管汇返出，具体工艺流程为：首先在停泵压胶塞前1min内完成关闭防喷器操作，且固井流体返出流道由常规方案的隔水管环空变为节流管汇，随后在停泵压胶塞过程中，进行关闭节流阀操作，此降低排量的过程应在30～40s内完成，以便有充分的时间用于调整井口回压值。

可选的，步骤S5中的停泵压胶塞阶段，固井液在由泥线位置返到海平面过程中，节流管汇产生的摩阻压降由下式计算得到：

式中，P

节流管汇中固井液的流速由下式计算得到：

摩阻系数由下式计算得到：

式中，Re为雷诺数，雷诺数由下式计算得到：

S6、计算固井注替过程井筒压力，井筒压力由环空摩阻压降与环空固井液静压组成，其中第一阶段和第二阶段井筒压力分别由下式计算所得：

ΔP

ΔP

式中，ΔP

第一阶段和第二阶段固井液静压分别由下式计算所得

式中，ρ

第一阶段和第二阶段固井液环空摩阻压降分别由下式计算所得：

式中，f

S7、以地层漏失压力为设计基准，将井筒压力与地层漏失压力进行比较，判断是否有漏失风险，判断是否有漏失风险的准则为：

ΔP

式中，P

现阶段考虑了利用防喷器和节流管汇结合的施工方法进行控压固井。在停泵压胶塞前完成关闭防喷器操作。随着注水泥的完成，进入到停泵压胶塞阶段，固井流体由套管环空进入到节流管汇返出。在这个过程中，摩阻压降增大，可能会导致动井筒过大而压裂地层。因此要对固井流体通过节流管汇过程中产生的循环摩阻当量密度以及相对应的施工措施进行优化。

首先需在在停泵压胶塞前1min内完成关闭防喷器操作，固井流体返出流道由常规方案的隔水管环空变为节流管汇。随后在停泵压胶塞过程中，进行关闭节流阀操作，此降低排量的过程应在30～40s内完成，以便有充分的时间用于调整井口回压值。固井流体在由泥线位置返到海平面过程中，节流管汇产生的摩阻压降可以由下式计算得到：

式中，ΔP

确定该井的注替参数施工排量需注意：

第一阶段水泥浆出套管鞋前，尽可能采用大排量施工，但要控制施工排量不超过井漏临界排量，同时也可避免钻井液(钻井液密度小于水泥浆密度)在浮力的作用下发生管内窜槽。第二阶段水泥浆出套管鞋后，环空静液柱压力和环空摩阻逐渐增加，降低排量，控制雷诺数小于100，根据理论计算出的参数作为参考，先导浆与隔离液出套管后采用紊流顶替，即先导浆排量为14.2L/s，隔离液排量为10.8L/s，水泥浆出套管后，采用塞流顶替，即排量为1.83L/s。停泵压胶塞阶段节流管汇产生的摩阻压降0.54MPa，进行塞流顶替，既能够起到降低环空压力波动，避免井漏，又能达到提高环空顶替效率的作用。通过当前设计排量下的井底压力与地层漏失压力做对比，判断是否有漏失风险。利用顶替效率顶替软件模拟注替排量对应的顶替效率，判断是否满足工程需要。

通过划分控压固井施工阶段，针对不同的阶段设计固井液的临界流速和临界排量，形成停泵压胶塞阶段利用防喷器和节流管汇结合的施工方法，由设计所得海上控压固井注替排量计算最终顶替泵压与地层漏失压力进行比较，验证了设计方法的可靠性。该方法能够兼顾防漏和提高顶替效率，并创新性的考虑到停泵压胶塞阶段的注替排量设计，保障了固井施工安全和固井质量。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。