一种降低交变载荷作用下气井环控带压的方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发技术领域，特别是涉及一种降低交变载 荷作用下气井环控带压的方法。

背景技术

在油气开发过程中，气井环空带压问题日益突出，而导致环空带压的主 要原因就是水泥环密封性失效问题。储气库的气井在注气过程中，井下水泥 环会承受循环往复的交变载荷，较高的注气压力以及循环次数的累积会导致 水泥环-界面发生累积塑性变形而产生微环隙，从而形成气体窜流通道。对油 气井的井筒完整性造成了极大的损害，严重影响了油气井的安全高效生产。

因此，如何保证油气井的安全高效生产为本领域技术人员亟待解决的技 术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种降低交变载荷作用下气井环控带压的 方法，能够保证油气井的安全高效生产。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种降低交变载荷作用下气井环控带压的方法，包括以下步骤：

步骤A：采用过盈配合和生死单元法建立初凝后的套管-水泥环-地层的有 限元模型；

步骤B：定义载荷模块幅值曲线，对套管的内壁施加所述载荷模块的载荷， 获得水泥环密封性的施工参数及水泥石力学参数。

在一个具体实施方案中，所述步骤B中的载荷模块幅值曲线包括交变载 荷幅值曲线。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A包括：

步骤A1：获取建立所述套管-水泥环-地层的有限元模型的各参数；

步骤A2：杀死水泥环单元，并分别在所述套管的内壁和所述套管的外壁 施加液柱压力；

步骤A3：撤去所述套管外壁以及井眼内壁液柱压力，并激活所述水泥环 单元，输入所述水泥环单元的内应力，且所述水泥环单元的内应力为实验测 得的初凝时刻压力；

步骤A4：调节所述水泥环单元的孔隙压力值为水泥初凝后预设时刻的水 泥环孔隙压力，获得该时刻所述水泥环应力加载状态以及井筒组合体尺寸。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A1包括：

步骤A11：根据井身结构获取所述套管尺寸；

步骤A12：配置水泥浆进行所述水泥环孔隙压力以及力学参数测量；

步骤A13：确定初凝时刻所述井筒组合体尺寸。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A11中所述套管尺寸包括：

所述套管卸载状态下的内径及所述套管卸载状态下的外径；

根据电测结果获得注所述水泥浆前的井眼尺寸；

套管-地层力学参数；

油气井钻井-完井-固井施工参数。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A11中的套管-地层力学参数包括所 述套管的弹性模量、所述套管的泊松比、所述地层岩石的弹性模量、所述地 层岩石的泊松比和所述地层岩石的地应力。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A11中的油气井钻井-完井-固井施 工参数包括施工压力、电测时的钻井液密度、固井时刻井筒-环空内前置液的 密度及所述前置液的高度、固井时刻所述井筒-环空内水泥浆的密度及所述水 泥浆的高度、固井时刻所述井筒-环空内顶替液的密度及所述顶替液的高度、 所述套管内的压力以及环空液的液柱压力。

在另一个具体实施方案中，所述步骤B中的定义载荷模块幅值曲线还包 括定义温度幅值曲线。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A还包括：

步骤A5：获得所述套管-水泥环-地层的有限元模型的热力学参数；

步骤A6：传热类型设置为瞬态传热；

步骤A7：由压裂设计方案获得注液、停泵时间以及所述井筒的压裂改造 段数；

步骤A8：依次将每段压裂改造段进行温度模拟分析。

在另一个具体实施方案中，所述步骤A8包括：

步骤A81：设置井筒组合体初始温度，井筒内初始注液温度与地层温度相 同，对所述模型进行初始化；

步骤A82：注液温度设置为地表液体温度，分析步时间与压裂设计的注液 时间相同；

步骤A83：杀死井筒内壁的井筒传热模块，模拟停泵后井筒温度的上升过 程。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得 的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

根据上述技术方案可知，本发明提供的降低交变载荷作用下气井环控带 压的方法，首先，采用过盈配合和生死单元法建立初凝后的套管-水泥环-地 层的有限元模型，然后，定义载荷模块幅值曲线，对套管的内壁施加载荷模 块的载荷，获得水泥环密封性的施工参数及水泥石力学参数。本发明通过定 义载荷模块幅值曲线，对套管的内壁施加载荷模块的载荷，可以有效地评价 施工参数变化对水泥环密封性的影响，提高了水泥环密封性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出新颖性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种降低交变载荷作用下气井环控带压的 方法流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种降低交变载荷作用下气井环控带压的 方法流程图；

图3是本发明实施例三提供的一种降低交变载荷作用下气井环控带压的 方法流程图；

图4是初凝时刻套管受力状态；

图5是初凝时刻井壁受力状态；

图6是初凝时刻水泥环受力状态；

图7是初凝后某一时刻“套管-水泥环-地层”物理模型。

图中：

套管1、地层2、水泥环3。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图 1-7和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种降低交变载荷作用下气井环控带压的方法，通过优化 施工参数以及水泥浆体系，提高水泥环密封完整性，来实现抑制气井水泥环 密封失效的目的。

实施例一

本发明实施例公开了一种降低交变载荷作用下气井环控带压的方法。该 方法包括以下步骤：

步骤S1：采用过盈配合和生死单元法建立初凝后的套管-水泥环-地层的 有限元模型。

有限元模型由处于气井下的套管1、水泥环3和地层2构成，水泥环3位 于套管1和地层2之间。

步骤S2：定义载荷模块幅值曲线，对套管1的内壁施加载荷模块的载荷， 获得水泥环3密封性的施工参数及水泥石力学参数。

需要说明的是，载荷模块幅值曲线可以为交变载荷幅值曲线和/或温度幅 值曲线。

根据得到的水泥环3密封性的施工参数及水泥石力学参数得到提高水泥 环3密封完整性的最佳施工参数(浆柱结构、施工压力以及井口加压范围) 以及水泥石力学参数(弹性模量)。

本发明提供的降低交变载荷作用下气井环控带压的方法，首先，采用过 盈配合和生死单元法建立初凝后的套管1-水泥环3-地层2的有限元模型，然 后，定义载荷模块幅值曲线，对套管1的内壁施加载荷模块的载荷，获得水 泥环3密封性的施工参数及水泥石力学参数。本发明通过定义载荷模块幅值 曲线，对套管1的内壁施加载荷模块的载荷，可以有效地评价施工参数变化 对水泥环3密封性的影响，提高了水泥环3密封性。

实施例二

在本发明提供的第二实施例中，本实施例中的降低交变载荷作用下气井 环控带压的方法和实施例一中的降低交变载荷作用下气井环控带压的方法类 似，对相同之处就不再赘述了，仅介绍不同之处。

本实施例中，具体公开了步骤S2中的载荷模块幅值曲线包括交变载荷幅 值曲线。

进一步地，本发明公开了步骤S1包括：

步骤S11：获取建立套管1-水泥环3-地层2的有限元模型的各参数。

建立套管1-水泥环3-地层2有限元模型，其中套管1、水泥环3、地层2 部件分别建立，-确定初凝时刻水泥环3尺寸。套管-水泥环-地层有限元模型 中套管1、水泥环3和地层2均采用扫掠网格划分，地层2部件井眼周围进行 网格细化，套管1、水泥环3、地层2以及开挖部分内外壁界面建立接触，其 中模型左侧以及下边界建立法向约束，右侧以及上侧边界施加地应力。利用 *modle change关键字杀死水泥环单元，并在套管1内外壁施加液柱压力。

具体地，步骤S11包括步骤S111、步骤S112和步骤S113。

步骤S111为根据井身结构获取套管1尺寸。

具体地，套管1尺寸包括套管1卸载状态下的内径r

套管1-地层2力学参数包括套管1的弹性模量E

油气井钻井-完井-固井施工参数包括施工压力、电测时的钻井液密度、 固井时刻井筒-环空内前置液的密度及前置液的高度、固井时刻井筒-环空内 水泥浆的密度及水泥浆的高度、固井时刻井筒-环空内顶替液的密度及顶替液 的高度、套管1内的压力以及环空液的液柱压力。

p

式中：

p

H

ρ

计算无钻井液条件下的井眼尺寸。由钻井时刻的井眼尺寸，计算地层2 开挖时井眼尺寸，即井眼内无液体时的井眼尺寸。

式中：

r

r

p

p

步骤S112为配置水泥浆进行水泥环3孔隙压力以及力学参数测量。

具体地，测量装置的釜体内浆体高度为1m，釜体外侧有加热管，底部侧 面装有渗透水压力传感器，压力传感器与浆体之间注入隔离液体，保证水泥 浆凝固过程内部压力传递到压力传感器。实验前，测量装置提前加热至井底 温度，配置的水泥浆在井底温度条件下养护20min后导入釜体内，浆柱顶部 注气加压，压力为模拟位置地层2孔隙压力P

式中：

E

V

v

v

ρ——水泥石密度，g/m

步骤S113为确定初凝时刻井筒组合体尺寸。

计算初凝时刻，套管1在顶替液以及水泥浆压力下的几何尺寸变化；由 开挖时刻的井眼尺寸计算初凝时刻环空浆柱作用下的井眼尺寸。

套管1内径：

套管1外径：

井眼内径：

式中：

p

r

初凝时刻水泥环3的内外径分别对应着套管1的外径以及地层2的内径， 因此需要计算初凝时刻的套管1以及地层井眼尺寸。对于地层2，某一时刻的 位移场和应力场是原始状态与施工作业引起的变化的叠加。因此由无钻井液 时的井眼尺寸r

由电测得到井眼内为钻井液柱时的井眼尺寸r

其中，

以井眼开挖为起点，则钻井液作用下的井壁位移变化量为：

钻井过程中的井眼半径r

由于井筒组合体界面连续，则水泥环3的外径r

此外，初凝时刻套管1内外壁压力分别为P

则变形后的套管1外径为：

采用平衡法固井时，P

套管1外径＝水泥环3内径：

此时，井眼内径(水泥环3外径)为：

通过以上计算可以获得初凝时刻井筒组合体的尺寸大小。

步骤S12：杀死水泥环3单元，并分别在套管1的内壁和套管1的外壁施 加液柱压力。

步骤S13：撤去套管1外壁以及井眼内壁液柱压力，并激活水泥环单元， 输入水泥环单元的内应力，且水泥环单元的内应力为实验测得的初凝时刻压 力。

试验获得初凝后预设时刻的水泥环3孔隙压力p

需要说明的是，预设时刻是指水泥环3初凝后的任意时刻点，取多个时 刻点，改变施工压力、温度以及地层2性质，获得水泥环3的受力状态。改 变水泥浆体系以及釜体内压力，获得提高水泥环3密封性的最优体系以及施 工参数。

步骤S14：调节水泥环3单元的孔隙压力值为水泥初凝后预设时刻的水泥 环3孔隙压力，获得该时刻水泥环3应力加载状态以及井筒组合体尺寸。

在有限元模型中的载荷模块定义幅值曲线AMP，对套管1内壁施加交变载 荷，模拟施工过程中循环注气对水泥环3密封性的影响，从而获得提高水泥 环3密封完整性的最佳施工参数(浆柱结构、施工压力以及井口加压范围) 以及水泥石力学参数(弹性模量)。

实施例三

在本发明提供的第三实施例中，本实施例中的降低交变载荷作用下气井 环控带压的方法和实施例二中的降低交变载荷作用下气井环控带压的方法类 似，对相同之处就不再赘述了，仅介绍不同之处。

在本实施例中，本发明公开了步骤S2中的定义载荷模块幅值曲线还包括 定义温度幅值曲线。

由于后期施工过程中，井下的水泥环3可能面临温度以及压力交变的作 用，此外，大型压裂环境下地层2性质的改变同样会影响水泥环3的密封完 整性。当外部载荷发生变化时，井筒组合体的应力等于初始的井筒组合体力 学状态与井筒组合体外载变化量导致的井筒组合体应力变化的叠加。

进一步地，本发明公开了步骤S1还包括：

步骤S15：获得套管-水泥环-地层的有限元模型的热力学参数。

由于井筒要承受温度的循环作用，首先需要获得套管-水泥环-地层的热 力学参数，包括套管1、水泥环3和地层2各自对应的密度、膨胀系数、比热 以及导热系数。

步骤S16：传热类型设置为瞬态传热。

其次，有限元模型中，分析步类型需设置为Temp-displacement格式， 传热类型设置为瞬态传热。

步骤S17：由压裂设计方案获得注液、停泵时间以及井筒的压裂改造段数。

由压裂设计方案获得注液、停泵时间以及压裂改造段数n。

步骤S18：依次将每段压裂改造段进行温度模拟分析。

进一步地，本发明公开了步骤S18包括：

步骤S181：设置井筒组合体初始温度，井筒内初始注液温度与地层2温 度相同，对模型进行初始化。

由压裂段数n可设置分析步数目为2n+1，第一个分析步，通过预定义场 功能设置井筒组合体初始温度T，井筒内初始注液温度T

步骤S182：注液温度设置为地表液体温度，分析步时间与压裂设计的注 液时间相同。

步骤S183：杀死井筒内壁的井筒传热模块，模拟停泵后井筒温度的上升 过程。

此外，通过*field功能可以在不同分析步中设置地层2的弹性模量和地应 力，从而模拟压裂过程中地层2性质的变化对水泥环3密封性的影响。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其 它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要 符合与本文所公开的原理和创造特点相一致的最宽的范围。