一种热采井水泥浆配方开发方法

技术领域

本发明属于油田热采井固井技术领域，具体涉及一种热采井水泥浆配方开发方法。

背景技术

井筒完整性是油田正常开发的基础，相关方面也提出延长井筒全生命周期的工作要求。但随着生产时间的不断增长，受地质、工艺等不同因素影响，注采井不可避免地都会出现一定比例的套管损坏而严重影响油田正常生产。由于辽河油田地质情况复杂、油品性质多样、开发方式多元，造成套损类型多样，套损原因分析异常困难。辽河油田自九十年代开始致力于稠油热采井套损机理分析和套损防治的研究，逐步形成了预应力完井、G级加砂固井水泥体系、外加厚套管等特色技术，一定程度上降低了热采井套损率，延长了热采井的寿命。

但是经室内检测发现目前采用的G级加砂水泥体系温度超过170℃后强度开始明显下降，渗透率显著上升，在高温交变热应力作用下水泥环极易发生破裂、出砂掏空使套管柱失去地层支撑，压缩载荷使管柱发生S型弯曲变形。

经普查发现辽河油田现有套损井5370口，平均套损率为22.3％(总井数24578口)，因套损停产直接影响原油日产量2157余吨。热采套损井4241口，其中因固井水泥问题导致套管损坏的井占热采套损井总数的30％，套损影响稠油热采井的正常生产，并大幅度增加修井作业成本。

由于辽河油田油品的特殊性，注汽温度较高达350℃。目前市场没有适用于350℃高温的固井水泥，高温下水泥环破损导致套损率较高，热采井套损严重，因此需要研究350℃高温的固井水泥体系。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种热采井水泥浆配方开发方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种热采井水泥浆配方开发方法，所述方法包括步骤：

获取套管内沿井筒方向的温度分布；

获取所述套管内沿井筒方向的内压分布；

根据所述温度分布和所述内压分布获取所述套管和水泥环的应力数据和变形数据；

获取所述套管和所述水泥环的失效条件；

根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数；

获取现场固井工艺要求数据；

根据所述设计力学参数和所述工艺要求数据开发水泥浆。

可选的，所述获取套管内沿井筒方向的温度分布包括步骤：

在所述热采井上找到设置有隔热管的第一段和未设置隔热管的第二段；

沿所述井筒方向建立所述第一段对应的预设温度下的第一温度场计算模型；

沿所述井筒方向建立所述第二段对应的预设温度下的第二温度场计算模型；

利用所述第一温度场计算模型计算所述第一段对应的注蒸汽温度分布；

利用所述第二温度场计算模型计算所述第二段对应的注蒸汽温度分布。

可选的，所述获取所述套管内沿井筒方向的内压分布包括步骤：

在所述热采井上找到设置有隔热管的第一段和未设置隔热管的第二段；

沿所述井简方向建立所述第一段对应的预设温度下的第一压力场计算模型；

沿所述井筒方向建立所述第二段对应的预设温度下的第二压力场计算模型；

利用所述第一压力场计算模型计算所述第一段对应的内压分布；

利用所述第二压力场计算模型计算所述第二段对应的内压分布。

可选的，所述根据所述温度分布和所述内压分布获取所述套管和水泥环的应力数据和变形数据包括步骤：

获取热采井井筒有限元模型；

获取所述热采井的注蒸汽温度分布；

获取所述套管的内压分布；

获取所述热采井的井周地层数据；

将所述注蒸汽温度分布、所述内压分布和所述井周地层数据输入所述热采井井筒有限元模型；

获取所述热采井井筒有限元模型输出的所述应力数据和所述变形数据。

可选的，所述获取所述套管和所述水泥环的失效条件包括步骤：

获取在所述热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下所述套管和所述水泥环之间发生界面剥离破坏的第一条件；

获取在所述热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下所述套管和所述水泥环之间发生剪切破坏的第二条件；

获取在所述热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下所述套管和所述水泥环之间发生拉伸破坏的第三条件；

汇总所述第一条件、所述第二条件和所述第三条件；

得到所述失效条件。

可选的，所述根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的弹性模量进行设计。

可选的，所述根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的抗压强度进行设计。

可选的，所述根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的抗拉强度进行设计。

可选的，所述根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的屈服强度进行设计。

可选的，所述水泥浆的组分包括：油井水泥、硅粉、幑硅、高温强度稳定剂、抗高温脆裂剂、膨胀剂、悬浮稳定剂、降失水剂、消泡剂、增强剂、早強剂和溶剂。

可选的，所述水泥浆适用于稠油热采井固井完井。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种热采井水泥浆配方开发方法，所开发的水泥浆适用于稠油热采井固井完井，水泥强度高，48h抗压强度平均大于20MPa，168h抗压强度平均大于22MPa，其韧性好，冷热循环交替对水泥石强度影响较小；长期高温作用下强度不衰退，可满足高温注汽要求。对于降低热采井套损率、延长套管使用寿命具有显著的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种热采井水泥浆配方开发方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种热采井水泥浆配方开发方法得到的高温固井水泥稠化试验结果示意图；

图3是本发明实施例提供的一种热采井水泥浆配方开发方法得到的高温水泥及G级加砂水泥强度对比试验示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种热采井水泥浆配方开发方法，所述方法包括步骤：

S1：获取套管内沿井筒方向的温度分布；

在本申请实施例中，步骤S1中的获取套管内沿井筒方向的温度分布包括步骤：

在所述热采井上找到设置有隔热管的第一段和未设置隔热管的第二段；

沿所述井筒方向建立所述第一段对应的预设温度下的第一温度场计算模型；

沿所述井筒方向建立所述第二段对应的预设温度下的第二温度场计算模型；

利用所述第一温度场计算模型计算所述第一段对应的注蒸汽温度分布；

利用所述第二温度场计算模型计算所述第二段对应的注蒸汽温度分布。

在本申请实施例中，当获取套管内沿井筒方向的温度分布时，首先需要在热采井上找到设置有隔热管的第一段和未设置隔热管的第二段，第一段和第二段共同构成热采井；接着沿井筒方向建立第一段对应的预设温度(比如350℃)下的第一温度场计算模型，利用第一温度场计算模型计算第一段对应的注蒸汽温度分布；同时沿井筒方向建立第二段对应的预设温度(比如350℃)下的第二温度场计算模型，并利用第二温度场计算模型计算第二段对应的注蒸汽温度分布，从而可以得到整个套管内沿井筒方向的温度分布情况。

S2：获取所述套管内沿井筒方向的内压分布；

在本申请实施例中，步骤S2中的获取所述套管内沿井筒方向的内压分布包括步骤：

在所述热采井上找到设置有隔热管的第一段和未设置隔热管的第二段；

沿所述井筒方向建立所述第一段对应的预设温度下的第一压力场计算模型；

沿所述井筒方向建立所述第二段对应的预设温度下的第二压力场计算模型；

利用所述第一压力场计算模型计算所述第一段对应的内压分布；

利用所述第二压力场计算模型计算所述第二段对应的内压分布。

在本申请实施例中，当获取所述套管内沿井筒方向的内压分布时，首先需要在热采井上找到设置有隔热管的第一段和未设置隔热管的第二段，第一段和第二段共同构成热采井；接着沿井筒方向建立第一段对应的预设温度(比如350℃)下的第一压力场计算模型，利用第一压力场计算模型计算第一段对应的内压分布；同时沿井筒方向建立第二段对应的预设温度(比如350℃)下的第二压力场计算模型，并利用第二压力场计算模型计算第二段对应的内压分布，从而可以得到整个套管内沿井筒方向的内压分布情况。

S3：根据所述温度分布和所述内压分布获取所述套管和水泥环的应力数据和变形数据；

在本申请实施例中，步骤S3中的根据所述温度分布和所述内压分布获取所述套管和水泥环的应力数据和变形数据包括步骤：

获取热采井井筒有限元模型；

获取所述热采井的注蒸汽温度分布；

获取所述套管的内压分布；

获取所述热采井的井周地层数据；

将所述注蒸汽温度分布、所述内压分布和所述井周地层数据输入所述热采井井筒有限元模型；

获取所述热采井井筒有限元模型输出的所述应力数据和所述变形数据。

在本申请实施例中，当根据所述温度分布和所述内压分布获取所述套管和水泥环的应力数据和变形数据时，首先可以获取公知的热采井井筒有限元模型，并获取步骤S1中得到的热采井的注蒸汽温度分布和步骤S2中得到的套管的内压分布，以及获取热采井的井周地层数据，然后将注蒸汽温度分布、内压分布和井周地层数据输入热采井井筒有限元模型中，热采井井筒有限元模型可以输出应力数据和所述变形数据。

S4：获取所述套管和所述水泥环的失效条件；

在本申请实施例中，步骤S4中的获取所述套管和所述水泥环的失效条件包括步骤：

获取在所述热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下所述套管和所述水泥环之间发生界面剥离破坏的第一条件；

获取在所述热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下所述套管和所述水泥环之间发生剪切破坏的第二条件；

获取在所述热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下所述套管和所述水泥环之间发生拉伸破坏的第三条件；

汇总所述第一条件、所述第二条件和所述第三条件；

得到所述失效条件。

在本申请实施例中，当获取所述套管和所述水泥环的失效条件时，需要获取在热采井的内压分布、温度分布和地应力作用下套管和水泥环之间分别发生界面剥离破坏、剪切破坏和拉伸破坏时对应的第一条件、第二条件和第三条件，接着汇总第一条件、第二条件和第三条件即可得到失效条件。

S5：根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数；

在本申请实施例中，步骤S5中的根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的弹性模量进行设计。

在本申请实施例中，当根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数时，首先获取步骤S3中得到的应力数据和变形数据以及步骤S4中得到的失效条件，然后利用应力数据、变形数据和失效条件对水泥环的弹性模量进行设计。

在本申请实施例中，步骤S5中的根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的抗压强度进行设计。

在本申请实施例中，当根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数时，首先获取步骤S3中得到的应力数据和变形数据以及步骤S4中得到的失效条件，然后利用应力数据、变形数据和失效条件对水泥环的抗压强度进行设计。

在本申请实施例中，步骤S5中的根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的抗拉强度进行设计。

在本申请实施例中，当根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数时，首先获取步骤S3中得到的应力数据和变形数据以及步骤S4中得到的失效条件，然后利用应力数据、变形数据和失效条件对水泥环的抗拉强度进行设计。

在本申请实施例中，步骤S5中的根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数包括步骤：

获取所述应力数据；

获取所述变形数据；

获取所述失效条件；

利用所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件对所述水泥环的屈服强度进行设计。

在本申请实施例中，当根据所述应力数据、所述变形数据和所述失效条件获取所述水泥环的设计力学参数时，首先获取步骤S3中得到的应力数据和变形数据以及步骤S4中得到的失效条件，然后利用应力数据、变形数据和失效条件对水泥环的屈服强度进行设计。

S6：获取现场固井工艺要求数据；

在本申请实施例中，现场固井工艺要求数据可以从现场实时获取。

S7：根据所述设计力学参数和所述工艺要求数据开发水泥浆。

在本申请实施例中，按照水泥环设计力学参数以及现场固井工艺要求数据可以开发适用于热采井的抗高温水泥浆。在开发过程中，通过上百次的添加剂对比、配伍性试验和综合考虑成本，优选高温水泥添加剂及各添加剂最优加量。

如图2-3，在本申请实施例中，通过室内实验进行水泥浆综合性能评价：开展水泥浆基本实验、水泥石抗压强度、水泥石抗拉强度、三轴压缩实验、温度循环载荷下的水泥石性能变化实验，研究多周期循环的温度载荷对水泥石抗压强度、抗拉强度、微观形貌的影响，检验水泥浆是否满足固井工艺要求，水泥石是否满足力学性能要求。最终形成耐350℃高温固井水泥配方。此耐350℃高温固井水泥的48h抗压強度平均大于21MPa，168h抗压強度平均大于33MPa；试件在300℃条件下高-低温周期性循环养护3天、6天、9天、15天后均未开裂。

在本申请实施例中，步骤S7中的水泥浆包括：油井水泥、硅粉、幑硅、高温强度稳定剂、抗高温脆裂剂、膨胀剂、悬浮稳定剂、降失水剂、消泡剂、增强剂、早强剂和溶剂。

其中，油井水泥为油田固井专用G级水泥；硅粉和微硅增加水泥石强度；高温强度稳定剂能使水泥浆在温度升高的条件下保持原有性能(主要指流变性和滤失性)稳定的添加剂；水泥抗高温脆裂剂JKS-1增强高温条件下水泥石韧性；水泥用膨胀剂SNP当水泥凝结硬化时，随之体积膨胀，起补偿收缩产生预应力以及充分填充水泥间隙的作用；悬浮稳定剂KWD-2悬浮稳定剂是使水泥浆中的细颗粒保持悬浮状态的物质，影响周围的水和周围的其他颗粒，使它们不致迅速下沉；油井水泥用降失水剂KT降低水泥浆失水，保持体系性能参数稳定；油井水泥用消泡剂KP-100消除水泥浆中的气泡，降低气泡对体系基本性能的影响；油井水泥用增强剂SWT使水泥颗粒完全水化，增强水泥石强度；油井水泥用早强剂JB-1加速水泥水化速度，促进混凝土早期强度的发展；既具有早强功能，又具有一定减水增强功能；溶剂一般为水。

本申请提供的一种热采井水泥浆配方开发方法，所开发的水泥浆适用于稠油热采井固井完井，水泥强度高，48h抗压強度平均大于20MPa，168h抗压強度平均大于22MPa，其韧性好，冷热循环交替对水泥石强度影响较小；长期高温作用下强度不衰退，可满足高温注汽要求。对于降低热采井套损率、延长套管使用寿命具有显著的效果。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。