基于G级水泥水化反应的环空窜流预测模型.pdf

第30卷第1期
钻井液与完井液
Vol 30 No.1
2013年1月
DRILLING FLUID &COMPLETION FLUID
Jan.2013
【理论研究与版用技术
基于G级水泥水化反应的环空窜流预测模型
刘建,丁士东,方春飞,刘伟,张林海,秦克明2
1.中国石化石油工程技术研究院,北京;2.中国石化中原石油勘探局固井工程处,河南濮阳)
刘建等.基于G级水泥水化反应的环空窜流预测模型[J].钻井液与完井液,2013,30(1):53-55
摘要针对固井施工中气液混合相对G级水泥水化反应中环空窜流影响规律不明确的问题,分析了固井施工
过程中发生环空窜流的原因,通过模拟井下气液泥合相发生环空窜流的环境,结合G级水泥水化反应过程,梳理
水泥浆水化失重和水泥浆水化诱导期及凝结期之间的关系,明确了数学模型的区间,提出并建立了在水泥浆水
化反应过程中,预测环空窜流的概率统计学数学模型。通过 chandler7200型水泥水化分析仪测得的水泥浆孔隙压
カ及水化放热曲线和水泥泶体温度变化数据,确定了环空窜流模型需要的相关参数,计算得只有绶凝剂加量不同
的2种配方水泥浆的稠化时间相差35min,环空窜流的概率却相差了1.2%。水泥浆环空窜流预测模型是预测环空
窜流的前提,而不是最终决定因素。
关键词固井;环空窜流;预测模型;水泥水化;气液混合相;G级水泥
中图分类号:TE256.,9
文献标识码:A
文章编号:1001-5620(2013)01-0053-03
0引言
基于井下条件的复杂、不可预见性,环空窜流预测
国内外有许多评价和预测水泥浆环空窜流的模模型是前提,而不是決定井下是否发生环空窜流的
式与方法,比较典型的有Rae提出的综合因子法真正原因。
(CCGM法)い、Suon等提出的“气窜潜力系数1环空窜流预测模型的建立
(FPFy法、 Sutton提出的水泥浆性能系数法(SPN)2
等,其中最常用的是水泥浆性能系数法(SPN)和11研究背景
修正水泥浆性能系数法(SPx)。水泥浆性能系数
对于水泥浆本体来说,引起环空窜流的原因主
法(SPN)只考虑了水泥浆的静胶凝强度发展速率要包括2方面:一方面,油井水泥在水化的诱导期中
和井下真实失水,未考虑水泥浆密度、井眼几何形失重,降低了作用于地层的有效环空静液柱压力,是
状、水泥浆柱长度等因素,而修正水泥浆性能系数环空窜流的根本原因,在油井水泥水化诱导期,水泥
法(SPMx)更适合应用于现场施工过程,但涉及的浆仅依赖自身的胶凝结构阻止窜流,导致此时为环
内容较为复杂,且未指出环空窜流的真正原因。另空窜流易发生时期,气体可沿通道窜向低压层或上窜
外,目前没有明确的评价和测量方法来预测水泥浆到地面;另一方面,在水泥水化的凝结期,水泥浆在
环空流发生的概率。
水化过程中产生了化学体积收缩。另外还包括
因此,探讨了在G级水泥水化诱导期和凝结期毛细管作用、水泥浆初凝阶段水的凝聚、井内热应
内如何预测水泥浆的环空窜流。通过水泥浆水化分力及静液柱压力变化等产生微裂缝-微环隙,有学
析仪测定水泥浆在水化过程中的差热及放热速率,者也认为环空界面上存在的微裂缝一微环隙是引起
建立环空窜流预测模型,最终能量化环空窜流大小。窜流的主要原因。因此弄清楚水泥浆失重,即孔隙
基金项目:中石化科技部项目“泡沫低密度固井技术研究”(P09005)
第一作者简介:刘建,1983年生,2009年毕业于西南石油大学油气田材料与应用专业,主要从事固井水泥浆体系和
油井水泥外加剂相关的研究工作。地北:北京市朝阳区北辰东路8号北辰尉代大厦520室;邮政編码100101:电话(010)
84988238;E-mail:liujian6702003(@yahoo.com.cn,
兔兔w. xllotltli.eom
钻并液与完井液
2013年1月
压力変化和水泥水化诱导期和凝结期之间的关系,水泥浆水化透导期开始时间,min;2为水泥浆水
对于从根本上预测环空窜流至关重要。水泥浆水化化诱导期结束时间,min;T3为水泥浆水化凝结期
的诱导期,用71和表示;水泥浆水化的凝结期,开始时间,min;T4为水泥浆水化凝结期结束时
用73和74表示;引人自变量临界期Tx,Tx为水泥间,min。此模型因分母不能为0,因此它不适用于
浆因失重导致浆体孔隙压力小于地层压力的时间,7=71或T=74的2种特殊情况。
水泥浆在水化过程的界定不是绝对的,在模型的建1.3整个水泥水化过程中的环空窜流概率大小
立中通过数学的方式涵盖整个水化过程。
水化活泼期中水泥浆自身的静液柱压力能压稳
1.2数学背景
气层,水化硬化期水泥石自身的结构能抵御流体的
模型的建立要引入正态分布的概念(正态分布入侵。而环空窜流预测模型只涉及水化的诱导期和
密度见图1)。正态分布有2个参数,即均数6和凝结期,但在整个水化过程不同阶段的界定没有那
标准差a,可记作N(a,a),均数6决定正态曲线么清晰,因此需要通过数学公式由点向线最后到面
的中心位置,标准差α决定正态曲线的陡啪或扁平进行推导,通过诱导期和凝结期的差异性确定数学
程度。a越小,曲线越陡峭;越大,曲线越扁平。模型在整个数值域范围内环空窜流的可能性大小,
通过环空窜流原理计算数学模型中的:当2和最后由整个水化状态确定数学模型的区间,通过计
7,7n和7之间的过渡时间越短,Z与,7与算得到整个水化过程中环空窜流的概率大小。
74之间的差值越大,即,、T-7)/(T-71)和(T4-73)
/(T-74)的值越小,模型的形状越陡蛸,窜流的2评价方法
可能性越小;通过实验测定确定区间范围日:T和
72,73和的时间段;7为自变量。
2.1试原理
水泥浆水化示意图见图2。可以看出,在恒定的
升温速率下,水泥浆的升温曲线呈3个主要的放热
反应阶段,随着升温速率恒定,放热峰起始温度、
最大峰值温度m都向高温方向移动,考察诱导期
和凝结期的放热峰,即前面2个放热反应阶段?。
Pp
kpakpa
水泥浆
图1正态分布密度图
R压かP2水泥浆水化龙温度
孔隙压力热曲线
根据概率学和数值分析化整归一原理,提出
水泥浆
环空窜流预测模型如公式(1)所示。
温控器
棋拟地层
孔隙压力
exp
C"7
Z7.-2
时间
气液滬合相
Ini+In TA
图2水泥浆水化示意图
In: -N(6, Q
确定水泥浆配方
(如7-0)2
9(NT)
水泥浆在低温下,放热曲线表现较明显,在55
12ma
℃下进行了水泥浆常规性能实验,结果见表1。水
式中,p(nTx)为正态分布密度;a为正态分布函数泥浆的常规性能满足固井施工需要。实验配方如下。
中的常数;为正态分布函数中的常数;C为参比
(2“)G级水泥+5%降失水剂+0.5%分散
密度(与实验温度和压力有关的常数,文中C=1);剂+0.08%(0.05%)缓凝剂+0.01%消泡剂+1%早
N为正态分布表示符;7为临界时间,min;7为强剂+449%H1,O