孫文俊，徐明會徐星，孫澤秋

中石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東 德州 253005

尾管固井中膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型研究

孫文俊，徐明會
徐星，孫澤秋

中石化石油工程技術(shù)研究院德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東 德州 253005

[摘要]針對尾管固井中膠塞復(fù)合壓力缺乏理論支撐的問題，基于膠塞復(fù)合時管柱內(nèi)流體壓力分布，建立了尾管固井中膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型，為實現(xiàn)在尾管固井施工前預(yù)測膠塞復(fù)合壓力提供依據(jù)。分析了在“U”型管效應(yīng)結(jié)束與“U”型管效應(yīng)未結(jié)束2種狀態(tài)下管柱內(nèi)流體壓力分布情況，用Landmark軟件中Wellplan-Opticem軟件模擬計算膠塞復(fù)合時井口壓力數(shù)值，用摩阻壓耗計算程序計算鉆具內(nèi)流體摩阻壓耗，并結(jié)合尾管膠塞剪釘?shù)膶嶋H剪切數(shù)值，分別建立了2種狀態(tài)下的膠塞復(fù)合壓力的計算公式。利用建立的膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型對國內(nèi)某油田5口尾管固井進行了理論預(yù)測值與實際監(jiān)測值的對比，模型預(yù)測值的誤差在10%以內(nèi)，模型精度滿足工程要求。

[關(guān)鍵詞]尾管固井；膠塞復(fù)合；預(yù)測模型

尾管固井工藝目前廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外深井超深井固井中[1]，尾管懸掛器配套附件中包含尾管膠塞與鉆桿膠塞，鉆桿膠塞主要用于在送入鉆具中隔離泥漿與水泥漿，當(dāng)鉆桿膠塞運行到尾管膠塞位置時，兩者嚙合成為一個復(fù)合膠塞，在尾管中隔離泥漿與水泥漿[2]。尾管膠塞采用剪釘連接在尾管懸掛器的中心管底部，鉆桿膠塞運行到尾管膠塞位置時，兩者嚙合，依靠管內(nèi)憋壓方式實現(xiàn)剪釘剪切，復(fù)合膠塞脫離中心管[3]。在剪釘剪切時，管內(nèi)會有壓力波動，目前國內(nèi)外沒有對此波動壓力的研究。下面，筆者通過對膠塞復(fù)合時管內(nèi)流體壓力分布的研究，建立了膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型。

1膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型

1.1模型限定條件

1)對于能夠觀察到膠塞復(fù)合壓力顯示的尾管固井，膠塞復(fù)合過程中鉆桿膠塞對尾管膠塞的沖擊力、水擊壓力與復(fù)合膠塞上下壓力差的作用不是同步進行的。

2)觀測膠塞復(fù)合壓力顯示的前提是膠塞復(fù)合時鉆桿膠塞對尾管膠塞的沖擊力與水擊壓力不會造成瞬間剪切，經(jīng)過國內(nèi)某尾管懸掛器廠家的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，觀測到膠塞復(fù)合壓力顯示的不同規(guī)格的尾管固井，膠塞復(fù)合時排量控制在0.5m3/min以下不會造成膠塞剪釘瞬間剪切。

3)膠塞復(fù)合時回壓凡爾能阻止環(huán)空與管內(nèi)靜液柱壓差向管內(nèi)的傳遞。

4)膠塞復(fù)合時要分2種情況進行分析，即“U”型管效應(yīng)結(jié)束和“U”型管效應(yīng)未結(jié)束。

1.2模型假設(shè)

假設(shè)尾管固井中替入流體均為單相連續(xù)且不可壓縮流體，壓力在由井口向管內(nèi)傳遞過程中無損耗；“U”型管效應(yīng)存在時，真空段連續(xù)存在。

流體力學(xué)在工程應(yīng)用中普遍將泥漿等流體假設(shè)為連續(xù)且不可壓縮流體[4]，壓力在泥漿等流體介質(zhì)傳遞過程中不會因流體的可壓縮性而產(chǎn)生較大的壓力損耗，因此忽略此因素的影響不會影響到預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。目前在諸多固井模擬研究[5～10]中全部假設(shè)“U”型管效應(yīng)存在時真空段連續(xù)，模擬結(jié)果滿足現(xiàn)場要求。

1.3膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型的建立

筆者在對復(fù)合膠塞進行受力分析時引入“動力源”與“阻力源”的定義，動力源是指對復(fù)合膠塞施加的動力作用的總和，阻力源是指對復(fù)合膠塞施加的阻力作用的總和。

注：　P泵為井口壓力，MPa；Ph為鉆具內(nèi)靜液柱壓力，MPa；　Pf為鉆具內(nèi)摩阻壓耗，MPa。圖1　管內(nèi)壓力分布圖

1)膠塞復(fù)合時“U”型管效應(yīng)已經(jīng)結(jié)束的情況。當(dāng)替漿至膠塞復(fù)合量時，“U”型管效應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，此時管內(nèi)流體連續(xù)，由于水泥漿與泥漿的密度差，水泥漿返至環(huán)空，井口壓力逐步升高，管外與管內(nèi)的靜液柱壓差也逐步增大，膠塞一旦復(fù)合，復(fù)合膠塞以上管內(nèi)形成憋堵，復(fù)合膠塞以下管內(nèi)流體失去上部液柱傳遞過來的動力，在回壓凡爾的阻滯作用下，管外與管內(nèi)的靜液柱壓力差也無法傳遞到管內(nèi)，此時整個管內(nèi)壓力分布如圖1(a)所示。

2)膠塞復(fù)合時“U”型管效應(yīng)未結(jié)束的情況。當(dāng)替漿至膠塞復(fù)合量時，“U”型管效應(yīng)未結(jié)束，此時管內(nèi)流體不連續(xù)，替入流體與水泥漿流體之間存在真空段，井口壓力始終為0，膠塞一旦復(fù)合，復(fù)合膠塞以上管內(nèi)形成憋堵，復(fù)合膠塞以上為連續(xù)的替入流體，復(fù)合膠塞以下是真空段，真空段壓力為0，此時整個管內(nèi)壓力分布如圖1(b)所示。

2理論分析

表1　理論計算表

注：P為尾管膠塞剪釘剪切壓力，MPa，可以根據(jù)現(xiàn)場需求調(diào)整。

根據(jù)膠塞復(fù)合時管內(nèi)壓力分布情況，以井口至復(fù)合膠塞位置的管內(nèi)液柱作為分析對象，得出理論計算公式如表1所示。

3參數(shù)計算

根據(jù)表1可知，尾管膠塞剪釘剪切值一般為設(shè)定值，屬于已知量，計算膠塞復(fù)合壓力最關(guān)鍵的3個參數(shù)為井口壓力、鉆具內(nèi)靜液柱壓力和鉆具內(nèi)摩阻壓耗。

3.1井口壓力P泵

采用Landmark軟件中Wellplan-Opticem軟件模擬可以得到膠塞復(fù)合時井口壓力數(shù)值。該軟件是采用輸入井身數(shù)據(jù)、電測裸眼井徑數(shù)據(jù)、井斜數(shù)據(jù)、《尾管固井設(shè)計》中的流體數(shù)據(jù)和施工工藝流程數(shù)據(jù)等現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬計算輸出井口壓力隨井口泵入流體體積關(guān)系曲線圖(見圖2)，該軟件在國內(nèi)外得到廣泛使用與認(rèn)可，模擬精度滿足要求[11]。

利用Wellplan-Opticem軟件模擬得到井口壓力隨井口注入體積曲線后，已知送入鉆具內(nèi)容積，可以通過讀取模擬曲線得到膠塞復(fù)合時井口壓力數(shù)值P泵。

3.2鉆具內(nèi)靜液柱壓力Ph

尾管固井替漿中，頂替完送入鉆具內(nèi)容積時，鉆桿膠塞到達尾管膠塞處開始嚙合成復(fù)合膠塞，此時復(fù)合膠塞以上鉆具內(nèi)靜液柱壓力與流體的種類和體積有關(guān)，根據(jù)實際替入流體的種類與體積進行分段計算，計算公式如下：

Ph=∑(ρi×hi×g×10-3)

(1)

式中，ρi為送入鉆具內(nèi)第i段流體的密度，g/cm3；hi送入鉆具內(nèi)第i段流體的垂直高度，m；g為重力常數(shù)，9.8m/s2。

圖2　Wellplan-Opticem軟件模擬流程及結(jié)果圖

圖3　鉆具內(nèi)摩阻壓耗計算程序界面

3.3鉆具內(nèi)摩阻壓耗Pf

筆者根據(jù)《固井設(shè)計規(guī)范》[12]中流體在管內(nèi)摩阻壓耗的計算公式，用VB編輯生成送入鉆具內(nèi)摩阻壓耗計算程序(計算界面見圖3)，該程序通過輸入流體塑性黏度、動切力、密度、膠塞復(fù)合時頂替排量、鉆具內(nèi)徑和流體長度，能夠快速方便計算出送入鉆具內(nèi)各段流體的摩阻壓耗，然后疊加得到鉆具內(nèi)摩阻壓耗Pf：

Pf=∑Pfi

(2)

式中，Pfi為送入鉆具內(nèi)第i段流體的摩阻壓耗，MPa。

4應(yīng)用實例

該區(qū)塊采用的尾管膠塞剪釘剪切值全部設(shè)定為12MPa，尾管固井設(shè)計膠塞復(fù)合時排量為0.3m3/min；該區(qū)塊選取的5口井，采用實際井身數(shù)據(jù)、電測裸眼井徑數(shù)據(jù)、井斜數(shù)據(jù)、《尾管固井設(shè)計》中的流體數(shù)據(jù)和施工工藝流程數(shù)據(jù)，用筆者建立的膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型進行預(yù)測，并與實際采集得到的數(shù)值相對比，得到結(jié)果如表2所示。

表2　國內(nèi)某油田膠塞復(fù)合壓力觀測值與預(yù)測值對比

結(jié)果表明，膠塞復(fù)合壓力預(yù)測值與監(jiān)測值相對誤差在10%以內(nèi)；預(yù)測值全部較監(jiān)測值偏小，原因是固井時替入鉆具內(nèi)的泥漿等流體實際是可壓縮性的流體，壓力波由井口傳遞到復(fù)合膠塞位置時會有一定的壓力損耗，而且現(xiàn)場所用的壓力表最小刻度值為1MPa，只能估讀到0.5MPa，二者都是誤差的來源。因此，筆者建立的膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型準(zhǔn)確性滿足工程要求。

5結(jié)論

1)通過對尾管固井膠塞復(fù)合時管柱內(nèi)流體壓力分布的分析，建立了尾管固井中膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型，運用Wellplan-Opticem軟件及鉆具內(nèi)摩阻壓耗程序，實現(xiàn)了在尾管固井施工前預(yù)測膠塞復(fù)合壓力。

2)運用筆者建立的尾管固井中膠塞復(fù)合壓力預(yù)測模型，對國內(nèi)某油田5口井進行了膠塞復(fù)合壓力預(yù)測，膠塞復(fù)合壓力預(yù)測值與實際觀測值誤差在10%以內(nèi)，預(yù)測模型精度滿足工程要求。

[參考文獻]

[1]馬開華.關(guān)于國內(nèi)尾管懸掛器技術(shù)問題的思考[J].石油鉆采工藝，2008，30(6)：108～112.

[2] 姚輝前，郭朝輝，馬蘭榮，等.尾管固井技術(shù)中膠塞失效分析[J].石油機械，2103，41(1)：31～35.

[3] 秦金立，蘇同.國外固井膠塞研究新進展[J].石油礦場機械，2010，39(1)：39～42.

[4] 賀禮清.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004：4～13.

[5] 何源遠.注水泥作業(yè)返出排量的理論計算[J].石油鉆采工藝，1988，11(4)：19～30.

[6] 王保記，陳元頓，徐惠峰.注水泥動態(tài)過程的計算機模擬[J].石油學(xué)報，1994，1(1)：128～134.

[7] 黃志強.注水泥動態(tài)過程研究與計算機模擬[J].特種油氣藏，2009，6(3)：92～98.

[8] 鐘兵，劉緒全.注水泥過程中U型管效應(yīng)[J].天然氣工業(yè)，1993，11(6)：47～51.

[9] 夏宏南，陶謙，楊明合.固井注水泥過程計算機動態(tài)模擬[J].西部探礦工程，2006，9(9)：54～55.

[10] 王顯誠，舒中選，李靜芬.用Eular方程分析注水泥“U”型管效應(yīng)[J].石油鉆探技術(shù)，1994，9(3)：36～38.

[11] 華遠信，張桂強，朱偉鴻，等.COMPASS、WELLPLAN軟件在鉆井設(shè)計和施工中的應(yīng)用[J].西南石油學(xué)院學(xué)報，2004，26(1)：83～86.

[12] SY/T 5480-2007，固井設(shè)計規(guī)范[S].

[編輯]洪云飛

[作者簡介]朱振平(1977-)，男，助理工程師，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)與開采技術(shù)方面的研究工作；E-mail：276460656@qq.com。

[收稿日期]2014-12-10

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)13-0054-03

[中圖分類號]TE925