【论文】闫振峰等:基于二维螺旋周向涡流的破碎性油气层固井新技术
【论文】闫振峰等:基于二维螺旋周向涡流的破碎性油气层固井新技术
tianranqigongye
创刊于1981年,是由中国石油西南油气田公司、川庆钻探工程有限公司联合主办的学术期刊。关注地质勘探、开发工程、钻井工程、集输加工、安全环保、经济管理等多个领域。Ei检索、CSCD核心、中文核心、中国科技核心、入选中国科技期刊卓越行动计划。
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闫振峰, 魏凯, 翟晓鹏, 等. 基于二维螺旋周向涡流的破碎性油气层固井新技术[J]. 天然气工业, 2023, 43(5): 71-77.
YAN Zhenfeng, WEI Kai, ZHAI Xiaopeng, et al. A new cementing technology based on two-dimensional spiral circumferential vortex for fragile oil and gas layers[J]. Natural Gas Industry, 2023, 43(5): 71-77.
作者简介 : 闫振峰,1977 年生,高级工程师,硕士;主要从事固井液开发和固井工艺研究工作。地址:(300280)天津市滨海新区 海滨街红旗路中段。ORCID: 0009-0003-9927-5206。
E-mail : .cn
通信作者 :魏凯,1983 年生,副教授,博士;主要从事石油工程数值模拟、新能源开发利用、储层改造动力学、智能钻井风险评 价等方面的研究工作。地址:(430100)湖北省武汉市蔡甸区大学路111 号。
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闫振峰 1,2,3 魏 凯 1,2 翟晓鹏 1,2 付家文 3
齐 奔 3 李嘉诚 4 郑力会 1,2
1.“油气钻完井技术”国家工程研究中心• 长江大学
2.“油气钻采工程”湖北省重点实验室• 长江大学
3. 中国石油渤海钻探工程有限公司第二固井公司
4. 四川科宏石油天然气工程有限公司
摘要: 固井质量直接影响油气产量,优良的顶替效率是保证固井质量的先决条件。针对破碎性窄密度窗口地层固井存在大排量顶替易漏、小排量顶替效率低的技术难题,提出了螺旋顶替提高破碎性窄密度窗口固井质量的理念,用水平集法构建了水泥浆顶替前置液的追踪顶替界面数学模型,以典型固井工况参数为例,通过数值模拟方法研究了周向速度对顶替界面、顶替效率和接触时间的影响,形成了裸眼段二维螺旋(螺旋刚性扶正器)顶替固井技术。研究结果表明:①二维螺旋顶替时,顶替界面受周向速度的影响,“凸进”现象减缓,顶替界面较稳定,水泥浆接触地层时间延长,顶替效率提高;②相对于一维轴向顶替,二维螺旋顶替在原轴向波及范围内,增加了水泥浆周向波及,有助于将不规则井段内的被顶替液“旋出”,缩小滞留区,提高水泥浆胶结环境,驱净效果明显。结论认为,该技术在伊拉克米桑油气田现场应用,固井质量优质率从40% 提升到60%,二维螺旋顶替固井技术稳定顶替界面和提高井壁驱净效果,二维螺旋周向波及顶替机理为解决破碎性窄密度窗口地层固井顶替的技术难题及研发螺旋注水泥工具提供理论支撑。
关键词: 钻井;水泥浆;固井;破碎性地层;窄密度窗口;盐膏层;二维螺旋顶替;固井质量
0 引言
固井质量直接影响油气产量,优良的顶替效率是保证固井质量的先决条件。破碎性地层固井常常因钻井期间堵漏不彻底或井筒压力窗口窄造成顶替排量选择困难。大排量顶替循环当量密度高易压漏地层,小排量顶替清洁井壁效率低,固井质量因漏 失或者弱胶结难以保证。为了保障破碎性地层固井质量,目前采用的主要工艺措 施有固井前承压堵漏、降低井筒内工作液密度、降低排量等,其机理主要是防止固井时水泥浆发生漏失,但以上技术措施存在以下问题:①固井前承压堵漏导致井壁上附着的堵漏材料影响水泥胶结环境;②降低水泥浆密度,低密度水泥浆体积收缩大、强度发展慢、候凝时间长等原因影响胶结和钻井周期;③降低排量不利于冲刷井壁虚泥饼和死区钻井液,造成水泥胶结强度低。目前现场技术人员主要是通过降低顶替排量减弱漏失风险来保障固井作业,无法兼顾顶替效率,在一定排量下如何提高破碎性地层固井顶替效率一直是固井研究人员和工程师们努力的一个方向。
破碎性地层 不均质特征,造成钻完井乃至开采存在诸多难题 [1] 。破碎性地层失返性漏失常发生在钻进过程中或者固井前,地层横向沉积不稳定,存在不整合弱面结构,破碎体沟通性好 [2] ,符合破碎性地层漏失的表征 [3] 。破碎性窄密度窗口盐膏层固井存在两大风险:①采用降低钻井液密度来增大水泥浆与钻井液密度差(大于 0.1 g/cm 3 )或增加冲洗液设计长度(大于 300 m )的技术措施来提高固井质量,环空液柱压力小于地层孔隙压力,极易引发溢流乃至井涌等井控险情发生;②采用增加顶替排量的技术措施来提高固井质量,环空液柱压力大于地层孔隙压力,也会引发漏失风险。因此,如何提升破碎性窄密度窗口盐膏层固井顶替效率是提升其固井质量的本质要求。
鉴于破碎性窄密度窗口盐膏层固井现有技术瓶颈,有必要将螺旋顶替理念引入破碎性窄密度窗口盐膏层固井,探索相应的工艺措施来提高固井质量,形成破碎性窄密度窗口盐膏层固井新技术。
舒秋贵等 [4-7] 阐述了螺旋顶替能形成周向和轴向驱替双作用的优势,研究了旋流扶正器结构参数、液体性能、排量等对旋流和导流能力的作用,以及注水泥设计要考虑螺旋流场压降的影响;于继彬等 [8] 研究了套管旋流扶正器结构和流体性能与旋流长度间关系;李洪乾 [9] 说明了旋流速度和有效旋流长度随着螺旋扶正器螺旋角和流量增大而增大;罗德明等 [10] 在川西水平井固井用旋流扶正器来实现螺旋流顶替。现有螺旋顶替的研究成果均集中体现在旋流扶正器结构参数优化和旋流作用长度等方面,螺旋顶替作用机理的理论还需进一步完善。
1 螺旋顶替模型建立
在固井过程中,顶替效率是判断固井质量的其中一个关键因素 [11] ,但用顶替界面稳定性来表征顶替效率更为直观 [12] 。破碎性窄密度窗口盐膏层固井,钻井液密度 2.28 g/cm 3 ,水泥浆密度 2.35 g/cm 3 ,二者密度差小于 0.10 g/cm 3 时,井筒轴向顶替界面呈“凸进”状态,从稳定向不稳定推进,井壁滞留很多高黏附的钻井液、虚泥饼,顶替液对井壁的作用力只沿轴向方面,称为一维轴向顶替(图 1 )。图 1 表示轴向顶替界面趋于不稳定,水泥浆沿轴向“凸进”现象非常明显,不利于驱除井壁上钻井液和虚泥饼,不利于轴向环空替净。
若在一维轴向顶替的基础上考虑增加周向顶替,形成轴向和周向双作用力,降低顶替界面不稳定性,称为二维螺旋顶替(图 2 )。图 2 表示在周向速度的旋流作用下,水泥浆轴向顶替界面趋于稳定,减弱了顶替界面“凸进”的现象,有助于环空替净。
根据二维螺旋顶替的定义,利用水平集法和 N — S 方程建立二维螺旋顶替数学模型,目的是揭示周向速度对顶替界面、顶替效率和接触时间的影响,阐述螺旋顶替提高破碎性窄密度窗口固井质量的作用机理。
1.1 顶替界面控制方程
注水泥顶替过程属于典型的界面追踪问题 [13] 。水平集方法可以捕捉两相流界面变化 [14] ,被顶替液(钻井液、隔离液或混合液等)和水泥浆在区域 Ω 占据的区域分别为 Ω 1 ( t ) 、 Ω 2 ( t ) ,两相界面为 Γ ( t ) ,把 Γ ( t ) 作为函数 ϕ ( X , t ) 的零等值面,即
通过求解可以确定水泥浆与被顶替液间的界面形状。
1.2 两相流动控制方程
利用水平集法来确定水泥浆与被顶替液界面和体积比函数,应用以下两相流动控制方程模拟与计算水泥浆和被顶替液流场速度。设定水泥浆和前置液为不可压缩流体,两者之间无化学反应,物理性质稳定,满足连续性方程和 N — S 方程,因两相界面张力影响两相流动,应用水平集函数 ϕ 和 δ 函数把界面力 n σκδ ( ϕ ) 代入守恒方程,可得:
根据螺旋流顶替角度应用以上方程模拟与计算水泥浆和被顶替液流速场。
1.3 数模参数及边界条件
模型长 0.5 m ,宽度为 0.1 m 。模型底部为速度边界入口,顶部为压力边界出口且表压为 0 ,边界条件假定井壁和套管外壁的壁面光滑。表 1 是赫巴流变模式的钻井液和水泥浆在顶替过程中基本参数。以现场注水泥参数为例,顶替排量 1.8 m 3 /min ,平均环容 43.18 L/m ,上返速度 0.69 m/s ,螺旋角度 45 °,计算得出轴向速率和周向速率均为 0.50 m/s 。
2 模型结果讨论及分析
固井顶替效率受流动模式的影响很大,但在特定井况如顶替排量和顶替流态固定条件下,计算结果显示使用螺旋刚性扶正器的顶替效率比弹性扶正器高,也就是常说螺旋冲蚀要比直流冲洗波及面广,根本原因是使用螺旋刚性扶正器产生周向速度。根据二维螺旋顶替数学模型,下面详细讨论周向速度对顶替界面、接触时间和顶替效率的影响。
2.1 周向速度对顶替界面影响
工程实践和研究表明,为了实现高效顶替,顶替界面必须尽可能平坦和稳定。受不规则井段扰动影响,不规则井段顶替界面窜槽现象明显。通过模拟可以看出,螺旋顶替较轴向顶替的窜槽现象有所降低(图 3 ),这是由于螺旋顶替的周向速度分量干扰了井眼不规则引起的涡流,使不规则井段的窜槽现象有所降低。
由图 3 可知,一维轴向顶替界面比二维螺旋“凸进”增加 Δ h ,二维螺旋顶替扩大段(也叫波及段)要比一维轴向多。因此,受周向速度的影响,二维螺旋顶替有助于削弱一维轴向顶替界面“凸进”发生,顶替界面稳定有利于降低混浆发生,提高固井质量。
2.2 周向速度对接触时间影响
顶替过程中,顶替流体与井壁的接触时间越充分,顶替效率会越高。二维螺旋顶替受到周向速度的影响,水泥浆与井壁接触时间增加,其顶替效率增加。一维轴向顶替和二维螺旋顶替接触时间曲线比较结果,如图 4 所示。
由图 4 可知,相比于一维轴向顶替过程中只受轴向速度的影响,顶替界面“凸进”严重,二维螺旋顶替过程中,轴向速度和周向速度减弱了“凸进” 现象,增加了水泥浆与井壁接触时间,有利于提高顶替效率。
2.3 周向速度对顶替效率影响
在上返速度为 0.69 m/s 情况下,周向速度对顶替效率的影响如图 5 所示。
由图 5 可以看出,随着周向速度的增大,顶替效率呈指数增大,这是由于周向速度越大,离心效应越明显,有利于顶替效率提高。同时对井径扩大段的作用流场进行了分析,如图 6 所示。
由图 6 可知,对于一维轴向顶替和二维螺旋顶替,扩大段内都会存在一定量的滞留钻井液。一维轴向顶替的周向速度为 0 ,扩大段内滞留钻井液较多,二维螺旋顶替时,周向速度的离心作用能够提高水泥浆对滞留钻井液的冲刷效果,致使扩大段内部的钻井液“旋出”,扩大段内水泥浆体积分数增大,水泥浆驱替效率明显提高。
数值模拟结果表明,通过螺旋顶替工艺措施,单元井壁上原一维轴向速度变为二维螺旋顶替轴向速度和周向速度,稳定了顶替界面,减弱了“凸进”现象,扩大了水泥浆波及范围,提高了胶结面的驱净效果,有利于水泥的胶结,提升固井质量。
3 螺旋顶替在米桑油气田应用
伊拉克米桑油气田高压盐膏层存在于第三系 Lower Fars 组。岩性以硬石膏、盐岩、页岩为主。埋深 3 000 m 左右,厚度介于 800 ~ 900 m ,受构造挤压作用,盐(膏)产生塑性变形,发生横向流动,导致盐间夹层形成断裂面和褶皱,流体孔隙空间减少,形成高压盐水层,地层孔隙压力系数介于 2.20 ~ 2.23 ;同时夹层与盐层界面胶结强度低, Ø311.2 mm 钻头钻进过程中钻井液密度高于 2.29 g/cm 3 易压漏夹层,形成裂缝性漏失;低于 2.26 g/cm 3 地层盐水涌出,安全密度窗口仅为 0.03 g/cm 3 ,属于典型的破碎性窄密度窗口盐膏层。
米桑油气田 Ø244.5 mm 套管下至 2 800 ~ 3 100 m 井段,分级箍放置在上层套管内 1 600 ~ 1 800 m 井段,水泥浆密度 2.35 g/cm 3 ,一级固井封固高压盐膏层, SBT 优质率仅为 40% ,且封固好套管鞋以上 40 m 的井也易发生环空带压,二级固井水泥浆返至地面且固井质量好。一级和二级固井作业参数对比如表 2 所示,二级固井技术措施包括:①洗井排量增加到 3.0 m 3 /min ;②钻井液与水泥浆密度差从 0.08 g/cm 3 扩大到 0.11 g/cm 3 ;③冲洗液长度 400 m ;④顶替排量提升至 2.8 m 3 /min ,返出钻井液、冲洗液、水泥浆界面清晰。分析数据表明,二级固井质量好的直接原因是顶替效率的提高,因考虑二级固井质量受双层套管的影响,故一级裸眼固井无法采用二级固井技术措施。提高一级裸眼固井顶替效率是解决米桑油气田盐膏层固井难题的关键。
为此,蒋凯等 [15] 制订了伊拉克米桑油气田盐膏层固井双压稳工艺,但未考虑窄密度窗口固井防漏和顶替效率等方面问题;梅文博等 [16] 针对该油气田盐膏层固井井漏提出通过降低水泥浆密度至 2.25 g/cm 3 和增加冲洗液环空高度至 200 m 的措施来减少井底压力措施,增加了井控风险,不利于安全施工。且国内破碎性盐膏层固井主要关注水泥浆体系,未就如何提高破碎性高盐膏层固井质量工艺方法方面深入分析 [17-21] 。
螺旋流可以通过旋转套管和使用螺旋刚性扶正器产生 [22-24] 。但 Ø244.5 mm 套管固井因旋转扭矩大只能放弃使用旋转套管固井,而螺旋扶正器的螺旋翼片可以产生旋流。针对米桑油田破碎性窄密度窗口盐膏层固井现场情况,应用二维螺旋顶替理论选择螺旋扶正器,找到解决破碎性窄密度窗口盐膏层固井难题的技术途径,形成二维螺旋顶替固井技术。
在 6 口 Ø244.5 mm 套管双级采用二维螺旋顶替固井技术,一级裸眼段使用 Ø305.5 mm 螺旋刚性扶正器替换 Ø314.5 mm 弹性扶正器,一级固井洗井排量 1.7 ~ 1.8 m 3 /min ,一级顶替排量提升到 1.7 m 3 /min 以上,顶替过程压力平稳,固井施工正常。一级固井 SBT 优质率由 40% 提升到 60% 以上,裸眼盐膏层固井质量有明显提升,完井或者生产原油阶段未发生环空带压现象。 6 口井固井质量统计结果如表 3 所示。
从表 2 、 3 可以看出,该油气田破碎性窄密度窗口盐膏层固井前考虑防漏因素,提升洗井排量受限,也影响顶替排量的提升,然而借助螺旋扶正器,应用二维螺旋顶替波及原理,一级固井顶替排量实现了从 1.3 ~ 1.5 m 3 /min 到 1.7 ~ 1.9 m 3 /min 技术性突破,固井质量也有了较大提升。试验结果表明,二维螺旋顶替技术破解了破碎性窄密度窗口盐膏层固井难题,提升了顶替排量,稳定了顶替界面,固井质量得以保障。
4 结论与建议
1 )从理论上认识到螺旋顶替改变了流体流动的周向速度分量,从而扩大了流场波及范围,解决了破碎性窄密度窗口地层固井大排量顶替易漏、小排量顶替影响顶替效率的技术难题。
2 )二维螺旋顶替固井技术利用了旋转流场的周向分量,稳定了顶替界面提高井壁驱净效果,这对于破碎性油气层,特别是“大肚子”井眼,提高固井质量有很好的借鉴意义。
3 )在大肚子井眼提高固井质量方面,还需要引入工程数值求解,找到影响固井质量的多个控制因素,从而更合理地解释螺旋顶替的机理,为固井设计及螺旋注水泥工具研制提供理论支撑。
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编 辑 王 斌
论文原载于《天然气工业》2023年第5期
基金项目 : 中国石油天然气集团公司工程技术科技统筹项目“重点区块钻井提速与事故复杂预防技术攻关与应用”(编号:2018T- 001-008)。
编辑:张 敏
审核:王良锦 黄 东
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