尾管固井中膠塞復合壓力預測模型研究

孫文俊，徐明會徐星，孫澤秋

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

尾管固井中膠塞復合壓力預測模型研究

孫文俊，徐明會
徐星，孫澤秋

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

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

[關鍵詞]尾管固井；膠塞復合；預測模型

尾管固井工藝目前廣泛應用于國內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，當鉆桿膠塞運行到尾管膠塞位置時，兩者嚙合成為一個復合膠塞，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，依靠管內憋壓方式實現剪釘剪切，復合膠塞脫離中心管[3]。在剪釘剪切時，管內會有壓力波動，目前國內外沒有對此波動壓力的研究。下面，筆者通過對膠塞復合時管內流體壓力分布的研究，建立了膠塞復合壓力預測模型。

1膠塞復合壓力預測模型

1.1模型限定條件

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

2)觀測膠塞復合壓力顯示的前提是膠塞復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，經過國內某尾管懸掛器廠家的數據統計，觀測到膠塞復合壓力顯示的不同規格的尾管固井，膠塞復合時排量控制在0.5m3/min以下不會造成膠塞剪釘瞬間剪切。

3)膠塞復合時回壓凡爾能阻止環空與管內靜液柱壓差向管內的傳遞。

4)膠塞復合時要分2種情況進行分析，即“U”型管效應結束和“U”型管效應未結束。

1.2模型假設

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

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

1.3膠塞復合壓力預測模型的建立

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

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

1)膠塞復合時“U”型管效應已經結束的情況。當替漿至膠塞復合量時，“U”型管效應已經結束，此時管內流體連續，由于水泥漿與泥漿的密度差，水泥漿返至環空，井口壓力逐步升高，管外與管內的靜液柱壓差也逐步增大，膠塞一旦復合，復合膠塞以上管內形成憋堵，復合膠塞以下管內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，管外與管內的靜液柱壓力差也無法傳遞到管內，此時整個管內壓力分布如圖1(a)所示。

2)膠塞復合時“U”型管效應未結束的情況。當替漿至膠塞復合量時，“U”型管效應未結束，此時管內流體不連續，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，膠塞一旦復合，復合膠塞以上管內形成憋堵，復合膠塞以上為連續的替入流體，復合膠塞以下是真空段，真空段壓力為0，此時整個管內壓力分布如圖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，可以根據現場需求調整。

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

3參數計算

根據表1可知，尾管膠塞剪釘剪切值一般為設定值，屬于已知量，計算膠塞復合壓力最關鍵的3個參數為井口壓力、鉆具內靜液柱壓力和鉆具內摩阻壓耗。

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合時井口壓力數值。該軟件是采用輸入井身數據、電測裸眼井徑數據、井斜數據、《尾管固井設計》中的流體數據和施工工藝流程數據等現場實際數據，經過模擬計算輸出井口壓力隨井口泵入流體體積關系曲線圖(見圖2)，該軟件在國內外得到廣泛使用與認可，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，已知送入鉆具內容積，可以通過讀取模擬曲線得到膠塞復合時井口壓力數值P泵。

3.2鉆具內靜液柱壓力Ph

尾管固井替漿中，頂替完送入鉆具內容積時，鉆桿膠塞到達尾管膠塞處開始嚙合成復合膠塞，此時復合膠塞以上鉆具內靜液柱壓力與流體的種類和體積有關，根據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為送入鉆具內第i段流體的密度，g/cm3；hi送入鉆具內第i段流體的垂直高度，m；g為重力常數，9.8m/s2。

圖2　Wellplan-Opticem軟件模擬流程及結果圖

圖3　鉆具內摩阻壓耗計算程序界面

3.3鉆具內摩阻壓耗Pf

筆者根據《固井設計規范》[12]中流體在管內摩阻壓耗的計算公式，用VB編輯生成送入鉆具內摩阻壓耗計算程序(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、膠塞復合時頂替排量、鉆具內徑和流體長度，能夠快速方便計算出送入鉆具內各段流體的摩阻壓耗，然后疊加得到鉆具內摩阻壓耗Pf：

Pf=∑Pfi

(2)

式中，Pfi為送入鉆具內第i段流體的摩阻壓耗，MPa。

4應用實例

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

表2　國內某油田膠塞復合壓力觀測值與預測值對比

結果表明，膠塞復合壓力預測值與監測值相對誤差在10%以內；預測值全部較監測值偏小，原因是固井時替入鉆具內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合膠塞位置時會有一定的壓力損耗，而且現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，筆者建立的膠塞復合壓力預測模型準確性滿足工程要求。

5結論

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

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

[參考文獻]

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[12] SY/T 5480-2007，固井設計規范[S].

[編輯]洪云飛

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

[收稿日期]2014-12-10

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)13-0054-03

[中圖分類號]TE925