水平井固井水泥漿臨界排量的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水平井固井水泥漿臨界排量的計(jì)算方法，屬于石油天然氣固井技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 井斜度達(dá)到85°以上并且目的層有水平延伸的井段稱(chēng)為水平井。根據(jù)曲率半徑的 不同水平井可劃分為三類(lèi)，即長(zhǎng)半徑水平井（曲率半徑914~305m，井斜變化0.66~0.197° / m，水平井段長(zhǎng)度610~1524m)、中長(zhǎng)半徑水平井（曲率半徑213~28m，井斜變化0.26~ 1.64° /m，水平井段長(zhǎng)度457~610m)和短半徑水平井（曲率半徑12~6m，井斜變化5~10°/m， 水平井段長(zhǎng)度91~122m)。隨著鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，水平井鉆井在石油鉆采中的應(yīng)用逐年 增多，其單井泄油面積較直井有了大幅提高。為了延長(zhǎng)油井使用壽命、提高采油速度，同時(shí) 保證增產(chǎn)作業(yè)(二次、三次采油技術(shù))有效實(shí)施，水平井常采用固井完井方式。但是水平井段 長(zhǎng)度較長(zhǎng)，套管下入困難且管柱居中度低，使得固井質(zhì)量難以保證。例如中石油華北分公司 在紅河油田、涇河油田實(shí)施的水平井，其水平段長(zhǎng)均在800m以上，最長(zhǎng)水平段長(zhǎng)達(dá)1200m，若 扶正器加放過(guò)多則會(huì)影響套管正常下入(易出現(xiàn)阻卡），而反復(fù)移位(上提下放)套管極易使 之疲勞斷裂。因此為提高固井頂替效率，保證固井質(zhì)量，水泥漿流變學(xué)設(shè)計(jì)成為固井操作的 重要環(huán)節(jié)。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《固井設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY/T 5480-2007)是指導(dǎo)固井設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。但是鑒于規(guī)范起草初期水平段固井尤其是長(zhǎng) 水平段固井應(yīng)用較少，其未明確涉及水平井水平段固井內(nèi)容，僅包含賓漢和冪律兩種流體 的流變性設(shè)計(jì)方案，不符合現(xiàn)場(chǎng)使用水泥漿的真實(shí)流變性，同時(shí)兩種流變模式中水泥漿流 變參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算均采用常溫常壓下數(shù)值，與高溫高壓環(huán)境下水泥漿的實(shí)際流變性差距 較大，依此設(shè)計(jì)的栗排量必然與實(shí)際狀況不符，易引起較大誤差從而造成固井質(zhì)量下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是基于水泥漿在井底高溫高壓環(huán)境下的流變特性，提供一種水平井 固井水泥漿臨界排量的計(jì)算方法，以減小設(shè)計(jì)排量與實(shí)際排量之間的誤差，提高固井質(zhì)量。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 水平井固井水泥漿臨界排量的計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0006] 1)確定水平井的井底溫度和井底壓力；
[0007] 2)根據(jù)流變儀讀數(shù)計(jì)算水泥漿的剪切速率和剪切應(yīng)力：首先，確定水泥漿剪切速 率的取值范圍，計(jì)算該取值范圍所相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速的取值范圍；其次，在上述轉(zhuǎn)速的取值范圍 內(nèi)選定流變儀的轉(zhuǎn)速檔位，測(cè)定水泥漿在步驟1)的井底溫度和井底壓力下、不同轉(zhuǎn)速檔位 所對(duì)應(yīng)的讀數(shù);再次，根據(jù)流變儀的儀器常數(shù)計(jì)算水泥漿的剪切速率和剪切應(yīng)力；
[0008] 3)確定水泥漿的流體類(lèi)型，計(jì)算水泥漿的流變參數(shù)；
[0009] 4)根據(jù)流變參數(shù)計(jì)算水泥漿的臨界排量。
[0010]步驟1)中根據(jù)溫度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定井底溫度。
[0011] 步驟1)中先根據(jù)井眼軌跡測(cè)量工具測(cè)量井眼軌跡確定井底垂深，再根據(jù)地質(zhì)和工 程要求確定水泥漿不同漿體封固段及相應(yīng)的垂深，計(jì)算井底壓力。
[0012] 步驟2)中水泥漿剪切速率的取值范圍為135~600JT1。這是因?yàn)樗酀{紊流時(shí)實(shí)測(cè) 剪切速率落在上述范圍的權(quán)重較大（占八成以上）。
[0013] 步驟2)中根據(jù)流變儀的儀器常數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)速的取值范圍。如為六速流變儀，計(jì)算公 式見(jiàn)公式1。
[0014] 公式 1: γ =1·7023Φ，
[0015] 式1中：γ為剪切速率，s-為轉(zhuǎn)速，r/min。
[0016] 步驟2)中流變儀為六速流變儀時(shí)，剪切速率的計(jì)算公式見(jiàn)上述公式1，剪切應(yīng)力的 計(jì)算公式見(jiàn)公式2。
[0017] 公式 2:τ = 〇·511θ，
[0018] 式2中：τ為剪切應(yīng)力，Pa;0為度數(shù)，格。
[0019] 步驟3)中可根據(jù)水泥漿的流體類(lèi)型，參照現(xiàn)有公式(如國(guó)標(biāo)SY/T 5480-2007)計(jì)算 水泥漿的流變參數(shù)。當(dāng)水泥漿的流體類(lèi)型為赫巴流體時(shí)，可參照赫巴流體計(jì)算公式計(jì)算水 泥漿的流變參數(shù)。本發(fā)明提供一組采用三組剪切速率及其對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力計(jì)算水泥漿流變 參數(shù)的公式，見(jiàn)公式3~5,流變參數(shù)包括切動(dòng)力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)。對(duì)應(yīng)的，水泥漿臨界 流速的計(jì)算公式見(jiàn)公式6~9,在計(jì)算臨界流速之前，先根據(jù)上述計(jì)算得到的流變參數(shù)計(jì)算 過(guò)渡參數(shù)a、b和c;臨界排量的計(jì)算公式見(jiàn)公式10。
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 式3~5中：τ〇為動(dòng)切力，Pa; γι、γ2和γ3為剪切速率，s'm和τ3為與剪切速率 相對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力，Pa;n為流性指數(shù)，無(wú)量綱;Κ為稠度系數(shù)，Pa · sn。
[0024] 公式 6 :av2-bvn_c = 0，
[0025] 公式 7=
[0026]
[0027]
[0028] 式6~9中：a、b和c是過(guò)渡參數(shù);v是臨界流速，m/s; P為水泥漿密度，kg/m3; Do為井眼 外徑，m;Di為套管外徑，m。
[0029] 公式]
[0030] 式10中：Q為臨界排量，m3/s; π為圓周率。
[0031]本發(fā)明的有益效果：
[0032]本發(fā)明根據(jù)井眼軌跡數(shù)據(jù)、溫度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)等確定水平井的井底溫度和井底壓力， 在已知水泥漿剪切速率取值范圍的前提下，根據(jù)流變儀的儀器常數(shù)計(jì)算上述剪切速率取值 范圍所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速的取值范圍，在轉(zhuǎn)速取值范圍內(nèi)選定流變儀的轉(zhuǎn)速檔位，測(cè)定水泥漿在 井底溫度和井底壓力條件下不同轉(zhuǎn)速檔位所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，計(jì)算水泥漿的剪切速率和剪切應(yīng) 力，再根據(jù)水泥漿的流體類(lèi)型計(jì)算流變參數(shù)，通過(guò)解非線(xiàn)性方程得到臨界流速，從而確定水 泥漿的臨界排量。
[0033]本發(fā)明計(jì)算得到的水泥漿的臨界排量符合現(xiàn)場(chǎng)水泥漿實(shí)際情況，有助于提高固井 質(zhì)量，可指導(dǎo)固井水泥漿流變學(xué)設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中HH36P114井實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖2為實(shí)施例1中HH36P114井實(shí)鉆井眼軌跡垂直剖面圖；
[0036]圖3為實(shí)施例1中HH36P114井實(shí)測(cè)井眼溫度剖面圖；
[0037]圖4為實(shí)施例1中HH36P114井環(huán)空流速函數(shù)圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下述實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。
[0039] 實(shí)施例
[0040] 以華北分公司紅河油田HH36P114井為例，該井基本情況如下：一開(kāi)采用Φ 311.2mm 鉆頭鉆進(jìn)至372m，下入Φ 244.5mm表層套管至371.80m進(jìn)行固井，二開(kāi)采用Φ 215.9mm鉆頭鉆 進(jìn)至3408m完鉆，下入Φ139.7mm油層套管至3405m(實(shí)鉆井身結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1)。
[0041]紅河油田HH36P114井固井水泥漿臨界排量的計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0042] (1)通過(guò)隨鉆測(cè)量工具WMD軌跡測(cè)量工具，測(cè)量井眼軌跡，通過(guò)測(cè)量計(jì)算，該井井底 垂深2295.44m，水平位移1220m，水平段長(zhǎng)920m(實(shí)鉆井眼軌跡垂直剖面圖見(jiàn)圖2);
[0043] (2)根據(jù)井底溫度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，井底溫度72.02°C(實(shí)測(cè)井眼溫度剖面圖見(jiàn)圖3);
[