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水泥漿防竄能力綜合評(píng)價(jià)方法

2013-09-20 08:13:34初永濤張林海劉洋劉建
斷塊油氣田 2013年5期
關(guān)鍵詞:液柱收縮率固井

初永濤 ,張林海 ,劉洋 ,劉建

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東 青島 266580;2.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司研發(fā)中心,四川 成都 610051)

固井的主要目的是實(shí)現(xiàn)良好的層間封隔,保證安全鉆進(jìn)與油氣開采;而固井后的環(huán)空氣竄將導(dǎo)致層間封隔失效,嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)井口冒油冒氣,甚至發(fā)生不可控井噴,造成巨大損失[1]。國外20世紀(jì)60年代起開始研究環(huán)空氣竄機(jī)理,并提出了多種環(huán)空氣竄評(píng)價(jià)方法,但均存在明顯不足,不能全面科學(xué)地預(yù)測(cè)氣竄危險(xiǎn)性。綜合因子法計(jì)算參數(shù)眾多,可操作性不強(qiáng);氣竄潛力系數(shù)法從水泥漿失重后能否壓穩(wěn)氣層角度分析氣竄可能性,但并非針對(duì)水泥漿自身防竄能力;水泥漿性能系數(shù)法、修正的水泥漿性能系數(shù)法、膠凝失水系數(shù)法等方法主要評(píng)價(jià)了失水或靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展速率對(duì)防竄能力的影響,忽略了體積收縮這個(gè)防竄關(guān)鍵因素[2-7]。本文從水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間、體積收縮率、失水3個(gè)參數(shù)入手,提出一種新的水泥漿防竄能力評(píng)價(jià)方法。

1 水泥漿防竄能力評(píng)價(jià)方法

1.1 因素集

固井后的早期氣竄是指水泥漿失重后,環(huán)空液柱壓力欠平衡,氣體穿過水泥漿濾餅,侵入環(huán)空,向井口運(yùn)移的現(xiàn)象,與水泥漿失重、氣體在水泥漿柱內(nèi)運(yùn)移時(shí)間密切相關(guān)。失水與體積收縮率影響早期水泥漿失重,而靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間決定氣體運(yùn)移時(shí)間的長短,它們是影響水泥漿防竄能力的主要因素。因此,最終得出其因素集為:水泥漿防竄能力={靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間(x1),失水量(x2),體積收縮率(x3)}。其中,膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間指靜膠凝強(qiáng)度從48 Pa增大到240 Pa所用的時(shí)間,失水量指API失水量,體積收縮率采用水泥漿24 h體積收縮率描述。

1.2 評(píng)價(jià)集

為了描述水泥漿防竄能力的優(yōu)劣,將其分為3個(gè)等級(jí),建立以下評(píng)價(jià)集:B={好,中,差}。水泥漿的防竄能力好,表示氣竄可能性很小;防竄能力中,表示需要考慮優(yōu)化水泥漿防竄性能設(shè)計(jì);防竄能力差,表示氣竄危險(xiǎn)性很大,必須對(duì)水泥漿體系進(jìn)行重大調(diào)整,采取其他防竄輔助技術(shù)措施,才能阻止氣體運(yùn)移。

1.3 隸屬函數(shù)

根據(jù)水泥漿防氣竄特點(diǎn),選用中間型的正態(tài)分布為基本的隸屬函數(shù),這也是最常見最重要的一種分布。

式中:μ為隸屬函數(shù);x為自變量;a和b為控制參數(shù)。1.3.1 靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間

靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間反映了水泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展的快慢。過渡時(shí)間越短,氣體在水泥漿基體中運(yùn)移的距離就越短,氣竄危險(xiǎn)性及破壞性就越小,表明水泥漿防竄能力越強(qiáng)[8-11]。根據(jù) Sanbis[12]等學(xué)者的研究成果,當(dāng)過渡時(shí)間不超過40 min時(shí),水泥漿表現(xiàn)出較強(qiáng)的防氣竄性能。在氣竄現(xiàn)象非常嚴(yán)重的D區(qū)塊,選取3種不同密度的現(xiàn)場(chǎng)用水泥漿體系,開展靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)(見圖1)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間達(dá)到了80~110 min。分析認(rèn)為,靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間超過80 min后,水泥漿防竄能力較差;過渡時(shí)間達(dá)到110 min時(shí),水泥漿防竄能力很差。

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,以靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間40,80,110 min作為臨界點(diǎn),建立相應(yīng)隸屬函數(shù):

式中:t為靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間,min。

1.3.2 失水量

國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為,失水越小,水泥漿失重越緩慢。為防止氣竄,需要將失水控制在50 mL以內(nèi),當(dāng)失水達(dá)到150 mL時(shí),防竄能力較差,而失水超過250 mL時(shí),表明已經(jīng)無法控制濾失速率。據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)失水控制優(yōu)劣進(jìn)行劃分,得到描述水泥漿防竄能力的隸屬函數(shù):

式中:FL為水泥漿API失水量,mL。

圖1 水泥漿靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1.3.3 體積收縮率

水泥石體積收縮將引起有效液柱壓力的降低,因此減小水泥漿體積收縮率有助于提高防竄能力。D區(qū)塊高密度和常規(guī)密度水泥漿體系的24 h高溫高壓體積收縮試驗(yàn)結(jié)果表明,體積收縮率為2.65%~4.44%。分析認(rèn)為,當(dāng)體積收縮率超過2.65%后,水泥漿防竄能力較差;而當(dāng)體積收縮率超過4.44%后,水泥漿防竄能力很差;如果不發(fā)生體積收縮,則防竄能力很好。因此,得到以下隸屬函數(shù):

式中:v為水泥漿24 h高溫高壓體積收縮率,%。

1.4 權(quán)重模糊集

因素集中的3個(gè)因素對(duì)水泥漿早期防竄能力起到的作用不同:靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展降低了作用于井底的有效液柱壓力,是氣竄的主要誘因;水泥漿失水因泥餅的存在,實(shí)際失水只有API測(cè)試實(shí)驗(yàn)值的1/100左右,是一個(gè)次要因素;初凝后水泥漿水化體積收縮促使有效液柱壓力進(jìn)一步下降,是一個(gè)比較重要的影響因素。

水泥漿防竄能力權(quán)重集:

各權(quán)重之間的關(guān)系如下:

1)各權(quán)重之和等于1。

2)早期氣竄與有效液柱壓力下降密切相關(guān),因此影響壓力下降的因素權(quán)重之和應(yīng)大于0.8;體積收縮不僅造成壓力下降,而且是形成微環(huán)隙的一個(gè)原因,因此體積收縮與壓力下降的相關(guān)系數(shù)為0.5。

3)膠凝懸掛效應(yīng)是導(dǎo)致有效液柱壓力下降的主要因素,也是早期氣竄的主要誘因,因此膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間所占權(quán)重大于失水和體積收縮所占權(quán)重之和。

聯(lián)立求解式(6)—(8),得:A1>0.5,A2<0.4,結(jié)合式(6)取 A2=0.1,則 A1=0.6,A3=0.3。

1.5 綜合評(píng)判計(jì)算

采用 M(·,+)算子,此算子為“加權(quán)平均型”綜合評(píng)價(jià)模型,評(píng)判結(jié)果為

2 實(shí)例分析

以密度為2.20 g/cm3的水泥漿體系X1,X2,X3為例,綜合評(píng)價(jià)水泥漿防竄能力(見表2)。通過計(jì)算得到評(píng)判結(jié)果為:B1=(0.512,0.706,0.866),B2=(0.984,0.762,0.266),B3=(0.893,0.641,0.268)。

表2 水泥漿防竄能力評(píng)價(jià)

根據(jù)最大隸屬原則,評(píng)價(jià)集B中3項(xiàng)數(shù)值分別對(duì)應(yīng)于好、中、差的評(píng)價(jià)趨向性,水泥漿防竄能力即是B中數(shù)值最大者對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此X1體系防竄能力差,X2和X3體系防竄能力好。X1水泥漿體系是D2-5井φ177.8 mm尾管固井水泥漿體系,該井候凝過程發(fā)生嚴(yán)重氣竄,固井質(zhì)量合格率僅有8%(見圖2),與評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

圖2 D2-5井φ177.8 mm尾管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)成果

3 結(jié)束語

通過室內(nèi)工程試驗(yàn)對(duì)水泥漿性能進(jìn)行測(cè)定,從靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間、體積收縮率、失水量3個(gè)參數(shù)入手,利用模糊數(shù)學(xué)的方法,建立了一種評(píng)價(jià)水泥漿防竄能力的新方法。D2-5井φ177.8 mm尾管固井施工后,候凝過程中發(fā)生了嚴(yán)重的氣竄,用此評(píng)價(jià)方法對(duì)該尾管固井水泥漿防竄能力進(jìn)行了評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況一致,說明該評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確性較好。

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