高溫超壓地層固井施工模擬與監(jiān)測技術(shù)

高溫超壓地層固井施工模擬與監(jiān)測技術(shù)第1頁/共48頁匯報(bào)題綱

概述成果匯報(bào)立項(xiàng)目的研究目標(biāo)研究內(nèi)容技術(shù)關(guān)鍵研究成果第2頁/共48頁立項(xiàng)目的

高溫超壓地層固井的面臨的主要問題之一是：地層壓力高，壓力窗口小。一方面，為提高頂替效率，需提高替漿速度；另一方面，提高替漿速度又造成井下壓力升高，容易發(fā)生井漏。因此，如何從技術(shù)上保障固井質(zhì)量和施工安全，是高溫超地層固井面臨的一個主要問題。

本研究的目的是：開發(fā)一套適合于高溫超壓地層固井的施工模擬與監(jiān)測系統(tǒng)。在施工前，對固井施工方案進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化固井設(shè)計(jì)；在施工過程中，監(jiān)測壓力、流量、密度的變化，反演井下注替狀態(tài)，對可能發(fā)生的復(fù)雜情況進(jìn)行報(bào)警。

第3頁/共48頁研制一臺高溫超壓地層固井施工參數(shù)監(jiān)測儀開發(fā)一套高溫超壓地層固井施工模擬與監(jiān)測軟件研究目標(biāo)第4頁/共48頁原計(jì)劃研究內(nèi)容：

1.研制一臺井口壓力、流量兩參數(shù)監(jiān)測儀；

2.開發(fā)一套固井復(fù)雜情況（漏、竄）監(jiān)測軟件。增補(bǔ)研究內(nèi)容：

1.參數(shù)監(jiān)測增加井口流體密度檢測部分；

2.軟件開發(fā)增加固井設(shè)計(jì)、施工模擬分析兩部分。研究內(nèi)容第5頁/共48頁高壓條件下流量及密度的測量及提高精度；井下注替過程的反演及提高精度。技術(shù)關(guān)鍵第6頁/共48頁研究成果研制了一臺固井施工參數(shù)監(jiān)測儀；開發(fā)了一套固井設(shè)計(jì)、施工模擬與監(jiān)測軟件。第7頁/共48頁匯報(bào)題綱概述成果匯報(bào)1.系統(tǒng)功能及組成2.固井施工參數(shù)檢測儀3.井下異常情況的預(yù)、監(jiān)測方法

4.固井施工模擬與監(jiān)測軟件

5.試驗(yàn)驗(yàn)證

6.主要結(jié)論第8頁/共48頁

1

）固井過程中需要特別關(guān)注的井下情況

●固井安全方面：（1）下套管的波動壓力是否引發(fā)井漏；

（2）注水泥時的環(huán)空壓力是否超過安全壓力窗口?！窆叹|(zhì)量方面：

（1）頂替流態(tài)和紊流接觸時間是否合理；

（2）環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)要求;系統(tǒng)功能及組成1第9頁/共48頁系統(tǒng)功能及組成2）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

◆施工前：通過模擬分析，預(yù)測涌、漏等復(fù)雜情況和頂替效率，制定合理施工方案；◆施工中：實(shí)時監(jiān)測地面施工參數(shù)，反演井下頂替過程，對液面位置、環(huán)空壓力平衡、頂替效率等進(jìn)行監(jiān)控；◆施工后：回放監(jiān)測數(shù)據(jù)，為技術(shù)總結(jié)提供依據(jù)。1第10頁/共48頁系統(tǒng)功能及構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊工作主機(jī)監(jiān)視器固井施工模擬與實(shí)時監(jiān)測軟件井口壓力入井流量入井密度參數(shù)檢測儀3）系統(tǒng)構(gòu)成：施工參數(shù)檢測儀+計(jì)算機(jī)+軟件硬件軟件1第11頁/共48頁固井施工參數(shù)檢測儀

實(shí)時檢測以下參數(shù)

◆井口壓力◆井口流量◆流體密度

◆注入體積

◆泵送時間21）功能第12頁/共48頁數(shù)據(jù)采集卡信號調(diào)理A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通訊便攜式工控機(jī)壓力流量密度24V電源I/V轉(zhuǎn)換

傳感器部分

2）結(jié)構(gòu)原理固井施工參數(shù)檢測儀2第13頁/共48頁

3）儀器選型（1）流量傳感器

采用新型電磁流量計(jì)取代傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)。具有耐壓高（40MPa)、無活動部件、精度高、無壓力損失、體積小、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。

FFT-100-40高壓電磁流量計(jì)固井施工參數(shù)檢測儀2第14頁/共48頁（2）密度傳感器

采用高壓質(zhì)量流量計(jì)取代傳統(tǒng)放射性密度計(jì)。具有耐壓高（40MPa)、無污染、測量精度高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。

RHM30高壓質(zhì)量流量計(jì)（密度）

3）儀器選型固井施工參數(shù)檢測儀2第15頁/共48頁（3）壓力傳感器

采用數(shù)字式壓力傳感器。具有耐壓高（100MPa)、測量精度高、體積小，用維護(hù)方便等特點(diǎn)。

AK4F數(shù)字壓力傳感器

3）儀器選型固井施工參數(shù)檢測儀2第16頁/共48頁（4）便攜式軍用工控機(jī)

采用便攜式軍用工控機(jī)為工作主機(jī)及，具有集成化程度高、體積小、攜帶方便、抗震、抗干擾等特點(diǎn)，是和海洋平臺作業(yè)環(huán)境和安全要求。

DM9002便攜式軍用工控機(jī)

3）儀器選型固井施工參數(shù)檢測儀2第17頁/共48頁流量計(jì)密度計(jì)壓力計(jì)

主要特點(diǎn)◆能實(shí)現(xiàn)對整個注替過程的監(jiān)測；◆

實(shí)時測量井口處的壓力、流量和密度等參數(shù)；◆

數(shù)字顯示與電信號雙重輸出；◆

安裝簡單、使用方便。

4）檢測儀集成固井施工參數(shù)檢測儀2第18頁/共48頁

1）下套管時“井漏”的預(yù)測方法3（1）

井漏的原因及條件原因：下套管的波動壓力使環(huán)空壓力增大條件：波動壓力+靜液柱壓力>破裂壓力關(guān)鍵：波動壓力的計(jì)算井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第19頁/共48頁

1）下套管時“井漏”的預(yù)測方法3（2）

波動壓力的計(jì)算

常規(guī)的穩(wěn)態(tài)模型假設(shè)鉆井液不可壓縮、套管和井壁都是剛性的，計(jì)算結(jié)果往往偏高，井越深，壓力、溫度越高，誤差越大。

瞬態(tài)波動壓力模型考慮了泥漿的可壓縮性、流體慣性和套管柱的彈性對波動壓力的影響，可提高深井波動壓力的計(jì)算精度。井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第20頁/共48頁

1）下套管時“井漏”的預(yù)測方法

瞬態(tài)波動壓力模型及計(jì)算方法壓力傳播速度泥漿壓縮系數(shù)，與溫度、壓力有關(guān)流道彈性系數(shù)，與套管、井壁有關(guān)有限差分解法示意圖ΔzΔzΔzΔzΔzΔt

MROSNWΔtΔt

tz（2）

波動壓力的計(jì)算3井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第21頁/共48頁波動壓力計(jì)算結(jié)果對比分析

1）下套管時“井漏”的預(yù)測方法（2）

波動壓力的計(jì)算3◆井身結(jié)構(gòu)：7in套×3657m+5in×3657~4454m◆下入管柱:79mm鉆鋌×146m+74mm鉆桿×

925m+89mm鉆桿×3592m◆鉆井液密度：1678kg/m3

◆鉆井液性能：動切力:4.8Pa

塑粘:11mPa.s◆下入速度：0~1.41m/s實(shí)驗(yàn)井井眼條件井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第22頁/共48頁（3）技術(shù)路線輸入基本參數(shù)預(yù)設(shè)下套管速度計(jì)算環(huán)空動壓力與破裂壓力對比

安全？結(jié)束NY

1）下套管時“井漏”的預(yù)測方法3井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第23頁/共48頁

2）注水泥時井下情況的預(yù)測與監(jiān)測方法（1）

井下頂替參數(shù)的計(jì)算井下頂替參數(shù)：環(huán)空動壓力、流動速度、頂替流態(tài)、紊流接觸時間、U型管效應(yīng)、液面位置等計(jì)算模型及方法：本研究建立的新模型行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的固井水力學(xué)計(jì)算方法3井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第24頁/共48頁（2）

技術(shù)路線固井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)地面施工參數(shù)反演井下頂替過程液面位置預(yù)、監(jiān)測壓力平衡預(yù)、監(jiān)測頂替流態(tài)預(yù)、監(jiān)測接觸時間預(yù)、監(jiān)測滿足要求？OKYN及時調(diào)整3

2）注水泥時井下情況的預(yù)測與監(jiān)測方法井下異常情況的預(yù)測與監(jiān)測方法第25頁/共48頁固井施工模擬與監(jiān)測軟件4第26頁/共48頁固井施工模擬與監(jiān)測軟件41）軟件總體結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)輸入固井設(shè)計(jì)注水泥模擬施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫參數(shù)標(biāo)定材料計(jì)算采集數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)回放及報(bào)告輸出下套管模擬第27頁/共48頁固井施工模擬與監(jiān)測軟件42）軟件主要功能◆固井工程設(shè)計(jì)◆下套管過程模擬分析◆注水泥過程模擬分析◆施工過程監(jiān)測與復(fù)雜情況報(bào)警◆數(shù)據(jù)回放及報(bào)告輸出第28頁/共48頁固井施工模擬與監(jiān)測軟件4◆

固井工程設(shè)計(jì)漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)第29頁/共48頁固井施工模擬與監(jiān)測軟件4◆

固井工程設(shè)計(jì)流變特性設(shè)計(jì)計(jì)算第30頁/共48頁◆

固井工程設(shè)計(jì)排量計(jì)劃設(shè)計(jì)固井施工模擬與監(jiān)測軟件4第31頁/共48頁◆

固井工程設(shè)計(jì)固井施工模擬與監(jiān)測軟件4材料用量計(jì)算第32頁/共48頁固井施工模擬與監(jiān)測軟件4◆下套管模擬

動態(tài)模擬下套管過程，計(jì)算波動壓力和環(huán)空動壓力，根據(jù)壓力剖面推薦安全下套管速度，防止井漏。第33頁/共48頁

計(jì)算管內(nèi)及環(huán)空壓降、靜液柱壓力，預(yù)測泵壓變化及U型管效應(yīng)。固井施工模擬與監(jiān)測軟件4◆

注水泥模擬第34頁/共48頁

計(jì)算顯示環(huán)空壓力變化，根據(jù)兩個壓力剖面，預(yù)測溢流、井漏等復(fù)雜情況。固井施工模擬與監(jiān)測軟件4◆

注水泥模擬第35頁/共48頁

頂替流態(tài)及紊流接觸時間計(jì)算分析，預(yù)測頂替效率。固井施工模擬與監(jiān)測軟件4◆

注水泥模擬第36頁/共48頁

根據(jù)排量、泵送時間和井眼條件，實(shí)時計(jì)算并顯示液面位置，掌握井下頂替情況。固井施工模擬與監(jiān)測軟件4液面位置監(jiān)測◆

注替過程實(shí)時監(jiān)測與復(fù)雜情況報(bào)警第37頁/共48頁

實(shí)時監(jiān)測排量和環(huán)空壓力的變化情況，根據(jù)兩個壓力剖面控制溢流或井漏。固井施工模擬與監(jiān)測軟件排量和壓力監(jiān)測4◆

注替過程實(shí)時監(jiān)測與復(fù)雜情況報(bào)警第38頁/共48頁

監(jiān)測密度、泵壓的變化，防止密度偏差過大和泵壓過高。固井施工模擬與監(jiān)測軟件密度和泵壓監(jiān)測4◆

注替過程實(shí)時監(jiān)測與復(fù)雜情況報(bào)警第39頁/共48頁

根據(jù)流量變化計(jì)算分析關(guān)注點(diǎn)的流態(tài)及紊流接觸時間，為提高頂替效率提供依據(jù)。固井施工模擬與監(jiān)測軟件4頂替效率監(jiān)測◆

注替過程實(shí)時監(jiān)測與復(fù)雜情況報(bào)警第40頁/共48頁流量最大誤差1.6%壓力最大誤差1%密度最大誤差1.6%試驗(yàn)結(jié)果

1）參數(shù)檢測試驗(yàn)試驗(yàn)驗(yàn)證5

分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和湛江固井基對參數(shù)檢測儀進(jìn)行了標(biāo)定和驗(yàn)證試驗(yàn)。第41頁/共48頁

1）參數(shù)檢測試驗(yàn)

各參數(shù)測量誤差小于2%，滿足工程要求?？蔀榫马斕鎱?shù)的計(jì)算分析和固井作業(yè)的評價提供可靠的第一手資料。試驗(yàn)驗(yàn)證5第42頁/共48頁

◆在湛江固井、渤海固井中心進(jìn)行了反復(fù)試用與改進(jìn)，得到了現(xiàn)場技術(shù)人員的肯定?！舻孛媸┕?shù)的準(zhǔn)確測量和可靠的計(jì)算模型及計(jì)算方法，保證了設(shè)計(jì)、模擬分析和實(shí)時監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

2）軟件試用及評價試驗(yàn)驗(yàn)證5第43頁/共48頁研制的固井施工參數(shù)監(jiān)測儀，能滿足在海洋平臺作業(yè)環(huán)境和高溫高壓氣井固井條件下實(shí)時檢測井口壓力、流量、流體密度及注入體積等施工參數(shù)的技術(shù)要求，各參數(shù)測量誤差小于2%。

主要結(jié)論第44頁/共48頁開發(fā)的高溫超壓氣井固井施工模擬與監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在施工前模擬下套管和注水泥作業(yè)過程，預(yù)