一種水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定方法，依次包括以下步驟：（1）獲取套管、井眼相關(guān)尺寸參數(shù)；（2）獲取套管、地層巖石相關(guān)力學(xué)參數(shù)；（3）確定油氣井相關(guān)工況參數(shù)；（4）計算儲層壓力、水泥漿初始液柱壓力；（5）計算水泥漿的等溫壓縮系數(shù)；（6）配制水泥漿進行失重實驗，并確定水泥漿終凝時間；（7）按相似性對比原則確定實際工況下的孔隙壓力下降曲線；（8）計算水泥漿塑態(tài)體積收縮率。本發(fā)明水泥漿塑態(tài)體積收縮率數(shù)學(xué)模型綜合考慮了井下套管、地層的實際受力工況和水泥漿的失重性能，原理可靠，操作簡單，能有效確定水泥漿在凝結(jié)過程中的塑態(tài)體積收縮率變化規(guī)律，為水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定提供了一種科學(xué)的方法。
【專利說明】一種水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油氣田開發(fā)領(lǐng)域固井過程中水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水泥漿體積收縮指固井后水泥漿在井底溫度、壓力條件下，從液態(tài)逐漸變成固態(tài)過程中、以及后期生產(chǎn)全過程中體積總的改變量。研究表明，水泥漿體積收縮主要是由水化反應(yīng)引起的，原因在于水化反應(yīng)所生成的水化物體積小于水和水泥顆粒的混合體積。隨著水化反應(yīng)的進行，液態(tài)水泥漿逐漸凝固成固態(tài)水泥石需經(jīng)歷液相、膠凝、凝固和硬化等四個階段。因此，可將水泥漿體積收縮分為終凝前塑態(tài)體積收縮和后期水泥石體積收縮兩個階段。水泥漿塑態(tài)體積收縮會導(dǎo)致水泥漿柱的孔隙壓力下降(即膠凝失重)，造成水泥漿氣侵；后期水泥石體積收縮則使得水泥環(huán)與地層和套管間膠結(jié)不良，形成微間隙，為氣竄提供通道，造成油氣資源的大量流失。已有研究表明，水泥漿體積收縮率最大可達6%左右，其中初凝前收縮很小，小于0.5% ；90%以上的收縮主要發(fā)生在初凝至終凝這段水化反應(yīng)最激烈的過渡期內(nèi)；凝固成水泥石后的收縮仍會緩慢進行，但收縮量很小。因此，研究水泥漿塑態(tài)體積收縮對于早期氣竄的防止、確保油氣井勘探開發(fā)安全更有意義。
[0003]實驗?zāi)M測試是目前獲得水泥漿體積收縮率的唯一手段，測試水泥漿體積收縮率的實驗?zāi)M裝置主要有水泥自收縮測試法、“開環(huán)”法、比長儀法、ASTM膨脹測試法、高溫高壓體積變化率儀等。目前實驗?zāi)M測試裝置主要用于測試水泥漿凝固后的體積收縮率，即終凝后的水泥石體積收縮率，用于測試水泥漿凝結(jié)全過程體積收縮率的儀器較少。另外，由于現(xiàn)有測試儀器存在無法模擬井底溫度、壓力工況，無法有效隔離加壓介質(zhì)和水泥漿等實驗原理、方法的限制，目前有關(guān)水泥漿體積收縮的實驗測試仍處于探索發(fā)展階段，尚不能準確測量水泥漿的收縮與膨脹，無法滿足防氣竄研究需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定方法，該方法原理可靠，實際操作方便，能有效確定水泥漿在凝固過程的塑態(tài)體積收縮率變化規(guī)律，為水泥漿防氣竄能力評價提供了科學(xué)依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0006]基于終凝前套管、地層在井下的實際受力工況，建立水泥漿凝固過程中液塑態(tài)“套管-水泥漿-地層”物理模型，并求解水泥漿塑態(tài)體積收縮對孔隙壓力下降影響的解析關(guān)系。利用該關(guān)系模型，通過室內(nèi)失重實驗，測試水泥漿的失重壓差，結(jié)合地層巖石、套管的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，計算獲得終凝前水泥漿塑態(tài)體積收縮率大小。
[0007]本發(fā)明采用水泥漿塑態(tài)體積收縮率數(shù)學(xué)模型，依據(jù)彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論(徐芝綸，彈塑性力學(xué)[M]，北京:高等教育出版社，2006)，來推導(dǎo)出水泥漿塑態(tài)體積收縮率與孔隙壓力下降的關(guān)系，具體推導(dǎo)過程如下:
[0008](I)假設(shè)條件[0009]為了建立水泥漿凝固前塑態(tài)體積收縮數(shù)學(xué)模型，首先對水泥漿所處的復(fù)雜井下環(huán)境及受力狀態(tài)作如下簡化:①套管、地層軸向尺寸遠大于徑向尺寸，可按照平面應(yīng)變問題分析二者徑向、周向應(yīng)力應(yīng)變；②以主力氣層附近的水泥漿柱為研究對象，主要分析氣層位置處水泥漿孔隙壓力下降，近似為恒溫問題，忽略候凝熱傳導(dǎo)和水泥水化反應(yīng)放熱引起的溫度變化；③研究井段井眼為規(guī)則圓形井眼，套管居中度100%;④水泥漿孔隙壓力下降所引起的套管、井壁圍巖變形均為微小變形，故將套管、井壁圍巖考慮為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的理想彈性材料，候凝期間不發(fā)生塑性變形；⑤終凝前水泥漿尚未失去流動性，因此套管、水泥漿、地層彼此緊密相連，無微環(huán)隙。
[0010](2)模型建立與求解
[0011]“套管-水泥漿-地層”物理模型見附圖1，設(shè)r1、r。、rw、1>分別表示套管內(nèi)半徑、套管外半徑、井眼半徑和地層半徑，顯然地層半徑rf —⑴。由模型假設(shè)可知，套管、地層受力均為軸對稱應(yīng)力，為了簡化計算，選擇極坐標進行分析。由彈性力學(xué)理論知，軸對稱應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分量半定解和位移分量分別見如下。
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種水泥漿塑態(tài)體積收縮率的確定方法，依次包括以下步驟: (1)獲取套管、井眼相關(guān)尺寸參數(shù):包括套管內(nèi)半徑Α、外半徑r。，井眼半徑rw; (2)獲取套管、地層巖石相關(guān)力學(xué)參數(shù):包括套管的彈性模量Ε_、泊松比μ，地層巖石的彈性模量Ef、泊松比μ f ； (3)確定油氣井相關(guān)工況參數(shù):包括井深H，地層壓力系數(shù)Ρτ，電測井溫Τ，鉆井液密度Pd，水泥漿密度Ps、水固比w/s; (4)結(jié)合上述實際工況,按公式Pf= Pt.Η計算儲層壓力Pf ;按公式Pstl = P s - g.Η計算水泥漿初始液柱壓力Pstl ; (5)根據(jù)Brill-Begges經(jīng)典模型，按下列公式計算水泥漿的等溫壓縮系數(shù)C_:
【文檔編號】G01N33/38GK103558364SQ201310583289
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】李進, 李早元, 郭小陽, 程小偉, 李明, 劉健, 辜濤, 黃盛 , 林鑾, 謝和 申請人:西南石油大學(xué)