深水油气井注水泥温度的确定.pdf

岬 深 水 油 气 井 注 水 泥 温 度 的 确 定 。 料 ， 一 摘 要 AP I 第 l O小组 固井 组 开发 了用于估 计注水铌 循环温 度 的对 比方法 。这些对 比方 法用真垂深和单一地温梯度 用井底静止温 度计算来估算注水泥温度。 油气井经常有温度转换．意思是在过渡 带以下存在地 温梯 度变 化 。在 水下钻 出 的井 具有从水到地层以变化形 式的温度转换 。除 非在深水条件下 一般认为大于等于 l 5 0 o 英 尺 ，否则 ，相对没有意义 。 目前正在此环境 中钻井 ，如美 国墨西哥湾 沿岸 、北 欧、非洲 、 巴西、中东和远东。在此深度的水中，复杂 问题是 水温降低 ，在较大水深时接近球点 。 在 这些 地 区泥浆 管线或 海 底的 温度小 于或 等 于 加。 F不是罕见的 。不但水温低 ，而 且靠 近 海底 的地层也很冷 。 本文描述 深水 中钻 井 的温 度。介绍 井筒 温度的计算机模拟。另外，模拟表 明某些 因 数的影响不能 用 AP I 相关 系数来考 虑 。这些 因敷包括泥浆返速、循环时间、 注人琉体温 度、海水温 度和 海流等 。 计算温 度不 正确会 导致 水泥候凝 时 间延 长太多，并使连续的钻井作业延迟。对于深 水中钻机作业费 2 o _ _ 3 0万美元／ 天．任何延 迟都增 加油 井成本 。重要 的是 ，延 迟会 允 许 来自浅层的气和／ 或水的溢出，潜在地导致整 个油气井 和周 围构造 的侵 害和灾变 ，造 成千 百万美 元损失。 ， r E 、 一 r 孙 垒 傻译 崔 己男较 引 言 当油气井 固井 时 ，工程 师需 要 井下 温 度 来设计合 适 的水泥浆 。必须 清楚 地认 识 几个 温度并用 于水泥 浆试 验 。它们是井 底静 止 温 度 B HS r和 井 底 循 环 温 度 B 坤C T 。通 常 B HS T用于确定试验 强度或其变化速率。 B HC T用于确定稠化 时间、失水 和其它特性 。 API 第 1 O小组 固井 组 已经开 发 出确 定 B HC T的方法 。在大多 数事 例 中，这些方 法 已服务 于工业 油气井 ，尽 管这些 方法 在 一 定数量的钻井方案中未起作用。这些油气井 是在深水中钻的。对于深水中所钻的井 其 它方案 中的 地表 温 度低 于 踟 。 F 。需 要 其 它 仪器来确定合适的固井温度。美国墨西哥湾 沿岸 、北 欧、非 洲、 巴西 、中东 和远 东 正在 深水 中钻井 。其它 地表温度低 于 舳 。 F的地 区 包括北极和远离热带的地区。近年来 ，计算 机温度模 拟模 型 已应 用于计算周 井过 程 的温 度 。这些模型得 出的结 果好 于深水 环境 中的 A P I 方法或 对 比法 。 1 ．井庭循环温 度 用 于 确定试 验水 泥 浆 的稠 化 时间 可泵 能力 、失 水 、流 变 性和 游 离 水 。API 建立 了一系列基于井 深 的 B HC T方法 ，从 通 常尺寸管柱 、泥浆密 度和 固井 时 的泵 速 来测 量地温梯度及其平均数 。B HCT是 基于 4 1口 井的测量值，于 l 9 7 4年出版。最近对这些方 维普资讯 法进行了修订，包括 6 6口井的测量值 。录取 数 据的井据 范围从 7 7 5 0到 2 4 8 4 0英 尺 ，主要 在美 国南部 和 墨西哥 海 弯。API B HC T假设 地表温度 8 0 F，并且 从 地表 到总井 深 TD 的地温梯度不变化 。 2 ． 井底 注水 泥温度 一 些 因数 影 响 油气 井 的真 实循 环 温 度。 为 了区分 用 API 对 比法 或出版 的方法计 算 的 温度 ，我们在此提 出用其 它方法确定温度， 描述 注水泥 时井底 注水 泥温 度或注水泥温度 。 以下 参数影 响注水泥温度 。 1 循环 时间 2 循 环速 度 3 流体进 口温度 4 地层温度 包括海洋 5 井筒参 数包 括管 柱、井 眼尺寸、 井 斜和溢流管 。 6 海水深 度和海流 7 流体 流变性 和热 特性 3 ． 静止沮虞 的确定 不管确定 B HC T或注 水泥温 度 的方法如 何 ，静止温度是重要的参数。在 A P I 对 比法 中，静止温度 或地层温度被当作起始点， 用于计算 机模拟 器。把静 止 温度转换 成 地温 梯度 通 常换 成 。 F ／ l 0 0 f t或℃ ／ 1 0 0 m 。API 使用从地 表到井 底 的平 均地温梯 度 。计 算 机 模拟器能使用复合地温梯度。许多油气活动 的地 区在某些过 渡 带有 地温 梯 度变 化 。用 平 均地温 梯度会 在静 止温度 和注水 泥温度计 算 中导致一系列错误 。 用于试验 目的 的一 些确定 油 气井 温度 的 方法包括 1 地沮梯度圈 这些图是在足够长的 时{ 可达到热 平衡后 ，用 玻璃温 度计测 量 的最 大记录值。通常井底压力 温度溯量数据， 一 般 以梯度等 值线 表 示。也有一 些 以原 始井 的地温梯度 点表 示。精确 的温 度估计 取 决于 该地区的温度分布曲线 、 地理位置、靠近温 度异常区 如盐丘和用于地混梯度图的数 据可靠性 。 2 油 田数 据油 田 的静止温 度和 注 水 泥温度数据是用于估计静止温度的最可靠资 料 。当确定 一 个 油 田数 口井韵 井 底 温度 时， 这些数 据是 最好 的。然而 ，用油 田数 据确 定 中途井 深 的温度是 不可靠 的 因为地 温梯 度 有变化 。当然 ，这种类 型数 据对 探井 是 不可 用 的。 3 MV I 可以利用 MwD数据 ，但必 须 小心仔细 ，因为 MwD有数个温度测量值。 环空中测量流 体温度 的温 度计 ，对 于 确定循 环温 度有用 。然而 ，把这 些温 度 用作 注水 泥 温度值 得担心 。钻具结 构 与周井 时 的套管 柱 完全 不同。所 以，两 种结 构 的循 环 温度 有很 大差 别。另外 ，在 泥浆 马达 和钻头上 都 产 生 一 定 数量 的摩 擦 ，对流 体温 度 的影 响大小 还 不很清楚。 如果 在 仪 器 “ 蓟 底 后 立 即确 定 温 度 ， 静止温度可能是假的 。 油气井静 止时间应超 过 2 4小时 。参 见下 面讨论 的 与温 度校 正有 关联的错误 和 图 l 。套 管下 深点 的井 底温 度 不正常，但是，它可用来计算地温梯度和推 断 B HS T，当然存在地温梯度变化舶可能性 ， 短 的井 深变化会 引起 小的误差 。 4 4 。 5 E 盖 嚣 O 5 ． I j l ’1 l l l l l l 州 I { { 1 I ■ 卜 t． l ’ ．1 1 ‘ L 1 t ． 1 1 ． ． 1 ． ． 循环时何 d 图 1 溯井温度与葬止强度的差别 赊外部 量 温度外 ，所有 MWD都 在 仪 器内有温度计来确定传感器的温度，校正由 温度弓 I 起的测量影响。内装工具温魔与外部 流体温度有很大差别，必须格外小心应用。 4 其它疆魔装置洧 用于铀柱中或运 维普资讯 第 1 4 卷1 9 9 9 卑簟 1 期 载工具 中的其它温 度测量 装置 。这些 仪器 对 测量温度有 价值 。象 MWD 一 样 ，要 注意 其 结构与套管 的不 同。 5 温度 测并温度 计可下 人有 线测 井 工具 中。这些 是最 大记 录值 的温 度计 ，所 以 它们指 示 出测 井仪 器 在 井底 时 的最 高温 度 。 因为停 止 了 循 环 ，通 常 是 在 井 底 测 井 温 度 B HI ． T上 附加 一个 百分 比来估计 B HS T。 图 1 所示数据包含在由A P I 工作管理组 导出的 AP I R PI O B确定温度方法 中。在趋势 线周 围的有效散 点 ．表 明有线 测井用 简单 校 正系数 测量 出的数据不能用来 计算 静止温度 。 测井温 度和静 止温 度间的差别 依靠一 定数 量 的系数 ，以前 已刊表登出 。 更 好 的 方 法 是 用 Ho me r点 来 估 计 脚。该方 法是 用复 式测 井 来推 断 B HS T。 其它 方法也可 用于 蝴转换 。 4 ． 沮度对水泥浆设计的影响 对于 自 气 井 中使用 的材料，水泥可能是 受温度变化影 响最 太 的。随着温 度提 高 ，水 泥的永化作 用速度加 快 。意思 是 在较高 温 度 下需舔加更多的缓凝荆 ，保证有足够的水泥 浆可泵送 时间 ，允许水泥浆 在环空 中的顶替 。 如果对温度判断失误 ，过高估计温度使水泥 稠化时间太 短 ，过低估计则太长 。 如果稠化 时间太 短 。在水泥 凝固 前不能 完全把水泥浆替人环空，会导致昂贵的修井 和覆盖所 有要求 隔离 层的潜 在失败 。导致 碳 氢化合物 的漏失 ，潜 在 的井控 问题和 完善 隔 层的昂贵修井工作。如稠化时问太长，水泥 在凝固前会暴露在流动的流体中 ，敢会在水 泥中产生流体诱导 通道，会导致与前 面所述 相同的一些隔离问题 。 这一问题能够 用不 同的温度 范 围添加 不 同类型 的缓 凝剂 加 以船 决 。一 种缓凝 剂 在一 定温度 范 围转换 戚另一 类型凝疑 剂是特 殊 的 临界 问题 。 表 1中的数据表明，温度变化 时稠化时间 变化很大。如此大 的变化 对油气井 的安垒有极 其有害的影响， 衰 1 两种有添加剂和一种末段浆■化时问 1 眦时月 4 0 * F I 8 o ． F 外加荆水泥浆 A 2 4 ∞l 5 3 0 外加剂水泥浆 B 2 4 ∞l 5 3 0 柬段浆 c 6 3 0 l 3 3 0 虽然这些数 据是 在较低 温 度、浅层 套管 柱上得到 的实 倒 ，但 在 高温下 也发 现 了类 似 变化的类似 影 响 ，如 在 海底 以下稂 探 的 中间 套管 、生产套管或尾管 中。 尽管不明显，但温度也影响失水附加值。 在较高温度点失水附加值很少有效，并且需 要 高浓度 来获得 希望 的失水 控制 水 平 ，在 特 定的温度范围内失水附加值是有效 的。如果 超出有效范围使用 ，附加值也可能同时失效。 在注水泥通过含油气层段或具有流动流体的 层 段时 ，控 制失 水是 特别 重要 的。控 黼失水 的失效会 导致井 内流体 的流动 ，引起对 密封 的损害和潜 在危 险 。当需 要 在通过 渗透 层时 控制失水 时 ，必须 同时 考虑控 制前 导和 柬段 水 泥装。 也可在流体流变 性和 水泥 浆 自由水 中发 现温度效应。表 2 是温度对设计用于北海的 水泥浆流变 性 的影 响。很 小 的温 度变化 会 引 起水泥浆磊c 变性 有很 大变化 。只要在 固井 中 承受痒 擦压 力 ，以上变 化就会 影 睛有 效普 出 泥浆 。 裹 2 用 6 矿F 蜘 ． F PV Ty PV “ r y 外加荆水掘浆 璜处理 1 8 ． 1 1 8 ． 3 1 4 ． 9 2 6 ． 2 ．外加剂水呢浆 后处理 2 6 ． 3 1 2 ． 7 1 4 ． 7 3 2 束爱蕞 疆处理 5 9 ． 4 9 ． 5 5 3 6 4 3 ． 9 ．束段基 后处理 7 8 ． 2 ． 8 6 5 ． 6 5 8 ． 4 外加卉 ‘ 承坭浆，w／ T k 预 1 8 ．6 3 。． 3 1 6． 2 35． 3 赴 理 井加荆水泥浆，w， 失水 后 赴 理 2 0 2 2 2 7 2 9 水掘蓉 w帙 求 璜址理 、 4 7 ．8 9． 6 3 5． 6 3 6． 2 木掘肇 W／ 戋水 后扯时 2 7 2 9 4 5 斡 维普资讯 了解水 泥浆所 处 的温度对 正确设计 水泥 浆和在 固井 中使 用其 它流体具有决定性影响 。 5 ． 水 泥试验温 度和 过程的确 定 确 定 水 泥 试 验 的 常 规 方 法 是 采 用 A P [ s p e c 1 0中的 AP I 步骤 。对于大多 数井 ，这些 步骤得到 了可接受 结果 。不幸 的是 这些 步骤 相 当于 1 9 9 7年 A PI R P 1 0 B在一 定的井和 某些情况下其重要参数失效。这些事例发生 在深水钻 井 中，其 井 的温 度大 部分 低 于 A PI 方法 和相 关 的最低温度 8 0 。 F 。 图 2表示 墨西 哥湾海水 温度与深度的对应 曲线 。 65 6 0 5 5 巴5 0 嚣4 5 4 O 3 5 、 ＼ ＼ ＼ 0 1 0 00 20 0 0 3 00 0 4 0 o0 井 耀 n 图 2 墨西哥湾海水温度与深度曲线 在南 中国海 的远 离马来 西亚 海岸 的 深水 钻井中，使用两台计算机模拟器来确定温度。 这些模拟 器 允许假 设循 环过 程 中的温 度 ，通 过模拟器的输 出，创建给定井具体的循 环方 法 。为得到 更精 确 的温度 确定 值 ，也 考虑 了 刨 建的试 验 方法 中 的实 际 固井 时 间。下面 的 简倒说 明模 拟器 的使 用 ，也陈 述井 中温 度变 化 的影响 。 温度模拟器 实例 这些模 拟器 用于计 算 深水 钻井 已下人 表 层套 管的井筒 中的温 度 见 图 3 。基础 数据 见表 3 。靖 【 体 描述 见表 4 。 裹 3 温度模拟鼍基本情况 水 深 3 8 2 8英尺 隔水管 内径 1 9 英寸 混 浆管线 温度 井眼 l 9 ． 2 5 1 7 ． 5 4 - 5 0 ％扩大事 钻扦 总井探 垂探 1 0 1 2 5 英尺 岩石层 日 研 l 舯 ． F 裹 4 用于温度模拟鼍的流体特性 泵量 密度 P v Ty 程度 流 体 橘 ／ 磅／ 厦 磅 ‘ F 分 加仑 泊 ／ 1 0 0 f t 2 3 O 0 O橘 泥 浆 1 0 1 1 ． 4 2 5 2 5 9 5 6 0橘盐 水 7 1 0 1 9 5 2 6 5 橘前导水泥浆 7 l 2 ． 5 3 0 7 6 9 5 8 6橘 束殷 承耗浆 7 l 5． B 4 4 5 5 9 5 9 8 7 桶泥浆 8 l 1 ． 4 2 5 2 5 9 5 0一 I 1 I 6 0 O0- - ．一 1 2 0 0 0 图 3用 于模 报研究 的 1 3 套臂 的井 身 略图 表 5是两个模 拟器 与 AP I 方 法确定循 环 温度的结 果对 比。因为该 模型 用所 有效 据来 判定 A P I 对 比方法 ，所 以上述 结果 用于钻 杆 维普资讯 4 0 第 l 4卷1 9 9 9年第 1期 在井 眼中的循环模拟 。 裹 5 钻杆在井眼中的横拟结果 模式 循环温度 ． F 模撤器A 模撤器B 1 0 8 API s p e e 1 0 1 3 ．1 9 9 7 1 4 0 很 明显 ，先 前 的 API方 法 ，甚 至 1 9 9 7 年修订的方 法和对 比都 不 能正确解 决深水 中 的温 度。两个模拟 器得 出的结果都 比 A P I预 告 的低很多 。 模 拟器也用于计算 套管 在 井内 时的循 环 温度 。其数据见表 6 。 裹 6 蕞拟嚣的注水泥湿度 模式 条件 温度 。 F 总井深 最大 值 强度 模拟嚣 B 基 点 l 0 2 模拟 嚣 A 基点 l 0 2 1 0 7 8 0 0 0’ 模撤器 A 裸 眼 1 7． r l 0 2 1 0 6 8 0 0 0’ 模 撤嚣 A 赢动 3 k ／ ml n 9 2 9 7 8 0 0 0 ’ 模 撤器 A 陆地井 1 1 2 1 1 9 8 0 o 0 ’ 这些结果表 明几 个 变量 对计算 井 内循环 温度的影响 。运 用表 3和表 4列 出的基 本情 况 ，在各种条件 下计算 出温 度 。对于 每 一次 新的模拟 ，列 出的原始 变量 要有 变 化。除 了 所列变量外 ，还使用 基本 条件 。显 示 的数 据 用于计算水 泥到达 总井 深时 的温 度 ，环空 中 的最高温度和结束注水泥即碰压时最高温度 的井深 ，图 4表示模拟 器 A使 用基本 条件碰 压时的井深与 温度 曲线。 图 5表示套 管鞋处 温度和用 AP I s p e c 1 0计算 温度 的对 比。 从分析可明显得到以下几点 1 、暴露水 泥 浆 的 温度 与 AP I方 法 计算 出的有很大不 同 比较表 5和 图 5 。 2 、井底 温度 比上部井眼温度更低 。这一 稀有现象也 由 C o o k e等 在 陆地 井 固井 中的环 空 测量 中发 现。 3 、有海 流 比无海流时的温度更低 。 4 、具有 相似 构型 的陆地 井温 度高 1 5 。 一 2 O 。 假定地表温度 7 5 F 。 5 、两个 模拟器结果非常接近 。 运 用模拟器 A对泥浆 循环温 度 无水 泥 浆进行 对比 ，见表 7 。 裹 7 儒环泥浆时的楗撤结果 条 件 。 温 度 。 F 时闻 总井 探 最 大值 小 时 分 基 点 1 O 6 1 0 7 2 1卯 1 0 3 1 07 7弼 10 4 1 08 2 40 0 6 5 “ F泥浆 盯 9 0 2 4 ；0 0 j 击 地 6 5 ． F铌浆 9 3 1 0 0 2 4 0 0 循环混浆时 的结果 与注 水泥 时没 有很 大 不 同。主要结果如下 1 、从泥浆池 中循环冷混 浆导致环空 中更 冷 。 6 5 。 与 9 5 。 F基础条件泥浆对 比 。 2 、 即使泥浆入 口处温度低 ，陆地井温度 也 高于深水井 。 对浅 层 管 柱 也 进 行 了 模 拟 2 O 深 度 6 3 3 1英尺 。井的数据见表 8 。数据与表 3中 基本情况不完 全相 同 ，流体 特性 见表 9 。 裹 8 加藿 管数据 套 管 2 深 度 6 3 3 1英尺 溢 流管 无 井 艇 2 6 “ 日 研 9 5。 F 维普资讯 41 1 鲫 邑1 加 能 霸 圈 4 碰 压时 置度 与井深 曲线 ／ ／ P l ／ _ I ● ‘ 。 。 2 时 。 时 间 } Ir 圈 5 1 3 套管鞋处温度 曲线 寰 9 1 0 “ l t ll 中谵体特性 泵量 密度 P V T y 人口温度 流 体 桶／ 分 谤伽 仑 厘泊 磅／ 1 呻 。 F 4 O O 桶 海 1 0 8． 5 1 7 5 水 2 O O 桶 前 7 l 1． 5 2 0 50 8 0 导水 泥浆 4 0橘 束 殷 7 1 5． 8 4 4 5 5 95 水泥 浆 8 7 8 桶 泥 l 0 1 0 1 5 2 0 75 浆 同条件下最后泵送的水泥浆深度与温度 曲线。 从 以上结果能发现 罔 6无海 流时 2 套 管鞋 处 的置 度曲线 7 5 嘻 时 问 h r 圈 7 有 3 1 3 0英 尺份海 流 时 2 0 “ 套 管 鞋 处 的温 度 曲线 图 图 7 分 别 是 要 烹 。 0 0 ．差 尺 无 海 流 套 管 最 后 泵 送 水 泥 的 温 度 与 探 度 分 3 ． 0节 海 流 时 ，在 套 管鞋 处 温度 与 时 间的模拟 曲线 。图 8和图 9分别是 在 以上 相 1 当投 有溢 流管 ，并且 地层 温 度根低 维普资讯 第 1 4 卷1 9 9 9年蕈 1 - 期 0 o ； 理 2 时 简 hr 7 5 0 0 5 0 0 0 图 9 有 3 0 0英 尺 } 海 流 2 0 崔 臂最后 泵送 水 泥 的温 度与深 度曲 线 时 ，环空 中注水 泥温 度低 于实验 室发现 的环 境温度 。 2 环空 中水 泥温 度低于 混合 温 度。为 了在实验室 中能正 确代 表注水 泥条件 ，水 泥 必须在能代 表最高 温 度的高温 中混合 ，这 样 的水 泥浆暴 露 当在井场混 合 温 度过 程实 际 是冷环境过程 ，而 不是 AP I 方法 的常规 加热 过 程 。 3 当考虑海 流 时 ， 比该井构型低大 约 1 0 F 。 结 环空 中注水泥 温 度 论 1 、深水 中钻井准确温度 的研究 ，对于每 一 层套 管 ，包括尾管的水泥浆设计是关键 。 2 、在深水钻井中应用计算机温度模拟模 型可得到 更好 的温 度资料 。这 些模 式 需要井 的资料 比常 规情 况下 用 AP I 方法 确定井底 循 环温度所 需资料要多很多 。 3 、井底静止 和循 环温度是 用于水泥浆设 计 的基本温度 ，不 同于 AP I预测混 度的井 底 注水泥温度 。能用于深水注水泥作业 。 4 、先前 的和 1 9 9 7年 出版 的 AP I 方法 不 能用于深水钻井作业 。 上接第 3 5页的 L J P取样 ，证实已足够硬 并可支承 套管重 量 。松 开坐放 套管 柱 ，开始 安装 井 口。 当固井作业 需要 低 比重 的前 置水 泥 浆及 较重的后置水 泥浆 时 ，需要使 用另外 的储 存 罐。为了配成一种 L ，在水 里混 合 了降失 水荆和珍珠岩 。为 了提 高密 度以满 足设计 规 范 ，在下人套管同时把 L C P添加到 L A P里。 套管就位和建立循环后，加活化荆，泵送 水泥 浆并 顶替。在 印度尼 西亚成功地使用 u P完成 了 3 0多个 固井 作业。 结论 1 ． L C P组分将满 足并且 在多数 情况 下超 过台格 的地热水泥浆 的设计标准 。 2 ． 在环保要求 严格地 区，使用 L C P可 以消 除固井作业带来 的一系列 问题 。 3 ． U 可使水泥混配设备简化并改善了 井场质量管理和后勤 。 4 ．当使 用 L C P技术 时 ，省 去混 合时 间 ， 实 际上是高速率水泥浆硬着 。 5． 太型 u 作 业 可有 效 地 取 代 普遍 固 井工艺 。 译 自J f r r 1 9 9 7 ． A曙 ， 维普资讯