深水钻井中注水泥温度的测定.pdf

深 水 钻 井 中 注 水 泥 温 度 的 测 定 6 ． 璧 一． ／ ～ D ∈ f 缝译 T． J ． Gr i ff i n ’ ／ ‘ 胡湘炯校 l 言 油气井注水泥时，要 求井温必须 能够 适 应水泥浆设计。在测试水泥浆时 ，工 程师们 认可的温度是井底静 态温度 B H S T和 井 底循环温度 B H C D 。通常，井底静态温度 用于确定强度或硬化速度。井底循环温 度用 于确定水泥浆稠化时间、液体漏失和其它性 质。 A P I 第 1 0 专业委员会 油井水泥已制 定了这些方法 计算表和对 比式 。在大多数 情况下 ，这些方法 在石油 工业 界效果 良好。 但是 ，也有许多钻井情况表 明，这些方法并 不完善。特别在深水钻井 中更是如此 。就深 水钻井而言 或其它地表温度低于 8 0 。 F的情 况 ，有必要使用其它工具确定合适的注水泥 温度。近年来 ，已经采用计算机温度模 拟方 法计算注水泥温度。在深水 环境 条件下 ，这 些模拟器的计算结果优于 AP I 计算表或对 比 表获得的结果 。 井底循环温度 井底循环温度常用于测定水泥浆的稠化 可泵性 时间、液 体精失、流变性 和 自由 水。以井深为基础，A P I 根据深度梯度、通 用尺寸管材 的平均数据、洼水 泥时的泥浆 比 重和泵量为井底循环温度制定了一系列表格 。 井底循环温度是根据 1 9 7 4年公布的 4 1口油 井测量数据得 出。这些 计算表最近被加 以修正，包括 6 6口井提供的测量数据 。这些 数据主要来 自美 国南部和墨西哥湾 ，它主要 是从 7 7 5 O f t 羽 2 4 8 4 O f t 深度的油井测得。A P I 井底循环温度假定地表温度为 8 0 。 F，并从地 面到井底总深度的温度梯度保持不变。 在一口井 的循环期 问，许 多因素影 响真 实的井底注水泥温度。 注水泥时的井底注水泥温 度常受以下参 数影响 1 循环时问； 12 循环速度 ； 3 液体注入温度 ； 4 地层温度 包括海水 ； 5 井筒的几何尺寸 包括管材、孔 径、井斜、隔水管 ； 6 海水深度和海流 ； ’ 7 液体流变性和热学性能。 静态温度的确定 不论是确定循l环温度的方法或注水泥 温 度方法，静态温度都是一个重要参数。静态 温度 或地层温度在 AP I 对 比和计算机模 拟中，都作为起始点 ．静态温度被转 换到温 度梯度 ，以确定每井深 间隔的温度变化 通 常为‘ F ／ 1 0 0 f t 或℃／ 1 0 0 m 。A P I 采用从油井 表面到井底的平均 温度梯度。计算机模拟器 能够使用多个温度梯 度。在某些地方 ，由于 油气很活跃，有许多过渡带都存在温度梯度 变化 。采用平均温度梯 度可导致静态温度或 注水泥温度计算的严重误差。 就测试目的来说，确定井温有许多方法 维普资讯 1 ． 温度梯度 图 这些温度梯度 图的制作 以玻璃锰 度计最 高读数值为基础，然后以充足的时间达到热 平衡。这些数据通常来 自对井底压力温度的 测量，一般表示为梯度 等值线 。有些人也 根 据单井测量点的温度梯度来估算，温度的精 度取决于 温度甜面 。在世 界各地有 所不 同， 主要受到温度差别的影响 ，以及用来制作 梯 度图数据的可靠程度。 2 ． 现场数据 现场数据可能是用来估算静态温度和注 水泥温度最可靠的信息。在一个 油田中，当 许多油井中的井底温度已经被 确定时 ，这些 数据是最好的。然而 ，由于温度梯度的变化 在确定中等深度的温度时，现场数据也许就 不那么可靠 了。医此 ，在勘探井 中，此类数 据是不可采用的。 3 ． 随钻测试 随钻测试数据也可以使用 ，但必须小心。 因为随钻 测试工具 可能提供若干种温度测量 数据。人口环空液体的测温仪对测定循环温 度可能是有用 的。然 而 ．人们 在使 用这 些温 度作为注水泥温度时必须慎重。 钻柱的几何尺寸完全不同于正在 注水泥 的套瞥尺寸。因此 ，在这两种几何体下的 “ 循环”温度可能完全不同。此外 ，还要考虑 由泥浆泵 到钻头之间产生的大量摩擦。这些 摩擦可能会加热钻井液，在其之上可能没有 摩擦。这些结果对流体温度影响之大还不为 人们所熟知。 如果 ，随测工具一下到 “ 井底” ，温度立 刻就被测定 ，也许可以采用静态温度 假定 油井待田已超过 2 4 h 。下面讨论了与制定 温 度对比有关的误差讨论， 蚬 图 1 。当到达套 管鞋深度 时，这通 常不是 井底温度 ，但是可 用来计算温度梯度 ，并且 外推到井底静态温 度，当然其温度梯度可能有变牝 ，但误差在 小范围内可能不太。 除了温度 的其它测量 方法外 ，所有 的髓 钻测试工具都在内部 安装 了测温仪 ， 确 定 感应器温度和对受到温度影响的 更正。内部工具 温度 极大地不同于外 温度， 因此， 使甩起来必须小心。 ●- ．． ● ● ● 、 一 。- ． 严 - 革 ． ． -’ F 一I． 循环时 阿 h r 圈 1 ． 循环时闻与静恚韫度的差异 4 ． 其它测温装置 还有 些能够被使用到钻柱或安放在它 们自己载体中的温度测量装置。它们都是用 于测量井温的有用工具 同样应该谨慎的是 ， 应用这些装置作为随钻测试工具应充分 注意 到套瞥几何尺寸的不伺。 翊 I井温度 。。 。 涣 I 温仪同电缆测井工具一同下人井 中。 它们是最高读数测温仪，因此它们 显示暴 露在井底l测井工具的最高温度。一般根据循 环停止的时伺，甩增加一定的百分数来估算 井底静苍温度及测井温度d 。’ 图1 给出的数据来自lFA H 项 目组使用酊 数据库i A t I ．第 l O专业曩员会把宦用于制定 A P I R P 1 0 B中包吉舸温度对 比图。在趋势线 附近有大量散点 ，这表明人们无法从 电缆 测 井期间所测量的数据来计算静态温度，测井 温度和静态温度之间的差别取决于许多因素 ， 包括前面所列出的因素。 一 个更好的方法是用赫诺曲线估算井底 静态温度 这种方法使用多个测井温度外 推 到井底静态温度。也开发了用其它方法转 变 到井底静态温度的程序。 温度对水泥浆设计的影响 - 在油气井 中使 用的大多数 材料 中，水泥 浆很可能是受到温度变化影响最大 的一种物 加 ∞ 曰对 仲 O 一 ． 一 羽憎盎 维普资讯 4 8 国外钻辩技术 第十六卷l 9 蛔 年第 5期 质 。随着温度增加 ，水泥浆 发生 明显 的水化 作用。这表明，当温度较高时，称为缓凝剂 的曝加荆就需要得较多 ，以保持泵送 水泥浆 有充分的时间，并使水泥浆能在环空中顶替。 如果温度被估计错 了，以及 温度估计 不 足，水泥浆的泵送 稠化时间可能会太短； 如果温度估计过高，水泥浆的泵送 稠化 时间可能会太长。 如果稠化 时间太短 ，水 泥浆 在凝 固前 也 许就不能完全进入环空 。这会导致最终也 没 有固到要求隔离 的井段。这还可能引起油气 损失，造成井控 问题 ，并且 花费大量 经费进 行井下作业。如果 泵送 时间太 长，水 泥浆 也 许会在凝周前长时间地暴露在流动液体当中， 这样 ，在水泥 中就可能产生一些由液 体造成 的沟槽，它们可能会出现先前已描述过的类 似的封隔问题 。 事实上，解决这个问题是在不同的温度 范围内采用不同类型的缓凝荆。在不同温度 范围内，从一种缓凝荆到另一种缓凝剂的转 换是非常重要的 表 1 的数据表明，随着温度的变化，稠 化时间发生较大 的变化 这些大范围的变化 可能对油井安全有很大的危害，对能够安 全 地连续作业也存在着较大的影响。 裹1 两种中1 马 水毙絮和一种尾黎的■化时闻 在下列温度下达到 1 0 B c的时问 水泥浆 hrai n 4 0 t i 8 0 F 虽然这些数据是在浅层套管 柱较 低温度 下所获得 ，但在高温下，比如在海底 较大深 度处，中层套管 、生产套管或尾管 中类似 的 作用与类似的变化都有联系。 温度对降失水荆的影响虽然不那 么显著 ， 但也有一定的影响。在高温下，降失水剂的 作用不那么明显，需要更高的温度以达到失 水控制设计效果。然而在特殊的温度范围内， 降失水剂是很有效的。如果在超出了它的范 围内使用 ，这种降失水剂 可能完 全失效。控 制失水对在含油气层或流体能流动的地层 中 的水泥浆是特别重要的。如果不能控制失水 ， 最终会导致 井下液俸的流动 、套 管密封破 坏 以及其它危 险情况 。在渗透性地层中 ，控 制 失水是必须 的，我们 应该 从领浆和尾浆两方 面来考虑。 对液体流变性和水泥浆形成 自由水也存 在温度的影响。表 2表明， 温度对北海地区 水泥浆设计的流变性的影响。温度的细微变 化 ，能够造成水泥浆流变性 较大 的变化。这 种差别可能影 响驱替泥浆效果 ，以及顶替水 泥浆时的摩擦压力试验。 裹 2 北海油井的流变性数据 4 0 ‘ F 8 0 ’ F 木泥浆 Pv Ty Pv- T 中坷装 鼬理前 1 8 ． 1l 1 8 ． 3 1 4 ． 9 2 6 2 ● 中间浆 处理后 2 3 ． 3 1 2 ． 7 1 4 ． 7 3 2 0 L 尾浆 处理前 3 9． 4 1 9． 5 5 3 ． 6 4 3 ． 9 尾浆 址理后 7 B ． 2 3 5 ． B 6 5 ． 5 5 8 ． 4 中间浆失木 赴理前 1 8 ． 6 3 0 9 ． 3 l 6 ． 2 3 5 ． 3 中问浆失水 1处理 后 2 0 ． 0 2 2 ． 0 2 7 ． 0 2 9 0 l 尾浆失木 处理前 4 7 8 9 ． 6 3 5 ． 6 3 6 ． 2 尾浆失水 处理 后 2 7 ． 0 2 9 ， O 4 5 ． 0 4 9 0 对注水泥处 温度 的了解 ，并正确用于水 泥浆和其它液体的设计中是至关重要的。 确定水泥浆试验温度音 g 常规 方法，是使 用 已公布的 AP I S 口 e c 1 0的规定。对于大多 数油井来说 ，这 些规定 已经给 出了令人可接 受的结果 。不 幸 的是 ，这些 规 定 1 9 9 7年 A P I R P 1 0 B公布的有关规定在有些油井建 设和井底 座封 中没有 考虑到某些 重要参数 。 维普资讯 在深水钻井 中更是如此。在这种情况下 ，井 的许多部分的温度低于 A P I 计算表和对比式 8 0 。 F 的最 低 温 度。 图 2 表 示 C h u r e l n和 n s k i 所做的墨西哥湾海水温度和深度的 关系图。 图 2． 墨西哥湾海水温虚 与井深 的关系 在位 于 中国南海 的马来西 亚海岸地 区， 两种计算温 度模 拟器被用来测定深水钻井 中 的预测温度。这些计算机模拟器允许考虑循 环期间的温度参数。从这些模拟器中输出的 结果来看，特别适 用于建立某一给定井的循 环对比图表，由此可更精确地礴定井下温度 和正确的顶替水泥浆 时间。下面 的实倒表 明 了这些模拟器的使用，以及证明了各种参敷 在油井 中对温度的影响。 井温模拟实例 在 已钻的深水井 中，这些模拟器被用于 计算表层套管在井眼中的温度 见图3 。用 于实例的基础敷据见表 3 ．液体性能见表 4 。 裹3 沮度量拟的基础’救 水 潦 3 8 2 ,8 f t 隔承臂 1 9 内径 泥线温度 3 8 ． F 海面温度 7 6 ． F 套瞥直径 1 3 裸眼直径 1 9 l 7 5 0 ％扩径 钻杆 直径 5 总井裸 垂潦 1 0 1 2 5 V , KB 井底静止温度 1 8 0 “ F ■ 3 ． t担井的 1 3 尾臂柱结构 囊 ● ■麒撤的藏体性■ ． 囊■ 密度 P 人口毒度 蠢体 m l ml I b ／ 1 0 0 2 0 0 0 1 1 掘t 1 0 l 1 ． 4 2 5 2 5 9 5 砷b U冉木 丁 1 0 ． 0 l 铺5 b b l ■墓 7 l 2 5 3 0 7 6 8 6 I 晨墓 7 1 5 ． B 4 4 5 5 9 8 7 b b l 掘墓 8 l 1 ． 4 2 5 2 5 9 5 表 5 饲出了两种模拟器与A P I 方法确定 的循环温度的对 比结果 。此结果是在井 眼内 用钻具循环泥浆时模拟的，也是 A P I 对 比式 所采用的垒部数据的基本性质。显然，以前 的A P I 计算表，甚至在 1 9 9 7年公布的修订 计算表和对比式每不完垒适用于确定深水条 件的温度。 囊 l 井内青钻柱的薯报螬暴 方洼 计算温度 ’ F 曩担鼍 A 9 9 一擅■B 1 0 8 A I P t 卸E 1 o 。1 9 9 0 1 4 4 A lP [ R P 1 0 B ，1 9 9 ／ 1 舶 。 ㈣ 姗 维普资讯 第十六卷1 9 9 8 年第 5 期 两种计算机模拟器给出的结果都明显低 于 P L P I 的预期值。 这些模拟器也可用于预测 井服内下套管 后循环泥浆时的温度 。其结果见表 6 。 裹 6 由横I | 【 ■算出的注水泥噩度 温度 下 井深 方法 条件 井庭 最大 f t 模拟器 B 基本情况 l O 2 模搬器 A 基奉情 况 I G 2 1 0 7 8 0 0 0 模拟嚣 A l 7 裸跟 l 0 2 1 O 6 8 0 0 0 模拟嚣 A 潮流 3 0 0 f t ／ m n 9 2 9 7 8 0 0 0 模拟嚣 A 陆上油井 1 1 2 1 1 9 B 0 0 0 上述结果表明 了一些 变量对 油井 内计算 循环温度的影响。列 出的这些数据是计 算水 泥浆到达总探 度时的温度 ， 以及完成 注水泥 时 碰塞时 l最大l蹑度的深 度 图 4表示运 用模拟器 A的基础数据 ，在碰塞时的深度 一 温度关系。图 5表示在套管鞋处 温度 一时间 关系，并与使甩 AF I S g e e 1 0的温度计算表 的 计算温度作 比较。 图4 ． 水泥塞碰压时的温度曲线 由此分析 可见 1 水泥浆所受温度的影响不同于 A P I 计算表所计算 出的温度 对照表 5和图 5 。 2 井底 的温度比井 口的温度低。此现 象也是 由 C o o k e 等人在对 陆上油井套管 注水 泥期间进行环空测量中观察到 的。 1 加 赠 1 0 0 一 一一 API B 一 7 ⋯～ f l _ ● I l 时问 图 5 ． 1 3 管鞋处 的温度 曲线 3 考虑海流时的温度 比不考虑 海流时 的温度低。 4 具有类似特征的陆上 油井 ，将 有一 个高于 l 5 ～2 0 。 F的温 度 假 定地 面温 度为 7 5 。 F 。 5 两种模拟器给出的结果明显相似。 使用模拟器 A时 ，只对泥浆循环作了 比 较 无注水泥流体 。这些数据见表 7 。 裹 7 仅有泥浆循环的模拟结果 井庭 最大 h m 血 基本 情 l 0 6 l O 7 2 5 0 l 03 1 0 7 7 5 8 I G4 1 0 8 2 4 0 0 6 5 ． F泥浆 8 7 9 0 2 4 0 0 蔚上 6 5 ’ F泥浆 9 3 1 0 0 2 4 0 0 在泥浆循环 时模拟 的结 果与注水 泥时结 果之间投有大的差别。这里关键 的结果是 1 在泥浆 池里循 环 温度较 低 的泥浆 ， 使得环空 的温度 大大降 低 6 5 F对 应 9 5 F 泥浆的基本数据 。 维普资讯 2 陆上油井的实际温度 比深水油井的 更高 ，既使注入温度较低 。 此外还 也 可对 浅 部 的管 柱进 行 了模拟 2 0 套管下到 6 3 3 Ⅱ t 。油井的数据如表 8所 示。液体性能见表 9 。 裹8 2 矿套蕾散据 套菅直径 2 if 深度 6 3 3 1 f t 隔水管 无 裸取 2 C 井底辛 r l- m 度 裹 9 2 套蕾的{ 复体性能 泵量 密度 P T y 口 温 藏体 机 】 b ／ 每 c p s 】b ／ 1 0 0 F 4 0 0 b b l 海水 1 0 B ． 5 1 7 5 2 0 0 b b l 镊浆 7 1 1 ． 5 2 0 5 0 8 0 4 0 b N尾蒙 7 1 5 ． 8 4 4 5 5 9 5 盯8 b b 泥浆 1 0 1 0 ． 0 1 5 5 0 7 2 用 2 0 7 管模拟 使用模拟器 A的结果 见表 l 0 。 裹 1 0 2 套蕾的注水泥温度 最太置度 地程 条件 袋装水 泥 下 ‘ ． F 无 毒藏 最初 7 4 3 8 量后 7 6 9 5 海瘴 3 f t ／ mi n 最初 6 3 3 8 最后 6 3 9 5 图 6 ～图 7分别表示在 管鞋处无海流和 有海流 3 0 0 f t ／ ml n 3 ． O k 时温度 一时间模拟 图。图 8 --图9表示相同的上述两种条件下， 泵送最后一包水泥的温度和深度。从 这些结 果髂观察到如下现象 1 当隔水管 较短 和地层温 度较低 时 ， 环空注水泥温度低于在实验室里所测定 的大 气温度。 7 5 孵 一一 P J日 ” ／ 、 ● O 时间 h r 图6 ． 无海流时 2 0 “ 套管鞋处的温度曲线 7 5 嘣 -- ⋯ -- A PIt I ⋯ CT ＼ - ＼ | ＼ ＼ 时商 h r 图 7 ． 有海流时 3 O f t ／ a fi n 2 套管 鞋处的温度曲线 图 8 ． 无 海流时最后 一袋水泥 泵人 2 0 “ 套管的温度 曲线 2 环空水泥浆 温度低于混合温度。为 了正确重演实验中的水泥固井条件 ，必须在 较高的温度下混合水泥 ，以反映水 泥浆 在井 维普资讯 第十六卷1 ， ， 8车第5期 图 9 ． 有海藏 3 0 0 f t ／ ml n 时最后一袋 水泥泵人 2 套臂时的温度曲线 场的最大温度。这种 温度对 比图表实际上是 低温对比图表，而不是常规的A P I 温度对比 图表。 3 当考虑海流时，循环拄水泥温度大 约比油井条件下低 l O 。 F 。 结 论 l 在深水钻井 中建立 正确 的温度 数据 ， 对包括尾管的每一种套管柱的水泥浆设计， 都是至关重要的 。 2 使用计算机温度模拟方法可给出深水 钻井 中更正确的温度数据。这些计算井底循 环温度的方法通常比使用 A P I 方法需要更多 的油井数据。 3 井底静态温度和井底循环温度是用于 水泥浆设计的初始温度。在深水注水泥作业 中应采用不同于 AP I 预期温度的井底注水泥 温度。 4以前 的 和 1 9 9 7年公 布的 A PI 计算 表，都不应该在深水钻井作业中使用。 建议和补充工作 1 把测量井下温度的工具与计算机模拟 器结合使用，有助于改进深水作业的水泥浆 设计 。 2 作业和服务公司的全体人员必须紧密 配合，以测定深水钻井中的注水泥温度。 3 在那些深水钻井 中进行精确的温度测 量 ，有助于计算温度模拟模型发挥作用。 4 为深水钻井作业提供室内试验的实验 室， 必须具有测试大气温度下测定水泥浆性 能的能力。 5 最近 ，I S O第二工作组和第三专业委 员会 ．对用于 深水钻井作业 中的温度进行 了 研究 。 译 自S P E／ l A DC 3 9 1 5 。 上接封四考虑了孔板钢材、井位所处地理位置对产量的影响， 提高了准确度 表4 。 裹 4 模式改进后和改进前计算气产■比较 静压 压差 l 改 进翦 I 改进后 f 提高 序号 P f I -1 w l F b I J F b l 『 ％ 1 3 9 9 ． 5 8 1 1 8 ． 6 7 l 1 9 0 7 ． 8 l 3 7 6 1 9 6 I 1 ． 8 l 3 8 0 5 9 2 l 1 ． 1 7 2 瑚 ． 9 3 8 2 ． 3 2 l 1 9 0 7 ． 8『 2 9 4 2 3 4 I 1 9 0 7 ． 8 l 2 9 7 9 8 2 j 1 ． 2 5 3 3 5 3 ． 1 2 8 ． 8 7 l 3 7 0 0 5 8 1 9 0 7 ． 8 l 3 7 4 1 7 1 l 1 ． 1 j 4 ． 资料录取置资料解释 在塔里木三个月 的应用 中，完成 测试 四要。 井次，基本取全 四口井 的测试 资料 ，并 录入 数据库 中。 结 论 LS A S 设计合理、功能齐全，计算准确。 2 ． 符合国、内外油藏测试标准及贯倒。 3 ． 满足海上和陆地油、气田开发的需 参考文献 1 ． 中国海洋石油总公司勘探监督手册测 试分册 2 ． nI q 脚 k ／ D Us e r s Ma n u a l Vo l u e m 1 维普资讯