黃浩,李陽發(fā),孫詩杰 (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院,四川 成都 610000)

馬睿思,鄭雙進(jìn) (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100)

固井施工設(shè)計模擬與監(jiān)控軟件的開發(fā)

黃浩,李陽發(fā),孫詩杰 (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院,四川 成都 610000)

馬睿思,鄭雙進(jìn) (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100)

隨著石油天然氣勘探開發(fā)工作的不斷深入,固井地質(zhì)條件與施工工況日益復(fù)雜,對于保障和提高固井質(zhì)量提出了更高要求。在系統(tǒng)總結(jié)固井技術(shù)成果的基礎(chǔ)上,針對固井設(shè)計、模擬、監(jiān)控及分析技術(shù)開展系統(tǒng)深入的研究,開發(fā)了一套集固井設(shè)計、固井模擬、固井監(jiān)控及事后分析評價等功能于一體的固井施工設(shè)計模擬與監(jiān)控軟件。介紹了軟件的總體架構(gòu),闡述了固井工程數(shù)據(jù)管理、固井設(shè)計、固井模擬、固井監(jiān)控及分析評價功能模塊的功能特點。該軟件的開發(fā)有助于提高固井施工設(shè)計與分析的科學(xué)性和便捷性,并對固井施工過程進(jìn)行實時監(jiān)控和分析評價,有助于保障和提高復(fù)雜井固井質(zhì)量。

固井工程數(shù)據(jù)管理;固井設(shè)計;固井模擬;固井監(jiān)控;分析評價

近年來,隨著我國石油天然氣勘探開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,特殊工藝井和復(fù)雜井越來越多,固井地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,對于保障固井質(zhì)量提出了更高要求。由于固井工程技術(shù)的迅速發(fā)展,固井設(shè)計、模擬和分析相關(guān)理論也在不斷更新。因此,為了滿足特殊工藝井和復(fù)雜井固井施工需要,結(jié)合最新理論方法開發(fā)一套固井施工設(shè)計模擬與監(jiān)控軟件,實現(xiàn)了固井施工設(shè)計與模擬、固井施工實時監(jiān)控、固井施工分析評價等功能,以切實滿足固井現(xiàn)場施工需要,保障和提高固井質(zhì)量,并促進(jìn)固井信息化建設(shè)。

1 軟件總體架構(gòu)

為了滿足油田現(xiàn)場對固井軟件的功能需求,該軟件總體包括固井施工數(shù)據(jù)管理、固井施工設(shè)計、固井施工模擬、固井施工監(jiān)控、固井施工分析5大功能模塊,軟件總體架構(gòu)如圖1所示。

2 軟件功能模塊

2.1 固井施工數(shù)據(jù)管理功能模塊

圖1 固井施工設(shè)計模擬與監(jiān)控軟件總體架構(gòu)圖

固井施工數(shù)據(jù)管理模塊建設(shè)有種類齊全、類型豐富的數(shù)據(jù)庫,主要針對固井材料數(shù)據(jù)、固井設(shè)計數(shù)據(jù)、固井模擬數(shù)據(jù)、固井監(jiān)控數(shù)據(jù)、固井分析數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化管理,為設(shè)計、模擬、監(jiān)控和分析功能提供強大的數(shù)據(jù)支撐,提高數(shù)據(jù)管理的便捷性[1]。固井施工數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 固井施工數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

2.2 固井施工設(shè)計功能模塊

2.2.1 套管柱設(shè)計模塊

套管柱設(shè)計模塊包括套管柱強度設(shè)計子模塊、套管柱強度校核子模塊、套管柱居中設(shè)計子模塊、套管柱居中校核子模塊。

1)套管柱強度設(shè)計子模塊 該模塊主要根據(jù)設(shè)計井的地質(zhì)條件和施工工況,計算套管有效外載,并優(yōu)選套管柱組合和設(shè)計各段套管的下入深度,繪制有效外載和套管強度的對比曲線。該模塊考慮了定向井套管彎曲應(yīng)力、套管摩阻、鹽膏層外擠壓力,井下高溫高壓等多因素的影響,適用井況廣泛。

2)套管柱強度校核子模塊 該模塊基于井下地質(zhì)條件與施工工況,計算套管有效外載,并與給定套管柱組合的強度進(jìn)行比較,分析判別套管是否安全,并繪制有效外載和套管強度的對比曲線。

3)套管柱居中設(shè)計子模塊 套管居中程度是影響固井質(zhì)量的一個重要因素。該模塊在對扶正器力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上,綜合考慮井斜、井徑、套管等因素的影響,優(yōu)化設(shè)計扶正器的安放位置,以保證套管居中度滿足提高固井質(zhì)量的需要,并繪制套管居中度曲線。

4)套管柱居中校核子模塊 該模塊可根據(jù)實際井況,計算給定套管扶正器安放位置情況下的套管居中度,分析判別能否滿足固井施工需要,為用戶提供技術(shù)參考。

2.2.2 注水泥設(shè)計模塊

注水泥設(shè)計模塊主要包括環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計、替漿流體用量計算和注水泥流變學(xué)設(shè)計子模塊。

1)環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計子模塊 該模塊根據(jù)實際電測井徑逐段積分精確計算固井流體用量,并通過計算失重前和失重后的環(huán)空壓力情況,判別環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,便于指導(dǎo)用戶優(yōu)化環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2)替漿流體用量計算子模塊 該模塊可自動計算頂替管柱內(nèi)容積,并根據(jù)注水泥施工工藝智能默認(rèn)替漿流體分類及用量,大大減小了用戶的錄入工作量。

3)注水泥流變學(xué)設(shè)計子模塊 該模塊可計算多種流變模式下的固井流體流變參數(shù),并優(yōu)化設(shè)計注水泥施工替漿排量,計算最終頂替泵壓,分析判別環(huán)空壓力的安全性。

2.3 固井施工模擬功能模塊

該模塊包括三維實際井眼模擬、下套管可行性模擬、下套管大鉤載荷模擬、下套管環(huán)空壓力模擬、注水泥過程動態(tài)模擬和固井頂替效率模擬功能模塊。

2.3.1 三維實際井眼模擬模塊

該模塊可根據(jù)實際井眼的測斜及方位數(shù)據(jù)模擬三維實際井眼,并支持拖動、翻轉(zhuǎn)查看等操作,便于用戶直觀了解實際井眼形狀,模擬界面如圖3所示。

2.3.2 下套管可行性模擬模塊

該模塊可通過分析單扶組合、雙扶組合、三扶組合及多扶組合鉆具的剛性,推薦設(shè)計一套能夠真實模擬套管柱剛性的通井鉆具組合,以模擬套管能否順利下入。

2.3.3 下套管大鉤載荷模擬模塊

在水平井及大位移井固井下套管作業(yè)過程中,由于多因素的影響,容易出現(xiàn)下套管遇阻遇卡現(xiàn)象,該模塊可通過計算模擬下套管過程中的大鉤載荷及摩阻變化情況,分析套管的下入能力[2]。

2.3.4 下套管環(huán)空壓力模擬模塊

該模塊可準(zhǔn)確計算不同下套管速度下的波動壓力及總壓力,并繪制壓力隨套管下入速度的變化曲線,判別井筒壓力是否安全,為確定合理的下套管速度提供參考。

2.3.5 注水泥過程動態(tài)模擬模塊

在注水泥施工過程中,由于注入流體類型較多,施工工序復(fù)雜,還容易產(chǎn)生“U”型管效應(yīng),因此井內(nèi)壓力和流量在不斷變化,開發(fā)該模塊對注水泥過程進(jìn)行動態(tài)模擬十分必要。該模塊考慮了井斜、井徑、溫度、流體性能等因素的影響,可對注水泥施工過程中的井口壓力、井底壓力、井內(nèi)流量、真空段長度、環(huán)空流體返速以及注水泥動態(tài)過程進(jìn)行模擬[3],便于用戶直觀掌握注水泥施工過程中的井下流動狀況和井筒壓力流量變化規(guī)律,分析判別注水泥施工設(shè)計的合理性,為注水泥施工提供技術(shù)指導(dǎo),模擬界面如圖4所示。

圖3 三維實際井眼模擬界面

圖4 注水泥過程動態(tài)模擬界面

2.3.6 固井頂替效率模擬模塊

固井頂替效率是反映固井質(zhì)量的一個重要指標(biāo),施工之前對固井頂替效率進(jìn)行預(yù)測與模擬,有助于指導(dǎo)用戶調(diào)整和優(yōu)化固井施工方案。筆者綜合考慮了井眼質(zhì)量、套管居中情況、泥漿性能、固井流體以及注水泥施工參數(shù)等因素的影響,結(jié)合驅(qū)替力理論開發(fā)了該模塊。該模塊可預(yù)測水泥封固段的頂替效率,并可繪制頂替效率隨井深變化曲線、頂替效率縱向剖面云圖,以及任一橫向剖面的頂替效率云圖,用戶可以直觀查看任一深度橫向剖面的套管居中情況和泥漿頂替情況,為優(yōu)化固井施工方案提供指導(dǎo),模擬界面如圖5所示。

圖5 固井頂替效率模擬界面

2.4 固井施工監(jiān)控模塊

固井施工作業(yè)程序復(fù)雜,注入流體種類較多,但目前仍然多依靠經(jīng)驗進(jìn)行施工,難以有效保障復(fù)雜井的固井質(zhì)量。因此,開發(fā)固井施工實時監(jiān)控模塊對固井施工進(jìn)行全程監(jiān)測和控制顯得十分迫切,有助于用戶全面了解井下壓力、流量等施工情況,遇井下復(fù)雜情況時便于用戶及時科學(xué)決策,以有效減少井下復(fù)雜情況,充分保障固井質(zhì)量。

筆者結(jié)合我國固井水泥車硬件采集裝置的特點,開發(fā)了固井施工監(jiān)控模塊。該模塊可以對注水泥施工流體密度、排量和壓力參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測,實時計算井底及關(guān)注點的壓力、井內(nèi)實際流量和真空段長度等重要參數(shù),通過數(shù)字、儀表、曲線等多種形式直觀顯示參數(shù)變化情況,且監(jiān)測和計算的數(shù)據(jù)可以實時保存,并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)回放,可為用戶提供一手固井施工資料。

2.5 固井施工分析功能模塊

固井施工分析是指固井施工結(jié)束以后,對固井施工過程進(jìn)行分析評價,預(yù)測固井施工質(zhì)量,有助于分析判別固井施工設(shè)計與固井施工措施的合理性,總結(jié)固井設(shè)計與施工經(jīng)驗,為后續(xù)固井作業(yè)提供參考。

固井施工分析模塊包括固井施工質(zhì)量評價與固井水泥環(huán)密封完整性分析2個子模塊。固井施工質(zhì)量評價主要是通過對聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制聲波測井曲線,評價固井質(zhì)量。固井水泥環(huán)密封完整性分析模塊可結(jié)合水泥石的實驗強度,對水泥環(huán)進(jìn)行應(yīng)力分析,確定水泥環(huán)能夠承受的最大允許內(nèi)壓力,為后續(xù)鉆進(jìn)、壓裂等施工作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo),延長水泥環(huán)壽命。另外,該模塊還可分析固井第一界面的微間隙產(chǎn)生條件,并模擬微間隙隨井深變化曲線,為后續(xù)施工提供技術(shù)參考。

3 結(jié)論與認(rèn)識

1)開發(fā)了一套集固井設(shè)計、固井模擬、實時監(jiān)控及事后分析評價等功能于一體的固井施工設(shè)計模擬與監(jiān)控軟件,有助于提高固井設(shè)計與分析水平和固井質(zhì)量,縮短與國外同類軟件的差距,并促進(jìn)我國固井工程信息化建設(shè)。

2)綜合考慮井眼質(zhì)量、套管居中情況、泥漿性能、固井流體以及注水泥施工參數(shù)等因素的影響,開發(fā)了固井頂替效率模擬功能模塊,為優(yōu)化固井施工參數(shù)提供參考。

3)結(jié)合我國固井水泥車硬件采集裝置的特點,開發(fā)了固井施工與監(jiān)控功能模塊,對注水泥施工流體密度、排量和壓力參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測、分析和輔助控制,有助于全面了解井下施工情況,及時科學(xué)決策以提高固井質(zhì)量。

4)為了進(jìn)一步提升軟件水平,還應(yīng)加強固井施工分析評價技術(shù)研究,建立固井施工分析評價專家系統(tǒng),實現(xiàn)專家知識與經(jīng)驗的共享,朝向智能化方向發(fā)展[4]。

[1]黃志強.SQL Server在固井?dāng)?shù)據(jù)管理中的應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2009,6(1):72-74.

[2]黃志強.定向井下套管摩阻數(shù)值計算及其應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程,2009,23(4):79-81.

[3]黃志強.注水泥動態(tài)過程研究與計算機(jī)模擬[J].特種油氣藏,2009,16(3):92-94.

[4]徐璧華,何松,何可.高溫超壓地層固井平衡壓力注水泥軟件設(shè)計[J].西部探礦工程,2012(7):75-81.

[編輯]洪云飛

TE256.1;TP39

A

1673-1409(2014)25-0030-04

2014-05-15

國家科技重大專項(2011ZX05021-006)部分研究成果。

黃浩(1992),男,現(xiàn)主要從事石油工程專業(yè)的學(xué)習(xí)。