一种水泥浆塑态体积收缩率的确定方法

摘要

本发明公开了一种水泥浆塑态体积收缩率的确定方法，依次包括以下步骤：（1）获取套管、井眼相关尺寸参数；（2）获取套管、地层岩石相关力学参数；（3）确定油气井相关工况参数；（4）计算储层压力、水泥浆初始液柱压力；（5）计算水泥浆的等温压缩系数；（6）配制水泥浆进行失重实验，并确定水泥浆终凝时间；（7）按相似性对比原则确定实际工况下的孔隙压力下降曲线；（8）计算水泥浆塑态体积收缩率。本发明水泥浆塑态体积收缩率数学模型综合考虑了井下套管、地层的实际受力工况和水泥浆的失重性能，原理可靠，操作简单，能有效确定水泥浆在凝结过程中的塑态体积收缩率变化规律，为水泥浆塑态体积收缩率的确定提供了一种科学的方法。

主权项

一种水泥浆塑态体积收缩率的确定方法，依次包括以下步骤：(1)获取套管、井眼相关尺寸参数：包括套管内半径r_i、外半径r_o，井眼半径r_w；(2)获取套管、地层岩石相关力学参数：包括套管的弹性模量E_case、泊松比μ_case，地层岩石的弹性模量E_f、泊松比μ_f；(3)确定油气井相关工况参数：包括井深H，地层压力系数P_T，电测井温T，钻井液密度ρ_d，水泥浆密度ρ_s、水固比w/s；(4)按公式P_f＝P_T·H计算储层压力P_f；按公式P_s0＝ρ_s·g·H计算水泥浆初始液柱压力P_s0；(5)根据Brill‑Begges经典模型，按下列公式计算水泥浆的等温压缩系数C_cem：$\left.\begin{array}{c}{C}_w=[A+B(0.05625T+1)+C{(0.05625T+1)}^2]\times {10}^{-4}\\ A=5.59062-0.0281881P_f\\ B=-0.48825+0.0032109P_f\\ C=0.058318-0.00018956P_f\end{array}\right\}$$C_{\mathrm{cem}}=\frac{w/s}{1+w/s}{C}_w;$(6)配制水泥浆进行失重实验，实验模拟环空尺寸为r_w‑r_o，取模拟浆柱为1m，实测模拟井筒环空底部浆柱压力P_s′随时间的变化规律：P_s′(t)～t；失重实验的同时，同步用维卡仪测试确定水泥浆的终凝时间t_终凝；(7)计算相似比按相似性对比原则：P_s(t)＝P_s′(t)·H，确定实际工况下井底浆柱压力随时间的变化规律：P_s(t)～t，进而确定实际工况下孔隙压力下降曲线：ΔP_pore(t)＝P_s0‑P_s(t)；(8)按如下水泥浆塑态体积收缩率解析计算模型计算水泥浆体积收缩率随时间的变化关系：γ(t)～t；并由步骤6所测定的终凝时间t_终凝确定终凝时的水泥浆塑态体积收缩率：$\gamma =2r_o^2\frac{(1+{\mu }_{\mathrm{case}})[-r_i^2+(2{\mu }_{\mathrm{case}}-1)r_o^2]\Delta p_{\mathrm{pore}}}{E_{\mathrm{case}}(r_o^2-r_i^2)(r_w^2-r_o^2)}+2{r_w}^2\frac{1+{\mu }_f}{E_f(r_w^2-r_o^2)}\Delta p_{\mathrm{pore}}+\frac{C_{\mathrm{cem}}(d_w^2-d_o^2)\Delta {p_{\mathrm{pore}}}^{1/4}}{\pi (r_w^2-r_o^2)}$式中：r_i、r_o、r_w——分别表示套管内半径、套管外半径、井眼半径，mm；A、B、C——均为任意常数，无量纲；Δp_pore——水泥浆孔隙压力变化值，Pa；μ_f、μ_case——分别表示地层、套管的泊松比，无量纲；E_f、E_case——分别表示地层、套管的弹性模量，Pa；C_cem、C_w——分别表示水泥浆、水的等温压缩系数，MPa^‑1；d_w、d_o——分别表示井眼直径、套管外径，mm；P——地层压力，MPa；T——地层温度，℃；w/s——水固比，无量纲；γ——水泥浆塑态体积收缩率，％。