本發(fā)明涉及油氣鉆井工程，具體涉及一種頁(yè)巖氣水平井水平段井眼與套管選型評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著頁(yè)巖油氣氣勘探開(kāi)發(fā)逐步轉(zhuǎn)向深層、常壓、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)等區(qū)塊，單井eur產(chǎn)量降低，為確保實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)，就需要鉆井持續(xù)降低鉆井成本，通過(guò)工程投資成本的降低達(dá)到低產(chǎn)區(qū)效益開(kāi)發(fā)動(dòng)用。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)水平井井身結(jié)構(gòu)及配套技術(shù)進(jìn)行分析，在持續(xù)降本上現(xiàn)有常規(guī)井身結(jié)構(gòu)存在先天性的缺陷。如各開(kāi)次井眼大鉆進(jìn)破巖所需鉆頭、螺桿等工具尺寸大，鉆壓要求高，整體能耗高、機(jī)械鉆速持續(xù)提升遇瓶頸；井眼尺寸大破巖后產(chǎn)生巖屑量大，特別是目的層段采用油基鉆井液后油基鉆屑量大、處理成本高、環(huán)保安全風(fēng)險(xiǎn)高；大尺寸井眼井壁面積大，易鉆遇漏失，同時(shí)鉆井液接觸面積大、每米消耗量更高，造成鉆井液成本高；大尺寸井眼對(duì)應(yīng)鉆具組合、下入套管用量與負(fù)荷更大，要求采用更高級(jí)別鉆機(jī)，造成設(shè)備投入與套管成本降低困難；大尺寸井眼與套管環(huán)空間隙過(guò)大，且環(huán)空容積大消耗水泥量多，整體固井成本降低困難，難以滿足常壓、低豐度頁(yè)巖油氣效益開(kāi)發(fā)，制約大量的低產(chǎn)區(qū)塊效益動(dòng)用。同時(shí)隨著開(kāi)發(fā)技術(shù)政策調(diào)整，以及壓裂工藝段、簇、工藝參數(shù)的變化調(diào)整和地層壓應(yīng)力場(chǎng)的變化，新老區(qū)壓裂施工泵壓差異較大，對(duì)完井水平段套管尺寸和耐壓級(jí)別要求有了新的變化；部分新井探井要求實(shí)現(xiàn)最大發(fā)改造充分發(fā)現(xiàn)油氣資源，因此對(duì)套管要求高，同時(shí)老井剩余氣調(diào)整井要求盡可能降低開(kāi)發(fā)成本，受地層和壓裂縫長(zhǎng)等因素影響泵壓和排量較低，對(duì)套管要求相對(duì)較低。因此，急需根據(jù)非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)實(shí)際，發(fā)明一種頁(yè)巖水平井水平段井眼與套管選型評(píng)價(jià)方法，為各區(qū)塊水平段套管和井眼選型提供參考。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種頁(yè)巖氣水平井水平段井眼與套管選型評(píng)價(jià)方法。

2、本技術(shù)的實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、本技術(shù)實(shí)施例提供一種頁(yè)巖氣水平井水平段井眼與套管選型評(píng)價(jià)方法，其特征在于，包括如下步驟：

4、步驟一，針對(duì)不同工區(qū)頁(yè)巖氣水平井，結(jié)合埋深、破裂壓力系數(shù)、部署水平段長(zhǎng)及壓裂改造要求，開(kāi)展不同井眼裸眼延伸能力、鉆進(jìn)延伸能力、不同尺寸套管下入能力和固井水泥環(huán)滿足壓裂要求的相關(guān)分析，明確不同尺寸套管、井眼的差異性，完成套管和井眼的理論選型；

5、步驟二，結(jié)合現(xiàn)有套管、鉆頭井下工具配套能力，開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性與可行性評(píng)價(jià)，最終構(gòu)建水平段井眼與套管選型評(píng)價(jià)流程。

6、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟一中所述套管和井眼的理論選型具體包括如下內(nèi)容：

7、步驟s1)，套管尺寸變化對(duì)壓裂排量或改造的影響：

8、結(jié)合壓裂施工壓力計(jì)算模型，以現(xiàn)有生產(chǎn)套管和壓裂裝備限壓為約束條件進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合不同頁(yè)巖氣區(qū)塊儲(chǔ)層合理改造對(duì)排量的要求，開(kāi)展生產(chǎn)套管減小對(duì)壓裂施工泵壓和排量的分析；

9、步驟s2)，套管尺寸變化對(duì)套管下入能力的影響：

10、依據(jù)現(xiàn)有的延伸能力計(jì)算模型進(jìn)行模擬，開(kāi)展同一固定井眼下，套管尺寸變化對(duì)套管下入能力影響的分析；

11、步驟s3)，套管選型：

12、通過(guò)上述步驟的計(jì)算分析，套管下入能力滿足水平段長(zhǎng)，以及套管抗耐壓滿足壓裂改造排量要求是套管選型主要因素，在同時(shí)滿足兩種因素的情況下得出套管尺寸；

13、步驟s4)，水平段井眼尺寸變化對(duì)裸眼延伸能力的影響：

14、基于裸眼延伸極限，即，井底鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度小于破裂壓力系數(shù)的前提下，考慮排除攜巖因素影響，按照不同尺寸井眼采用相同流速和鉆具組合進(jìn)行計(jì)算，分析同一鉆具在不同井眼尺寸下裸眼延伸能力；

15、步驟s5)，水平段井眼尺寸和套管尺寸匹配下對(duì)固井的影響：

16、基于現(xiàn)有的套管-水泥石-地層組合體彈塑性力學(xué)模型，求取不同井眼間隙等效應(yīng)力，得出對(duì)應(yīng)固井水力石性能指標(biāo)要求，分析水泥環(huán)間隙縮小對(duì)水泥石力學(xué)性能影響和滿足壓裂對(duì)間隙的要求；

17、步驟s6)，井眼選型：

18、根據(jù)步驟s4和s5的分析，在套管尺寸選擇后，固井水泥環(huán)的等效應(yīng)力，以及裸眼延伸能力是主要因素，同時(shí)滿足上述兩種因素得出井眼尺寸。

19、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟s1中所述壓裂施工壓力計(jì)算模型如下：

20、pwh＝pwf-ph+δpwh+δpperf

21、其中：pwh、pwf分別為井口壓力、井底壓力；ph為壓裂液靜液柱壓力；δpwh、δpperf分別為沿程摩阻、孔眼摩阻；

22、沿程摩阻用公式表示為：δpwh＝δ(δp0)

23、δp0＝1.386×1012d-4.8q1.8l，

24、式中：δ為降阻比，無(wú)因次；δp0為清水的管柱沿程摩阻；d為管柱的內(nèi)徑；q為施工排量；l為管長(zhǎng)；

25、降阻比δ的計(jì)算公式采用lord等人提出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸公式：

26、

27、式中：g為稠化劑濃度；c為支撐劑濃度；

28、孔眼摩阻用公式表示為：

29、式中：q為施工排量；ρ為液體密度：np為孔眼數(shù)；dp為孔眼直徑；cd為修正系數(shù)，取值為0.8-1.0；

30、井底壓力pwf根據(jù)已實(shí)施井的延伸壓力獲??；

31、靜液柱壓力：ph＝ρgh，式中：ρ為壓裂液密度；h為氣井垂深。

32、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟二中所述套管和井眼最終選型包括如下內(nèi)容：根據(jù)理論選型流程計(jì)算出的套管和井眼，以及結(jié)合工業(yè)配套現(xiàn)狀與施工技術(shù)能力確定，再按照常規(guī)流程進(jìn)行上部開(kāi)次井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后按照要求進(jìn)行定額核算，選擇最經(jīng)濟(jì)選型。

33、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟s2中所述延伸能力計(jì)算模型包括如下內(nèi)容：

34、延伸極限包括鉆柱作業(yè)極限和套管下入極限，取決于鉆井導(dǎo)向模式、管柱強(qiáng)度、地面鉆機(jī)負(fù)荷，井眼延伸極限的目標(biāo)函數(shù)為：

35、

36、其中，l為目標(biāo)井深函數(shù)；l(.)為井下管柱整體受力模型；p代表約束參數(shù)，具體指大鉤載荷、鉆頭鉆壓、鉆頭扭矩參數(shù)；d代表設(shè)計(jì)參演數(shù)，具體指管柱組合、井眼軌跡、減阻接頭參數(shù)；p為約束參數(shù)p的許可空間，具體形式以約束條件的形式給出；p*為最優(yōu)約束參數(shù)，在最優(yōu)約束參數(shù)下井深取得最大值；c代表具體的操作工況，包含滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)模式下的管柱上提和下入；

37、對(duì)于某一特定的鉆機(jī)而言，大鉤上提過(guò)程中軸向拉力是有上限的，其約束條件為：

38、大鉤的下放過(guò)程中，大鉤上的軸向拉力存在下限值，對(duì)應(yīng)的約束條件為：

39、地面轉(zhuǎn)盤(pán)額定扭矩對(duì)應(yīng)的約束條件為：

40、其中：-fh為地面位置管柱上的軸向力；為鉆機(jī)的額定提拉載荷；為大鉤下放最小提拉載荷，通常該值取零，即完全下放狀態(tài)；mth為地面位置管柱上的扭矩；為轉(zhuǎn)盤(pán)的額定扭矩；

41、管柱滑動(dòng)上提過(guò)程中，卡鉆的發(fā)生將會(huì)導(dǎo)致上提遇阻。采用在鉆頭位置認(rèn)為施加一上提阻力模擬井下卡鉆，其對(duì)應(yīng)的約束條件為：-fb＝tstuck；

42、管柱旋轉(zhuǎn)上提過(guò)程中也存在卡鉆情形，此時(shí)不僅軸向力上存在上述約束條件，而且扭矩也存在約束條件如下：mb＝mt?stuck；

43、管柱下入且鉆頭不斷破巖過(guò)程中，要求鉆壓需要超過(guò)一定的門(mén)限值，其約束條件為：

44、由于鉆頭上的鉆壓與扭矩存在近似線性關(guān)系，因此破巖門(mén)限鉆壓同樣對(duì)應(yīng)著門(mén)限鉆頭扭矩，其約束條件為：

45、其中：fb為鉆頭位置管柱上的軸向力n；tstuck為鉆頭卡鉆阻力；mb為鉆頭位置管柱上的扭矩；mt?stuck為鉆頭位置處選注阻扭矩；為破巖門(mén)限鉆壓；為門(mén)限扭矩；k為門(mén)限扭矩與門(mén)限鉆壓之間的近似比例系數(shù)；

46、管柱上軸向力導(dǎo)致管柱截面上產(chǎn)生一個(gè)均勻軸向應(yīng)力，計(jì)算公式為：

47、鉆柱不發(fā)生屈曲失效對(duì)應(yīng)的約束條件為：

48、其中：σt為管柱的真實(shí)軸向應(yīng)力；ft為管柱的真實(shí)軸向力；as為管柱截面面積；f為考慮液壓作用的等效軸向力；σm為考慮液壓作用的軸向應(yīng)力；σ為管柱上的等效應(yīng)力；[σ]為許用的等效應(yīng)力；σs為管柱材料的屈服；n4為安全系數(shù)；

49、根據(jù)管柱軸向運(yùn)動(dòng)方向分成為上提和下放，根據(jù)管柱是否旋轉(zhuǎn)分為滑動(dòng)模式和旋轉(zhuǎn)模式，對(duì)于滑動(dòng)模式而言，延伸極限為滑動(dòng)上提和滑動(dòng)下入的最小值，對(duì)于旋轉(zhuǎn)模式而言，延伸極限為旋轉(zhuǎn)上提和旋轉(zhuǎn)下入的最小值。

50、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟s5中所述套管-水泥石-地層組合體彈塑性力學(xué)模型包括如下內(nèi)容：

51、從理論上講，帶水泥環(huán)的套管柱其強(qiáng)度可按兩種不同材料組合的厚壁圓筒來(lái)分析；從水泥環(huán)套管雙層組合結(jié)構(gòu)在井口附近的實(shí)際工作狀態(tài)考慮，其應(yīng)屬于平面應(yīng)變狀態(tài)，假設(shè)：a，b，c，d分別為第一層套管內(nèi)半徑、外半徑和第二層套管內(nèi)半徑和外半徑，且ec，es分別為水泥和鋼材的彈性模量；c，s分別為水泥和鋼材的泊松比；pi，p1，p2和po分別為第一層套管的內(nèi)壓力、外擠力和第二層套管的內(nèi)壓力和外擠力；

52、為：

53、

54、水泥環(huán)徑向變形為：

55、

56、第二層套管徑向變形為：

57、

58、將r＝b代入第一層套管徑向變形公式和水泥環(huán)徑向變形公式，令二者相等；將r＝c代入水泥環(huán)徑向變形公式和第二層套管徑向變形為公式，令二者相等，得關(guān)于p1和p2的方程組，其中pi和po為已知，求解得到p1和p2的值；

59、徑向與切向應(yīng)力方程為：

60、

61、根據(jù)邊界條件：

62、r＝a時(shí)，

63、r＝b時(shí)，

64、可得內(nèi)層套管的應(yīng)力方程：

65、

66、式中：為套管的切向應(yīng)力；

67、在內(nèi)壁，r＝a時(shí)，應(yīng)力最大，相應(yīng)的von?mises等效應(yīng)力為：

68、

69、如果則套管安全；式中：s為屈服應(yīng)力，n為安全系數(shù)。

70、在一些可選的實(shí)施方案中，所述約束條件包括兩種，一種是套管抗內(nèi)壓性能不超過(guò)80％，第二種是不超過(guò)壓裂裝備的限壓。

71、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟s1中所述相同排量下壓裂施工泵壓隨著套管尺寸減小成指數(shù)增加。

72、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟s2中所述同一井位下套管尺寸越小延伸能力越小。

73、在一些可選的實(shí)施方案中，步驟s5中所述水泥環(huán)間隙縮小等效應(yīng)力會(huì)增大。

74、本技術(shù)的有益效果是：本技術(shù)提供的一種頁(yè)巖氣水平井水平段井眼與套管選型評(píng)價(jià)方法，通過(guò)井眼尺寸與套管尺寸與滿足壓裂要求的相關(guān)因素的影響分析，明確不同尺寸套管、井眼的差異性，完成套管和井眼的理論選型；結(jié)合經(jīng)濟(jì)性與可行性評(píng)價(jià)，最終完成水平段井眼與套管選型，為各區(qū)塊水平段套管和井眼選型提供參考。