本发明涉及石油与天然气窄压力窗口固井水泥浆技术，尤其涉及一种浆柱结构设计方法及双凝双密度浆柱。
背景技术：
在石油与天然气的开采过程中，固井是钻井作业过程中的重要环节，主要目的是保护和支撑油气井内的套管、封隔油、气和水等地层。具体地，固井是指向井内下入管套，并向井眼和套管之间的环形空间注入浆体的施工作业；其中，钻井液、隔离液、领浆、尾浆等浆体构成了固井环空浆柱结构。
针对下部复杂窄压力窗口井段的固井施工，目前，主要是通过减小浆体密度差、降低施工参数、采用正注反挤等非常规固井工艺作业的措施来解决窄压力窗口固井井漏、环空顶替效率低的问题。由于浆柱的结构设计是影响窄压力窗口固井环空顶替效率低、井漏频发的主要因素，目前常规采用的双凝双密度浆柱结构设计主要是采用前置液、领浆、尾浆密度依次递增的浆柱结构，这种结构仅设计虽然能够满足压稳和不漏的原则，但在地层压力系数较高的地层，其密度差梯度受到压力窗口窄的限制并不能有效提高，因此，在提高环空顶替效率方面效果并不理想。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种浆柱结构设计方法及双凝双密度浆柱，能够充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，在满足压稳和不漏的原则下增大环空顶替效率，有效减少固井漏失，提高窄压力窗口固井合格率。
本发明的第一方面是提供一种浆柱结构设计方法，包括：
确定浆柱中各浆体的密度；其中，领浆密度大于钻井液密度，尾浆密度小于所述领浆密度；
根据所述浆体的密度及环空压力，确定所述浆体的长度；
根据各浆体的密度及长度，判断所述浆柱的结构是否合理。
进一步地，顶替液密度大于所述钻井液密度。
进一步地，隔离液密度处于所述钻井液密度与所述领浆密度之间。
进一步地，确定浆柱中各浆体的密度之后，还包括：确定所述浆柱中各浆体的粘度，其中，隔离液粘度处于钻井液粘度以及领浆粘度之间。
进一步地，根据所述浆体的密度及环空压力，确定所述浆体的长度，包括：
根据孔隙压力以及地层承压确定环空压力；其中，所述环空压力大于所述孔隙压力，且所述环空压力小于或者等于所述地层承压；
根据所述环空压力以及环空静液柱压力确定环空循环压耗；
根据所述环空压力中的环空循环压耗以及所述浆体的密度确定所述浆体的管外流动水力损失高度，并根据所述管外流动水力损失高度确定所述浆体的长度。
进一步地，根据各浆体的密度及长度，判断所述浆柱的结构是否合理，包括：
根据各浆体的密度及长度模拟浆柱，并确定浆柱的环空顶替效率；
若所述环空顶替效率达到第一阈值，则确定所述浆柱的结构合理。
进一步地，所述浆柱结构设计方法还包括：
根据钻井参数确定地层压力窗口。
进一步地，根据钻井参数确定地层压力窗口，包括：
钻井过程中未进行地层承压试验之前，根据浆体的环空压力以及井深确定动态当量密度；
钻井过程中进行地层承压试验之后，根据地层承压、环空静液柱压力以及井深确定动态当量密度。
本发明的第二方面是提供一种双凝双密度浆柱，包括：钻井液、领浆、尾浆、隔离液以及顶替液；其中，领浆密度大于所述钻井液密度，尾浆密度小于所述领浆密度，顶替液密度大于所述钻井液密度，隔离液密度处于所述钻井液密度与所述领浆密度之间；隔离液粘度处于钻井液粘度以及领浆粘度之间。
本实施例提供的浆柱结构设计方法及双凝双密度浆柱，通过使领浆密度大于钻井液密度，尾浆密度小于所述领浆密度，能够充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，在满足压稳和不漏的原则下增大环空顶替效率，有效减少固井漏失，提高窄压力窗口固井合格率，大大地提高了固井施工效率。
附图说明
图1为本发明实施例浆柱结构设计方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
图1为本发明实施例浆柱结构设计方法的流程示意图。请参照图1，本实施例提供一种浆柱结构设计方法，包括：
s101、确定浆柱中各浆体的密度；其中，领浆密度大于钻井液密度，尾浆密度小于领浆密度；
具体地，在初步设计阶段，结合地层压力窗口的实际情况，可以将水泥浆尾浆密度设计为与钻井液密度一致，水泥浆领浆密度可以设计为比钻井液密度高0.2g/cm3。当然，水泥浆尾浆密度与钻井液密度也可以具有较小的第一差值，水泥浆领浆密度与钻井液密度之间的第二差值也并不限于前述数值，本领域技术人员也可以根据实际需要进行设置，在满足各项原则和要求的前提下，可以尽量增大各差值，以充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，从而增大环空顶替效率。
本实施例中，还可以确定顶替液密度以及隔离液密度。
具体地，顶替液密度大于钻井液密度第一预设值，也即顶替液密度比钻井液密度至少高第一预设值，例如第一预设值可以为0.24g/cm3，以有效提高其顶替效果。
由于隔离液用在钻井液和水泥浆领浆之间，主要作用是防止水泥浆的污染、钻井液的絮凝稠化以及冲蚀走井壁泥饼的油膜及疏松物，因此，隔离液密度设计为处于钻井液密度与领浆密度之间，也即隔离液密度大于钻井液密度且小于领浆密度。较佳地，
其中，ρ隔离液表示隔离液密度，ρ领浆表示水泥浆领浆密度，ρ钻井液表示钻井液密度，以充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，增大环空顶替效率。
此外，在确定浆柱中各浆体的密度之后，还可以确定浆柱中各浆体的粘度，其中，隔离液粘度处于钻井液粘度以及领浆粘度之间。
具体地，可以通过旋转粘度计φ100的读数进行浆体粘度梯度设计，使得
φ100钻井液<φ100隔离液<φ100领浆。
较佳地，
以充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，从而增大环空顶替效率；其中，φ100隔离液表示隔离液粘度，φ100钻井液表示钻井液粘度；φ100领浆表示领浆粘度。
s102、根据浆体的密度及环空压力，确定浆体的长度；
具体地，根据孔隙压力以及地层承压确定环空压力；其中，环空压力大于孔隙压力，且环空压力小于或者等于地层承压；也即
p孔隙压力<p环空压力≤p地层承压；
其中，p孔隙压力以及p地层承压的获取方法可以与现有技术相同；
由于p环空压力＝pf+p静液柱压力，因此，根据环空压力以及环空静液柱压力确定环空循环压耗；其中，
p静液柱压力＝ρghi×10-3；
根据环空压力中的环空循环压耗以及浆体的密度确定浆体的管外流动水力损失高度，其中，
pf＝ρghf×10-3；
根据管外流动水力损失高度确定浆体的长度，其中，
其中，p静液柱压力表示环空静液柱压力，单位为mpa(兆帕)；p孔隙压力表示相应地层的孔隙压力，单位为mpa；p地层承压表示相应地层所称承受的井内的钻井液所产生的压力，可以用承压试验压力来表示，单位为mpa；hi表示环空流体长度，单位为m(米)；ρ表示流体密度，g/cm3；pf表示环空循环压耗，单位为mpa；hf表示管外流动水力损失高度，单位为m；λ表示流体摩阻系数；v表示流速，单位为m/s；l：表示流体长度也即浆体的长度，单位为m；do表示外管内径，单位为m；di表示内管外径，单位为m。
本实施例中，可以将各浆体的密度作为流体密度代入上述公式，从而确定出各浆体的长度，也即确定各浆体的用量。
较佳地，尾浆的用量可以初步设计为能够封固裸眼段油气水层或者其他复杂井段，其余上部封固井段采用领浆，在各浆体的长度及密度满足上述公式以及满足压稳和不漏的前提下，尽可能增大各浆体的密度差梯度。
s103、根据各浆体的密度及长度，判断浆柱的结构是否合理。
本实施例中，在初步设计完浆柱的结构之后，可以根据各浆体的密度及长度进行环空浆体的模拟实验，根据模拟实验结果中的环空顶替效率确定改浆柱的结构是否合理。
具体地，若模拟实验结果中的环空顶替效率达到第一阈值，则确定浆柱的结构合理；若环空顶替效率没有达到第一阈值，则确定浆柱的结构不合理，则重复执行步骤s101至步骤s103，直至模拟实验结果中的环空顶替效率达到第一阈值。
当然，也可以采用现有的其它方法来判断浆柱的结构是否合理，此处不再一一描述，只要能够保证浆柱满足各项要求，并具有较高的环空顶替效率即可。
其中，本实施例对第一阈值的具体数值不做限定，本领域技术人员可以根据实际需要对第一阈值进行设置，例如第一阈值可以为100％。
需要说明的是：当多次重复执行步骤s101至步骤s103之后，在压稳和不漏的前提下，环空顶替效率仍然不能达到第一阈值，则说明地层压力窗口太窄，应采取非常规固井工艺技术措施进行固井施工。
本实施例提供的浆柱结构设计方法，通过使领浆密度大于钻井液密度，尾浆密度小于领浆密度，能够充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，在满足压稳和不漏的原则下增大环空顶替效率，有效减少固井漏失，提高窄压力窗口固井合格率，大大地提高了固井施工效率。
进一步地，浆柱结构设计方法还包括：根据钻井参数确定地层压力窗口。
具体地：在钻井过程中，未进行地层承压试验之前，则根据浆体的环空压力以及井深确定动态当量密度；其中，
其中，ρ允表示动态当量密度，单位为g/cm3；pf表示环空循环压耗，单位为mpa；p静液柱压力表示环空静液柱压力，单位为mpa；h表示某层井深，单位为m；
在钻井过程中，进行地层承压试验之后，则根据地层承压、环空静液柱压力以及井深确定动态当量密度；其中，
其中，ρ允表示动态当量密度，单位为g/cm3；p地层承压表示相应地层所称承受的井内的钻井液所产生的压力，可以用承压试验压力来表示，单位为mpa；p静液柱压力表示环空静液柱压力，单位为mpa；h表示某层井深，单位为m。
需要说明的是：本实施例中的pf以及p静液柱压力与前述的pf以及p静液柱压力的确定方式相同；当在确定浆柱中各浆体的密度之前，确定地层压力窗口时，可以钻井液密度作为流体密度。
此外，在初步设计完浆柱结构后，为了分析浆柱结构中的混窜情况及混窜对浆体性能影响情况，保证固井施工安全，可通过固井专业软件进行模拟分析混窜情况，并对不同情况下的混窜浆体进行性能实验，以判断浆柱结构是否满足固井施工要求。
需要说明的是：上述各操作步骤中，都需要以压稳和不漏为前提；当存在不满足压稳和不漏的原则或者混窜严重，导致无法满足安全固井施工要求时，则重复执行步骤s101至步骤s103，直至浆柱结构满足各项设计要求。
本实施例还提供一种双凝双密度浆柱，包括：钻井液、领浆、尾浆、隔离液以及顶替液；其中，领浆密度大于钻井液密度，尾浆密度小于领浆密度，顶替液密度大于钻井液密度，隔离液密度处于钻井液密度与领浆密度之间；隔离液粘度处于钻井液粘度以及领浆粘度之间。
其中，关于各浆体的密度以及粘度的说明，可以与前述实施例类似，此处不再赘述。
本实施例提供的双凝双密度浆柱，通过使领浆密度大于钻井液密度，尾浆密度小于领浆密度，能够充分增大浆柱中各浆体的密度差梯度，在满足压稳和不漏的原则下增大环空顶替效率，有效减少固井漏失，提高窄压力窗口固井合格率，大大地提高了固井施工效率。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。