一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法与流程

1.在本发明属于钻采工程技术领域，具体涉及一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法。


背景技术：

2.碳捕集利用与封存(ccus)是把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的一种技术，ccus技术是实现“双碳”目标的重要手段。二氧化碳驱油与地质封存(eor)工程是国外最为成熟的ccus工程项目，也是国内工业化推广较早的大规模温室气体减排技术。随着二氧化碳利用及地质封存技术的规模化应用，注入井筒的密封安全性问题凸显，引起了专家学者和工程管理人员的高度重视。挪威北海地区，二氧化碳注入井的泄漏比例高达37-41％。针对该问题，前人在二氧化碳最易泄漏的井口装置、管柱、水泥环三大井筒完整性结构单元开展了研究。据研究，即使井口装置、管柱完好，水泥环屏障密封失效也可直接导致埋存失败，发生二氧化碳泄漏，危及地面人员安全。对于该问题，国内外学者开展了二氧化碳腐蚀水泥机理、耐腐蚀水泥浆体系、水泥环载荷分析等研究，取得了一系列研究成果。但是对于二氧化碳沿井筒泄漏上窜的直接原因——全井筒固井水泥环密封封隔失效，研究尚不完善。特别是多数二氧化碳注入井在运行之前为采油或注水多年的老井，水泥环的胶结状况存在一定的缺陷，二氧化碳沿固井水泥环上窜泄漏风险存在很大的不确定性。因此，必须在注入二氧化碳进行驱油封存之前，更好地了解现有井的二氧化碳泄漏潜力，筛选出具有一定泄漏风险的井，并采取相应的措施对注入方案进行调整。该项工作对于ccus项目安全运行具有重要的意义。
3.另一方面，当前我国普遍使用胶结类测井方法来评价井的固井质量，胶结测井结果与二氧化碳沿固井水泥环上窜泄漏风险之间的关系，当前尚无研究定论和有效的参考方法，无法指导二氧化碳注入井的筛选和安全生产实践。


技术实现要素：

4.本发明旨在针对上述问题，提出一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法。
5.本发明的技术方案在于：一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法，其中，所述注入井的套管外径rd为0.11～0.14m，套管壁厚δ为7～13mm，方法如下。
6.步骤1：基于注入井固井后的胶结测井曲线，筛选固井水泥环胶结中等以上井段，将筛选出的井段依据声幅相对值的不同分为n组，并统计第i组固井水泥环的声幅相对值bi和声幅相对值为bi的井段累计长度hi，其中i为1～n之间的自然数。
7.步骤2：根据注入井的套管壁厚δ计算管柱因子λ，具体为：当7mm≤δ≤9mm时，计算过程为：λ＝-0.4603δ+5.1642
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(1)
式中：λ为管柱因子，无量纲；δ为套管壁厚，mm；当9mm＜δ≤13mm时，计算过程为：λ＝17.83δ-1.3
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(2)。
8.步骤3：计算全井筒固井水泥环等效渗透率ke，计算过程为：依据哈根-泊肃叶公式，得到胶结中等井段中第i组固井水泥环等效渗透率ki与第i组井段套管外微间隙的径向尺寸gi的关系，即：式中：ki为第i组固井水泥环等效渗透率，m2；gi为第i组井段套管外微间隙的径向尺寸，m；c为套管周长，m；s为环空区域面积，m2；i为1～n之间的自然数，无量纲；套管周长c的表达公式为：c＝πrdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：π为圆周率，取常数3.14；rd为套管外径，m；环空区域面积s的表达公式为：式中：re为固井时井眼直径，m；依据胶结测井评价技术原理及相关实验，第i组井段套管外微间隙的径向尺寸gi的表达公式为：式中：bi为第i组固井水泥环的声幅相对值，％；e为常数，无量纲；将(4)公式、(5)公式、(6)公式代入公式(3)，推导得到第i组固井水泥环等效渗透率ki的计算表达公式为：全井筒固井水泥环等效渗透率ke的表达公式为：式中：ke为全井筒固井水泥环等效渗透率，m2；δh为胶结中等以上井段累计长度，m；hi为声幅相对值为bi的井段累计长度，m；
n为不同声幅相对值的分组数，无量纲；将(7)公式带入公式(8)，推导得到全井筒固井水泥环等效渗透率ke的计算表达公式为：
9.步骤4：依据渗流力学原理，计算沿套管外固井水泥环上窜至井口的液态二氧化碳日泄漏量qd，计算过程为：依据渗流力学原理，沿套管外固井水泥环上窜至井口的液态二氧化碳每秒上窜流量q的表达公式为：式中：q为液态二氧化碳每秒上窜流量，m3/s；δp为压差，pa；μ为二氧化碳沿固井水泥环上窜时的粘度，pa
·
s；依据井筒内外固体、液体相互之间的受力关系可知，(10)公式中压差δp的计算表达公式为：δp＝p+1000ρcgh-1000ρmghmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式中：p为井口注入压力，pa；ρc为液态二氧化碳的密度，g/cm3；ρm为固井时的钻井液密度，g/cm3；g为重力系数，n/kg；h为射孔段处井深，m；hm为胶结中等以上井段最小井深，m；将(5)公式、(11)公式代入公式(10)，再通过单位换算，计算液态二氧化碳日泄漏量qd的表达公式为：式中：qd为液态二氧化碳日泄漏量，m3/d。
10.步骤5：利用液态二氧化碳日泄漏量qd与液态二氧化碳日注入量qs的相互关系来对注入井进行可行性筛选；具体过程为：当qd＜0.01％qs时，表明该井泄漏风险较低，可选作注入井；当0.01％qs≤qd≤0.1％qs时，表明该井存在中等泄漏风险，可修复改善后选作注入井；当0.1％qs＜qd时，表明该井存在高泄漏风险，不宜选作注入井。
11.其中，注入井为二氧化碳驱油与地质封存过程中的二氧化碳注入井。
12.本发明的技术效果在于：(1)本发明通过对水泥环等效渗透率、二氧化碳日泄漏量的综合研究，建立了一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法，本发明计算过程简洁，逻辑清晰，为二氧化碳驱油与地质封存的注入井筛选提供了一种有效的方法，便于推广应用；
(2)本发明提供的注入井筛选方法基于井的胶结类测井曲线，更贴近于井下的实际情况，更贴合现场工程实际需求，可以在二氧化碳注入前对井的防泄漏情况进行有效筛选，也可以避免盲目修复带来的投资浪费，对于指导二氧化碳注采工程的安全经济运行具有重大的意义。
具体实施方式
13.实施例1一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法，其中，所述注入井的套管外径rd为0.11～0.14m，套管壁厚δ为7～13mm，方法如下：步骤1：基于注入井固井后的胶结测井曲线，筛选固井水泥环胶结中等以上井段，将筛选出的井段依据声幅相对值的不同分为n组，并统计第i组固井水泥环的声幅相对值bi和声幅相对值为bi的井段累计长度hi，其中i为1～n之间的自然数；步骤2：根据注入井的套管壁厚δ计算管柱因子λ，具体为：当7mm≤δ≤9mm时，计算过程为：λ＝-0.4603δ+5.1642
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(1)；当9mm＜δ≤13mm时，计算过程为：λ＝17.83δ-1.3
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(2)步骤3：计算全井筒固井水泥环等效渗透率ke，计算过程为：步骤4：依据渗流力学原理，计算沿套管外固井水泥环上窜至井口的液态二氧化碳日泄漏量qd，表达公式为：步骤5：利用液态二氧化碳日泄漏量qd与液态二氧化碳日注入量qs的相互关系来对注入井进行可行性筛选；具体过程为：当qd＜0.01％qs时，表明该井泄漏风险较低，可选作注入井；当0.01％qs≤qd≤0.1％qs时，表明该井存在中等泄漏风险，可修复改善后选作注入井；当0.1％qs＜qd时，表明该井存在高泄漏风险，不宜选作注入井；其中，注入井为二氧化碳驱油与地质封存过程中的二氧化碳注入井。
14.具体应用例1
‑‑
对国内某二氧化碳驱运行区内的py-3井开展注入井可行性筛选评价py-3井的相关参数如下：参数具体应用例1射孔段处井深h(m)1750胶结中等以上井段最小井深hm(m)402胶结中等以上井段累计长度δh(m)556固井时的钻井液密度ρm(g/cm3)1.05
液态二氧化碳的密度ρc(g/cm3)1.10重力系数g(n/kg)9.81二氧化碳沿固井水泥环上窜时的粘度μ(pa
·
s)4.04
×
10-5
套管外径rd(m)0.1397套管壁厚δ(mm)7.72固井时井眼直径re(m)0.2270液态二氧化碳日注入量qs(m3/d)35井口注入压力p(pa)2.8
×
107一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法，方法如下：步骤1：基于注入井固井后的胶结测井曲线，筛选固井水泥环胶结中等以上井段，将筛选出的井段依据声幅相对值的不同分为16组，并统计第i组固井水泥环的声幅相对值bi和声幅相对值为bi的井段累计长度bi，i为1～16之间的自然数。统计结果如下：分组序号bi(％)hi(m)13224713554467157886847792381045911251012261113181214181315814162115177161832步骤2：根据注入井的套管壁厚δ，通过公式(1)计算管柱因子λ；λ＝-0.4603δ+5.1642＝1.61步骤3：通过公式(9)计算全井筒固井水泥环等效渗透率ke；步骤4：依据渗流力学原理，通过公式(12)计算沿套管外固井水泥环上窜至井口的液态二氧化碳日泄漏量qd；
步骤5：利用液态二氧化碳日泄漏量qd与液态二氧化碳日注入量qs的相互关系来对注入井进行可行性筛选；由于0.01％qs＝3.5
×
10-3
m3/d，所以qd＜0.01％qs成立，因此二氧化碳沿py-3井固井水泥环上窜泄漏的风险较低，可以选作二氧化碳注入井实施二氧化碳驱油与地质封存工程。
15.具体应用例2
‑‑
对国内某二氧化碳驱运行区内的xt-7井开展注入井可行性筛选评价xt-7井的相关参数如下：7井的相关参数如下：一种防二氧化碳沿水泥环上窜泄漏的注入井筛选方法，方法如下：步骤1：基于注入井固井后的胶结测井曲线，筛选固井水泥环胶结中等以上井段，将筛选出的井段依据声幅相对值的不同分为20组，并统计第i组固井水泥环的声幅相对值bi和声幅相对值为bi的井段累计长度hi，i为1～20之间的自然数。统计结果如下：分组序号bi(％)hi(m)18229731044115512161327142815191634101815
1119261220381321141422215231116258172620182813192915203016步骤2：根据注入井的套管壁厚δ，通过公式(2)计算管柱因子λ；λ＝17.83δ-1.3
＝1.00步骤3：通过公式(9)计算全井筒固井水泥环等效渗透率ke；步骤4：依据渗流力学原理，通过公式(12)计算沿套管外固井水泥环上窜至井口的液态二氧化碳日泄漏量qd；步骤5：利用液态二氧化碳日泄漏量qd与液态二氧化碳日注入量qs的相互关系来对注入井进行可行性筛选；由于0.01％qs＝3
×
10-3
m3/d、0.1％qs＝3
×
10-2
m3/d，所以0.01％qs≤qd≤0.1％qs成立，因此xt-7井固井水泥环存在中等泄漏风险，需在二氧化碳注入前采取一定的措施对固井水泥环进行修复。
16.依据上述筛选结果，二氧化碳驱油与地质封存运行实施单位对xt-7井进行了环空二次固井，修复了固井水泥环的缺陷后，与py-3井一起作为二氧化碳注入井投入运营。在开始运营的十个月内，对xt-7井、py-3井套管外固井水泥环二氧化碳泄漏情况进行了持续监测，平均每月抽样检测2次，均未检测到明显的二氧化碳泄漏。
17.同时，依据上述方法，运行实施单位在该区域内共筛选了20口井作为二氧化碳注入井开展二氧化碳驱油与地质埋存工作，一年内累计注入液态二氧化碳10余万吨，针对固井水泥环的泄漏测试累计进行了256次，均未监测到明显的二氧化碳泄漏。表明上述筛选方案的可靠性较强，可以为二氧化碳驱油与地质封存过程中注入井的可行性论证、筛选和修复提供参考依据，保证二氧化碳驱油与地质封存注采工程的安全运行。