Técnica de perforación para capas de yeso salino extremadamente gruesas
En la tecnología de perforación de capa de sal-yeso ultragruesa, a través de la investigación sobre las reglas de cambio de presión de fluencia tridimensional de la capa de sal-yeso, la velocidad de disolución de la capa de sal-yeso y la desigualdad tensión en la carcasa, podemos determinar razonablemente el fluido de perforación. Ha habido nuevos conocimientos y avances en términos de sistema y densidad, diseño preciso de la resistencia de la carcasa y medidas técnicas de apoyo integrales, y se han logrado avances significativos en la perforación de sal de manera segura y eficiente. -capas de yeso.
3.3.5.1 Ley de fluencia de la capa de yeso salado
(1) Características de fluencia de la roca salada
En la curva de fluencia típica de la roca salada (Figura 3 -120 ), la fluencia se divide en tres etapas. "A" indica que la primera etapa es una etapa de fluencia transitoria. Antes de llegar a la siguiente etapa, la velocidad de deformación por fluencia de la roca salada disminuye gradualmente y parece no lineal; "b" indica que la segunda etapa es una etapa de fluencia en estado estacionario. , la tasa de deformación por fluencia en esta etapa permanece sin cambios y es lineal; "C" indica que la tercera etapa es el período de fluencia acelerada, en el que la tasa de deformación aumenta hasta que la muestra se daña, lo cual no es lineal.
Figura 3-120 Curva de fluencia típica de la roca salada
Para materiales plásticos como la roca salada, la fluencia se manifiesta principalmente en dos etapas: "A" y "B", "B "Las fases duran más. Para la ingeniería petrolera, la roca de yeso salado presenta principalmente dos etapas: fluencia transitoria y fluencia en estado estacionario, que se ven afectadas principalmente por la fluencia en estado estacionario después de la perforación y la cementación del revestimiento.
(2) Ecuación de fluencia de la capa de yeso salino
Para una roca salada específica, estudiar sus características reológicas es determinar la relación entre la velocidad de fluencia en estado estacionario y la temperatura y presión. es decir, ecuación de fluencia. El mecanismo de fluencia y la ecuación de fluencia de la roca salada están relacionados con la temperatura y la presión. Existen muchos tipos de modelos de fluencia de rocas saladas, principalmente exponenciales y de ley potencial. A continuación se muestran varios modelos principales que reflejan la fluencia de la roca de yeso salado.
1) Modelo de ley potencial. Este modelo es una fórmula puramente empírica. La expresión de la relación entre la fluencia transitoria y la tensión, la temperatura y el tiempo es:
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Dónde. : εp es la deformación por fluencia transitoria; σ es la tensión diferencial; t es la temperatura; t es el tiempo, p y n son los exponentes de la tensión, la temperatura y el tiempo, respectivamente;
Si se describe la ley de deformación general, también se debe agregar un término de estado estacionario, a saber:
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donde ε es la deformación total; es la tasa de deformación en estado estacionario. Puede expresarse mediante el modelo de deslizamiento de dislocación de Weertman:
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Donde: q es la energía de activación r es la constante del gas ideal; β es el coeficiente de tensión (determinado mediante experimento); A* es la constante de prueba.
Los modelos de ley potencial expresan la relación entre tensión, temperatura, tiempo y deformación de forma explícita. El modelo es simple y tiene cierta importancia orientadora para la práctica de la ingeniería, pero las reglas reológicas de la roca salada son aproximadas y rara vez se utiliza en la actualidad.
2) Ley de temperatura exponencial. Senseny P.E et al. lo propusieron en 1983 para describir la reología de la roca salada de la isla Avery a altas temperaturas (más de la mitad de la temperatura de fusión). Su expresión específica es: Teoría y exploración de gas y petróleo en alta mar de China. Práctica
Entre ellos: b y λ son constantes de prueba; los demás símbolos son los mismos que los anteriores.
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El modelo de tasa de energía y el modelo de índice de temperatura son simples de expresar y fáciles de usar, pero tienen muchos defectos, como a veces, un avance lento en estado estacionario en la regresión de datos. La tasa es negativa, inconsistente con la realidad y no puede reflejar bien la compleja historia de estrés y temperatura.
El profesor Zeng Yijin, el profesor Yang Chun y otros han estudiado y obtenido la ecuación constitutiva de fluencia de la capa de pasta de sal en condiciones tridimensionales considerando la influencia de la temperatura a través de una gran cantidad de pruebas de fluencia:
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El último factor considera la influencia de la temperatura. A temperatura ambiente constante, se puede expresar como:
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Donde: A2*, N, A1, B1*, B2 pueden pasar a través del núcleo Obtenido de la prueba de fluencia.
(3) Cálculo y análisis de la presión de fluencia de la capa de pasta salina
1) Método de cálculo de la presión de fluencia de la capa de pasta salina. El software de cálculo de diferencias finitas FLAC3D compilado con el método explícito de diferencias finitas proporciona la función de simular las propiedades de fluencia del material, es decir, el cambio de las propiedades del material con el tiempo. En el análisis computacional FLAC3D, la principal diferencia entre el modelo de fluencia y otros modelos constitutivos radica en la simulación de cuestiones de tiempo.
2) Análisis de la presión de fluencia de la capa de pasta salina.
A. Análisis de la presión de fluencia de la capa de sal-yeso a diferentes profundidades de pozo. La profundidad de enterramiento de la capa de pasta salina tiene una gran influencia en la presión de fluencia. A medida que aumenta la profundidad de la capa de yeso, la presión de fluencia aumenta significativamente a medida que pasa el tiempo, la presión de fluencia tiende a estabilizarse y eventualmente es la misma que la presión de la formación suprayacente; cuanto más profunda está enterrada la capa de sal-yeso, más tiempo permanece; La presión de fluencia tarda en estabilizarse.
B. Análisis de la presión de fluencia de roca sal-yeso bajo muros de contención de cemento de diferentes espesores. Se analizó la presión de fluencia de la capa de sal-yeso bajo las condiciones de revestimiento de cemento de muros de contención con cierta profundidad de enterramiento y diferentes espesores. Se concluyó que el espesor de la vaina de cemento tiene un impacto en el estado tensional inicial del revestimiento, pero no es significativo.
C. Análisis de la presión de fluencia de rocas sal-yeso de diferentes espesores. Se analizaron los efectos de capas de pasta salina de diferentes profundidades y espesores de enterramiento sobre la tensión de compresión radial, la tensión circunferencial y la tensión vertical del revestimiento. Se concluye que en la etapa inicial de fluencia de la capa de sal, el espesor de la capa de sal tiene un impacto significativo en el estado de tensión del casing, pero a medida que pasa el tiempo, el estado de tensión del casing en capas de sal de diferentes espesores tiende a ser consistente.
D. Análisis de la presión de fluencia de una capa de pasta salina a diferentes temperaturas. La influencia de la temperatura sobre el estado de tensión de la carcasa es muy significativa. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la presión de fluencia, la tensión circunferencial y la tensión vertical de la carcasa en la etapa inicial de la fluencia de la pasta salina. Con el tiempo, la presión de fluencia y la tensión vertical de la carcasa convergen, pero la tensión circunferencial converge más lentamente.
3.3.5.2 Tecnología de diseño de densidad del fluido de perforación
La determinación de la densidad del fluido de perforación está relacionada con las características de fluencia de la capa de sal-yeso y la saturación de sal del fluido de perforación. La determinación de una densidad razonable del fluido de perforación en capas de sal y yeso se basa en las características de la formación y el equilibrio mecánico y químico.
(1) Espectro de densidad del fluido de perforación
La tabla de densidad del fluido de perforación es la curva de correlación entre la reducción del diámetro del pozo en la capa de sal y la densidad del fluido de perforación. Con base en experimentos de fluencia y presión de fluencia, se utilizó el software FLAC3D para calcular la tasa de reducción del diámetro de las capas de roca salina bajo diferentes profundidades de pozo y diferentes densidades de fluido de perforación, y la tasa de reducción del diámetro se estableció ajustando la curva sintética. El software FLAC3D también se puede utilizar para dibujar un mapa de densidad del fluido de perforación basado en los datos de velocidad de fluencia medidos en la perforación de capas de yeso salino. La Figura 3-121 es un diagrama de densidad del fluido de perforación basado en tasas de fluencia medidas.
(2) Tasa de disolución de la capa de yeso salino durante la perforación
Durante el proceso de perforación, el fluido de perforación disolverá la capa de sal subterránea. La investigación realizada por los profesores Zeng Yijin y Deng muestra que a una determinada temperatura, existe una buena correlación logarítmica entre la tasa de disolución de la roca salada y el contenido de sal del fluido de perforación.
La curva de cambio de la velocidad de disolución de la roca salina con [Cl-] a diferentes temperaturas muestra además que cuando el contenido de sal del fluido de perforación es cierto, el efecto de la temperatura sobre la velocidad de disolución de la roca salina no es un relación lineal simple. Más bien, hay un punto de inflexión. Cuando la temperatura es inferior al punto crítico y la concentración de sal del fluido de perforación permanece sin cambios, la tasa de disolución de la roca salina aumentará a medida que aumenta la temperatura. Cuando la temperatura es superior al punto crítico y la concentración de sal del fluido de perforación permanece sin cambios, la tasa de disolución de la roca salina disminuye con el aumento de la temperatura (Figura 3-122).
Figura 3-121 Espectro de densidad del fluido de perforación a diferentes profundidades de pozo correspondiente a la tasa de contracción
Figura 3-122 Curva de cambio de la tasa de disolución de la roca salina con [C1-] a diferentes temperaturas.
De manera similar, con base en la tasa de disolución de la roca salina, se puede obtener la curva de regresión de la correlación entre el contenido de sal del fluido de perforación y la tasa de expansión del diámetro del pozo a diferentes temperaturas (Figura 3-123). .
(3) Determinación de la densidad del fluido de perforación y saturación de sal
Curva de regresión y diagrama de densidad del fluido de perforación basado en la relación entre la tasa de disolución de la roca salina y la tasa de expansión del diámetro del pozo y [C1- ], considere integralmente los efectos de la fluencia y la disolución para determinar la densidad del fluido de perforación y la saturación de sal. Primero, de acuerdo con la densidad del fluido de perforación utilizado, encuentre la tasa de fluencia correspondiente en el diagrama de densidad del fluido de perforación (Figura 3-121) y luego determine el pozo a partir de la curva de la tasa de expansión del diámetro del pozo y [C1-] ( Figura 3-123) La saturación de sal correspondiente a la tasa de expansión del diámetro se utiliza para equilibrar la tasa de fluencia.
Además, según la velocidad de fluencia medida de la capa de sal y yeso, la saturación de sal del fluido de perforación utilizado y el espectro de densidad del fluido de perforación, la densidad del fluido de perforación requerida para También se puede determinar la perforación de la capa de sal-yeso en un área. La idea básica de este método es comparar la densidad del fluido de perforación en uso con el espectro de densidad para determinar la tasa de contracción a esta densidad. La diferencia entre la tasa de contracción medida y la tasa de contracción calculada se toma como tasa de contracción. , y la tasa de contracción se calcula nuevamente. Se encuentra la densidad del fluido de perforación correspondiente. La densidad del fluido de perforación correspondiente a la tasa de contracción es la densidad del fluido de perforación requerida para una perforación segura.
Figura 3 - Curva de regresión entre la tasa de expansión del diámetro del pozo y [C1-] 123
3.3.5.3 Tecnología de soporte de perforación de capa de sal-yeso
(1) Plan de diseño de la estructura del cuerpo del pozo
Para pozos profundos con capas de sal y yeso ultraprofundas, prevenir eficazmente el daño por colapso de la carcasa causado por la fluencia de la capa de sal y yeso es la clave para garantizar la seguridad de la terminación del pozo. Actualmente, hay dos estructuras de pozos de uso común en capas profundas de yeso salino (tomando como ejemplo el campo petrolífero de Tahe).
Figura 3-124 Tabla de diseño de resistencia de la carcasa bajo carga externa no uniforme
1) Sello especial y jugabilidad especial. Se baja una carcasa de 244,5 mm a unos 5.000 metros desde la parte superior de la capa de sal, y se utiliza una carcasa de 206,3 mm para sellar la capa de sal y se utiliza un tubo de escape de φ139,7 mm para cementar la caverna de sal inferior; La práctica ha demostrado que esta solución es factible para pozos con distribución clara de sal o sistemas de presión subsal consistentes. Sin embargo, para pozos con condiciones especiales y múltiples propósitos geológicos de perforación, la selección del diámetro del pozo y la extensión del pozo son limitadas. En la actualidad, se suele adoptar el método de añadir un nivel mediante el procedimiento de revestimiento. Esta solución es más adecuada para pozos de producción que están familiarizados con diversas condiciones.
2) La solución para exponer la capa de pasta de sal a simple vista. Para garantizar la realización de la tarea geológica de perforación, se optimizó el plan de perforación de pozo abierto largo para exponer la capa de pasta de sal, es decir, se utilizó el plan de perforación de pozo abierto largo con aberturas de gran tamaño para exponer la capa de pasta de sal en Se usó el mismo orificio que el estrato de baja presión suprayacente, y se usó una pared grande para sellar la capa de pasta de sal. Para una carcasa gruesa y de alta resistencia a la extrusión, use una carcasa combinada de φ 244,5 mm o φ 273,0 mm + φ 244,5 mm para colgar y. sellar la capa de pasta de sal; la sección inferior del pozo de sal utiliza un tubo de escape de φ 177,8 mm, y el tubo de escape se superpone a la parte superior de sal en 100 m; la densidad de uso es aproximadamente. Es un fluido de perforación de agua salada insaturada de 1,65 g/cm3; , combinado con tecnología de detección de fugas y taponamiento para revelar la capa de sal y yeso y mejorar la capacidad de carga de la formación.
Utilice expansión durante la perforación o tecnología de expansión hidráulica para garantizar la seguridad de la perforación en capas de yeso salino.
En comparación con la perforación de sellado especial en formaciones de sal, la perforación de pozos abiertos largos es más riesgosa. El proceso de perforación generalmente se lleva a cabo en dos pasos, a saber, el proceso de perforación del presal y el proceso de perforación de la formación de sal. La clave de la tecnología de perforación subsal es detener la perforación inmediatamente después de perforar la capa de sal y volver a realizar una prueba de presión de fractura de la formación para determinar la capacidad de carga de la sección del pozo abierto. Tome medidas únicas de taponamiento para secciones de pozos abiertos en puntos de baja presión. Si la formación tiene la capacidad de soportar alta densidad (o tiene la capacidad después de taponarse) de soportar alta densidad al perforar en la capa de sal y yeso, cambiar a un sistema de fluido de perforación adecuado para perforar en la capa de sal y yeso, y luego perforar en la capa de sal-yeso. Si la formación no puede soportar la alta densidad al perforar en la capa de sal después del bloqueo, el plan debe ajustarse a un plan especial de taponamiento y perforación en la capa de sal y yeso.
Las ventajas de esta solución son: primero, aísla múltiples sistemas de presión; segundo, mediante la superposición de tuberías de revestimiento, se evita la deformación del casing en la sección de sal; tercero, se simplifica la estructura del pozo; El pozo de terminación es más grande y proporciona una capa adicional de espacio adicional en la tubería de revestimiento que la solución especial de sellado de perforación. Esta solución es más adecuada para pozos exploratorios.
(2) Diseño de resistencia de la carcasa
La clave para el diseño de la carcasa con capa de pasta de sal es el cálculo de la resistencia al aplastamiento. En el pasado, el diseño de revestimientos en capas de sal-yeso generalmente usaba la presión de fluencia máxima de la capa de sal-yeso, es decir, la presión de formación suprayacente, y el revestimiento estaba sujeto a una carga uniforme. La carcasa se calcula basándose en un 40% de hueco y un factor de seguridad de 1,125 o un factor de seguridad mayor según la experiencia. Sin embargo, este método a menudo causa accidentes por deformación de la carcasa en aplicaciones prácticas, por lo que se deben considerar cargas externas no uniformes en el diseño de la carcasa con capa de pasta de sal.
1) Plano de diseño de resistencia de la carcasa y su aplicación. De acuerdo con el plano de diseño de resistencia de la carcasa, se puede realizar el diseño de resistencia de la carcasa bajo carga externa no uniforme. Si se conocen la carga distribuida elípticamente y su relación axial, se puede determinar si la carcasa es segura o qué tipo de carcasa se necesita para resistir esta carga. Por ejemplo, se sabe que K=0,4 y el área alrededor de la carga es 5=1690,0MPa2, entonces Pc=23,2MPa si se selecciona una carcasa P110 con un espesor de pared de 9,19 mm (D/t=19,3), entonces. Pc/σs=0,03, mayor que la carga última máxima (Pc/σ= 65433. Para facilitar la aplicación, la relación entre la carga de falla equivalente Pc y el límite elástico del material de la carcasa Pc/σs y la relación de la carcasa diámetro al espesor D/t se dibuja en una curva, es decir, la versión de diseño de resistencia de la tubería de revestimiento (Figura 3-124). La figura también muestra la curva de resistencia de la carcasa bajo carga radial y carga externa uniforme. de carga radial se define como la fuerza concentrada por unidad de longitud del diámetro. El dibujo de diseño de resistencia de la carcasa se puede utilizar para diseñar la carcasa de la capa de sal.
2) Pasos de diseño para la resistencia de la carcasa de la capa de sal.
A. Con base en las características reológicas de la capa de sal, la tensión in situ de la capa de sal y la presión de la columna hidrostática en el pozo durante el proceso de cementación, se utiliza el programa de cálculo de elementos finitos viscoelásticos para calcular la carga externa de fluencia de la capa de sal de la carcasa de la capa de sal. La ley de cambio y la ley de distribución del tiempo se utilizan para obtener el valor estable final de la carga externa de la carcasa. El tamaño y la falta de uniformidad de este valor estable están representados por el eje menor B y el eje mayor A de la función de elipse de Cassini.
B. Con base en los valores de B y A, calcule el área S y la relación axial K de la carga en la carcasa para encontrar la carga de falla equivalente real en la carcasa.
C. Según K y Pr, según la Figura 3-124, se puede diseñar o probar la resistencia de la carcasa.
A. Seleccione el espesor de la pared de la carcasa en función de k, Pr y el grado de acero de la carcasa (es decir, σs): primero calcule Pr/σs y luego en función de los valores de k y Pr/σs, que se puede encontrar en la figura. La relación diámetro-espesor crítico (D/t) de la carcasa se puede utilizar para calcular el espesor mínimo de pared de la carcasa.
b. Seleccione el grado de acero de la carcasa según K, Pr y el espesor de la pared de la carcasa: Primero, calcule Pc/σs de la tabla según los valores de K y D/t (Pc es el máximo que la carcasa puede soportar la carga efectiva), luego use la carga real Pr para eliminar Pc/σs para obtener el límite elástico mínimo σs requerido para la carcasa y seleccione el grado de acero de la carcasa según el valor de σs.
C. Si se conoce el grado de acero de la carcasa utilizada (se conoce σs) y el espesor de la pared (se puede calcular la relación diámetro-espesor D/t), compruebe la seguridad de la carcasa: Primero obtenga Pr /σs y luego obtenga Pc/σs cuando la carcasa esté dañada según los valores de K y D/t de la figura. Si PC/σ s es menor que PR/σ s, significa que la resistencia de la carcasa es insuficiente, lo que provocará daños anormales en la carcasa; si PC/σ s > PR/σ s, la carcasa es segura;
D. Al diseñar la resistencia de la carcasa, se supone que la presión interna de la carcasa es cero, es decir, se calcula como si estuviera completamente ahuecada. Si la presión interna de la carcasa no es cero, su resistencia contra la presión externa uniforme mejorará enormemente. Sin embargo, cuando la presión externa de la carcasa es desigual, el aumento de la resistencia de la carcasa con el aumento de la presión interna no es evidente.
(3) Tecnología de expansión de orificios
1) Una solución que combina la expansión de orificios durante la perforación y la expansión posterior a la perforación. La capa superior de la capa de pasta de sal se perfora con una broca de φ 311,15 mm y se utiliza una herramienta de escariado excéntrico con broca piloto de φ 241,3 mm a 60 m por encima de la parte superior de la capa de pasta de sal. El tamaño de escariado es de 374,65 mm. >
2) Después de la perforación Plan de expansión hidráulica. Primero taladre el agujero con una broca de φ 311,15 mm. Después de perforar la capa de pasta de sal, utilice un escariador hidráulico para expandir la capa de sal. Es necesario ampliar el diámetro medio del agujero a φ 349,25 mm.