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水泥環(huán)設(shè)計(jì)為防止微環(huán)的足夠粘結(jié)，利用所需的機(jī)械性能以確保井的開采期限內(nèi)完整層位封隔。在鉆探油井之前進(jìn)行工程分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試至關(guān)重要，成功的初次注水泥作業(yè)提供完整的水泥充填。水泥環(huán)在水泥水化過程中可阻止流體流動(dòng)。
在井的開采期限承受預(yù)期壓力，降低井的總成本，減少獲得儲(chǔ)量的時(shí)間。現(xiàn)在油氣行業(yè)支出比以往任何時(shí)候都更需要提高投資回報(bào)。石油和天然氣生產(chǎn)商正在尋求具有更高供油速度的大型油藏。許多這類新油藏位于具有獨(dú)特的技術(shù)及作業(yè)挑戰(zhàn)性的區(qū)域。例如超深水區(qū)、高溫高壓區(qū)、最大位移區(qū)及棕地再開發(fā)等等。發(fā)現(xiàn)與開采石油天然氣藏的成本增加也影響著公司的價(jià)值。
初次注水泥影響油井經(jīng)濟(jì)性
油井固井對(duì)油井的經(jīng)濟(jì)性有重大的影響。成功的初次注水泥作業(yè)可在井的整個(gè)開采期限保持層位封隔，這不僅可以降低油井的建設(shè)成本（資本支出）和生產(chǎn)成本（OPEX），還可以減少開采儲(chǔ)層所需的時(shí)間，從而獲取更高的收益率（ROI）。
然而，失效水泥環(huán)設(shè)計(jì)可以導(dǎo)致層位內(nèi)流體流動(dòng)的產(chǎn)量下降，或是因安全問題導(dǎo)致關(guān)井。在許多情況下，維修失效水泥環(huán)比較困難，這可能需要高價(jià)的修井項(xiàng)目與后續(xù)的重新完井。在極端的情況下，失效水泥環(huán)還可以因提前廢井導(dǎo)致油產(chǎn)量受損。成功實(shí)現(xiàn)初次注水泥作業(yè)是比較困難的，同時(shí)為井的開采期限實(shí)現(xiàn)完整的層位封隔更加困難。在很多情況下，初次注水泥作業(yè)的設(shè)計(jì)完全取決于支持井建設(shè)和井完成活動(dòng)的需求。然而，設(shè)計(jì)高效的水泥環(huán)在井的整個(gè)開采期限過程中對(duì)井中的預(yù)期壓力進(jìn)行整體性研究。在過去的15 年里，新工具和新技術(shù)一直被開發(fā)，使當(dāng)今的工程師初次注水泥創(chuàng)新設(shè)計(jì)滿足這些技術(shù)挑戰(zhàn)，幫助油井實(shí)現(xiàn)它們的財(cái)務(wù)目標(biāo)。初次注水泥新工具的實(shí)例是基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）動(dòng)態(tài)溫度模型、套管集中模型、流體遷移模型和3d 液壓模擬器。
這些工具都是針對(duì)在環(huán)空中實(shí)現(xiàn)高階水泥填充，防止水泥填充或流體流動(dòng)通過水泥凝固過程中水泥泥漿而造成初次注水泥留下串槽。水泥機(jī)械完整性（CMI）模型可使工程師查看與研究影響水泥環(huán)設(shè)計(jì)的井筒壓力溫度及儲(chǔ)層屬性的變化情況，分析水泥環(huán)設(shè)計(jì)是否能夠成功地經(jīng)受這些變化。工程師使用這些模型來確定水泥環(huán)設(shè)計(jì)維持井的開采期限過程中層位封隔所需的機(jī)械性能，這包括廢井在內(nèi)。
水泥設(shè)計(jì)應(yīng)該保持區(qū)域隔離期間的活動(dòng)，包括放棄。當(dāng)使用CMI 模型時(shí)，工程師應(yīng)該獲得盡可能多的油井狀況數(shù)據(jù)。這不僅涉及鉆井工程師和完井工程師的見解，還包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)與儲(chǔ)層及地層評(píng)價(jià)工程師的見解。所有相關(guān)人員的參與能夠使工程師形成對(duì)井筒及儲(chǔ)層壓力在井的開采期限內(nèi)，預(yù)期變化的一個(gè)整體觀點(diǎn)。初期的CMI 模型使用井注水泥數(shù)據(jù)來確定注水泥設(shè)計(jì)或是通過或是因脫粘、拉伸與水泥環(huán)破損而失效，這些模型的處理時(shí)間通常比較長(zhǎng)。注水泥完整性的最新研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為水泥環(huán)機(jī)械性失效與阻止層位封隔損失的行為提供了一個(gè)更好的解釋。這些研究產(chǎn)生了新的模型技術(shù)，不僅提高了準(zhǔn)確性，減少了處理時(shí)間，而且還使模擬報(bào)告更易于分析。
為了突出一個(gè)良好CMI 模型的要點(diǎn)，必須考慮以下示例：使用30MPa（4,350psi） 抗壓強(qiáng)度值和3MPa（435psi） 拉伸強(qiáng)度值來設(shè)計(jì)生產(chǎn)套管水泥環(huán)。水泥環(huán)的未受損范圍介于-3~30MPa （-435~4,350psi）之間。完井計(jì)劃要求：生產(chǎn)套管壓力測(cè)試為10MPa（1,450psi），鉆井泥漿隨較輕密度完井液改變，從而將井筒壓力降低至5MPa（725psi）。為了簡(jiǎn)單起見， 假定1MPa（145psi） 井筒壓力的變化相當(dāng)于1MPa 注水泥壓力的變化。增加摩擦角減少水泥環(huán)磨損的風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)例子中，被認(rèn)為是應(yīng)力變化路徑，即在壓力降至5MPa （725psi） 之前， 首先增加，接著下降10MPa（1,450psi）。如果壓力的初始狀態(tài)為0MPa （0psi）情況下，壓力測(cè)試不會(huì)破損水泥環(huán)。然而，轉(zhuǎn)向較輕完井液將破損拉伸狀態(tài)的水泥環(huán)，因?yàn)樽罱K應(yīng)力為5 MPa（725psi），小于TS 值。相反， 如果初始應(yīng)力狀態(tài)是10MPa（1,450psi）， 完井設(shè)計(jì)將不會(huì)破壞水泥環(huán)，因?yàn)閴毫θ詫⒈３衷?3~30MPa（-425psi~4,250psi）之間。最后， 如果初始應(yīng)力是25MPa（3635psi），完井規(guī)劃將破壞水泥環(huán)，因?yàn)樽罱K壓力是35MPa（5,007psi），這高于CS 值。該例子表明，工程師在設(shè)計(jì)環(huán)空水泥環(huán)時(shí)必須考慮所有井活動(dòng)的原因，并了解到調(diào)整水泥環(huán)初始?jí)毫Φ闹匾?。錯(cuò)誤的初始?jí)毫蓪?dǎo)致水泥環(huán)設(shè)計(jì)出現(xiàn)故障。
高效水泥環(huán)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
增加拉伸強(qiáng)度可以降低破壞水泥環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)好的CMI 模型需要滿足五個(gè)條件：水泥凝結(jié)之后初始?jí)毫Φ那闆r時(shí)第一關(guān)鍵點(diǎn)；第二關(guān)鍵點(diǎn)是評(píng)價(jià)水泥在哪里處于安全工作范圍以及范圍的相關(guān)性，這要求在井的開采期限內(nèi)具備定量模擬水泥環(huán)所有載荷的能力；第三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是能夠模擬所有材料的剛度及破壞性能，例如精準(zhǔn)確定破壞準(zhǔn)則限制范圍；第四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是工程師易于進(jìn)行敏感度分析，幫助他們確定破壞水泥環(huán)設(shè)計(jì)的井活動(dòng)，確定完整層位封隔的最佳水泥特性需求；第五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是輸出記錄的特征。
一些CMI 模型可以為水泥環(huán)設(shè)計(jì)確定安全的操作范圍，指出設(shè)計(jì)的水泥環(huán)在安全工作狀態(tài)中安全因素是什么。此外，還可以可視化整個(gè)水泥環(huán)和含水層，以了解地質(zhì)障礙位于什么位置。因?yàn)闆]有兩個(gè)井是完全一樣的，最重要的是設(shè)計(jì)初次注水泥泥漿，以符合每口井的特定要求。研究出了新的水泥機(jī)械改性劑，可以減少水泥泥漿設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)間，降低現(xiàn)場(chǎng)操作的復(fù)雜性，在某些情況下，具有故障自愈能力。當(dāng)今，工程師可以通過界面獲取各種不同水泥環(huán)設(shè)計(jì)的機(jī)械性能，用于初始模擬。