CN110954463B - Co2腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，它包括:一、根据油井或水井被腐蚀处固井水泥石所对应的实际地层温压条件、CO₂含量、离子含量及固井水泥石参数，通过数值模拟得出不同时间固井水泥石内各腐蚀区域厚度的模拟结果以及未腐蚀区域厚度；二、计算固井水泥石各腐蚀区域内每种矿物不同时间的体积分数；三、计算固井水泥石各腐蚀区域的孔隙度；四、计算固井水泥石各腐蚀区域的渗透率；五、结合步骤一模拟结果，计算不同腐蚀阶段垂直腐蚀方向水泥石的等效渗透率。本发明考虑了水泥石试件尺寸对垂直腐蚀方向等效渗透率的影响，能够真实评价CO₂腐蚀对井下不同尺寸环空水泥石垂直腐蚀方向等效渗透率的影响程度。

Description

CO2腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法

技术领域：

本发明涉及的是水泥环完整性评价技术，具体涉及的是CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法。

背景技术：

含CO₂气藏及CO₂驱注井均面临固井水泥石被腐蚀的问题，含CO₂的酸性流体与固井水泥石发生化学反应，改变水泥的微观物质组成及宏观力学性质，降低环空水泥环的密封完整性，极易造成CO₂逃逸现象的发生。一方面，逃逸的CO₂会破坏注采井网的完整性及污染地下水水质；另一方面，还存在CO₂气体沿水泥环空泄漏至地面的可能性，造成井口环空带压，增加了泄压成本和安全生产的风险性。

对于CO₂腐蚀对水泥石物性的影响，国内外学者均进行了大量的研究。 Ashok通过实验发现由于Ca(OH)₂的溶解和反应速率要高于CSH，因此在反应过程中主要是Ca(OH)₂与H⁺结合生成致密的膨胀性腐蚀产物CaCO₃，导致腐蚀后水泥石的渗透率减小，孔隙度降低；然而，在Hunt、Kim等人的研究中认为，在富含CO₂的地层条件下，随着碳酸溶液的不断侵蚀，初期反应生成的致密性腐蚀产物CaCO₃在H₂O及CO₂的作用下会转变为易溶性的Ca(HCO₃)₂，并不断消耗水泥石内部的Ca(OH)₂形成淋滤作用，使得水泥石的孔隙度和渗透率增大，抗压强度降低。CO₂腐蚀对水泥渗透率的影响主要通过实验测得，但目前的实验研究存在如下问题：

1、CO₂腐蚀对水泥石渗透率变化规律的影响认识不清，不同学者得到的结果甚至相反。由于CO₂对水泥石的腐蚀受到实验温度、离子浓度、压力、水泥石原始渗透率、流体性质、水泥类型等多因素的影响，致使CO₂与水泥石的反应速率是不同的，具体表现为其孔隙度、渗透率以及抗压强度的变化随腐蚀时间的不同呈现较大的差异，导致不同学者在实验中得出的CO₂对水泥石腐蚀不同时间后孔隙度、渗透率以及抗压强度变化规律相反的结论，使得CO₂腐蚀对水泥石渗透率变化规律的影响认识不清。

2、现有CO₂腐蚀后水泥石渗透率的实验评价方法忽略了各腐蚀区域及水泥石的试件尺寸对整体渗透率的影响。CO₂与固井水泥石发生长期化学反应后，由水泥石表面向内侧将依次形成无定型SiO₂富集区、CaCO₃沉积区、Ca(OH)₂消耗区和未反应区4个区域。由于不同腐蚀区内物质组成和微观结构不同，导致各腐蚀区的渗透特性存在较大差异。目前CO₂腐蚀对水泥石渗透率的影响主要通过腐蚀反应后实验测得，然而腐蚀区域深度相对于实验水泥石试件较小，所测出的渗透率结果受实验水泥石试件的尺寸影响较大。在相同的实验条件下，水泥石尺寸越大，所测得腐蚀对其整体渗透率的影响就越小。这种评价方法由于实验条件和水泥石试件尺寸的不统一，无法真实的评价CO₂腐蚀对水泥石渗透率的影响程度。

3、CO₂对水泥石的腐蚀速率相对较慢而且影响因素较大，受实验条件及经费的限制，只能得出部分条件下短时间内的实验结果，不能全面的反映不同井下工况条件以及长期腐蚀后水泥石等效渗透率的变化规律。

4、现有的研究无法描述CO₂腐蚀后垂直于腐蚀方向水泥石等效渗透率的动态变化。水泥石受CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向的渗透率发生改变，而垂直于腐蚀方向上的渗透率决定了水泥环沿井筒方向上的封隔能力，垂直腐蚀方向水泥石渗透率的大小是评价CO₂腐蚀后水泥环完整性的重要参数。由于腐蚀区域的厚度较小，目前的室内实验无法进行垂直于腐蚀方向的渗透率测定；理论研究方面，也尚未提出垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率的评价方法，因此现有的研究无法描述CO₂腐蚀后垂直于腐蚀方向水泥石等效渗透率的动态变化。

含CO₂气藏及CO₂驱注井中，CO₂对水泥石的腐蚀不可避免。真实准确的评价不同CO₂腐蚀阶段垂直腐蚀方向水泥石的等效渗透率是井筒完整性评价和补救措施确定的重要依据，然而目前国内外尚未提出垂直于CO₂腐蚀方向水泥石等效渗透率的评价方法。因此，亟需一种科学的评价方法解决上述问题，揭示不同CO₂腐蚀阶段垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率的动态变化规律。

发明内容：

本发明的目的是提供CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，这种CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法用于解决由于腐蚀区域的厚度较小，目前的室内实验无法进行垂直于腐蚀方向的渗透率测定的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法:

步骤一、根据油井或水井被腐蚀处固井水泥石所对应的实际地层温压条件、 CO₂含量、离子含量及固井水泥石参数，通过数值模拟得出不同时间固井水泥石内各腐蚀区域厚度的模拟结果h_i以及未腐蚀区域厚度h₄，i为腐蚀区域编号，i＝1， 2，3，h₁为无定型SiO₂富集区、h₂为CaCO₃沉积区，h₃为Ca(OH)₂消耗区；

步骤二、计算固井水泥石各腐蚀区域内每种矿物不同时间的体积分数：

φ_j,i,t+Δt＝φ_j,i,t+V_j×r_j,i,t+Δt×Δt

式中：j为水泥中矿物种类编号；φ_j，i，t为第j种矿物在i区域t时间的体积分数； V_j为矿物j的摩尔体积；r_{j，i，t+Δt}为j物质在i区域t时间的反应速率；Δt为时间步长；

步骤三、计算固井水泥石各腐蚀区域的孔隙度φ_i：

式中：N_j为腐蚀区域矿物的数量；φ_j,i,t+Δt为各种矿物的体积分数；

步骤四、计算固井水泥石各腐蚀区域的渗透率k_i：

式中：φ为固井水泥石腐蚀前各腐蚀区域的孔隙度、φ_i为固井水泥石腐蚀后各腐蚀区域的孔隙度；k为固井水泥石腐蚀前各腐蚀区域的渗透率，k_i为固井水泥石腐蚀后各腐蚀区域的渗透率；

步骤五、结合步骤一模拟结果，计算不同腐蚀阶段垂直腐蚀方向水泥石的等效渗透率：

式中：h_总为固井水泥石试件长度，k₁为固井水泥石腐蚀后无定型SiO₂富集区的渗透率、k₂为固井水泥石腐蚀后CaCO₃沉积区的渗透率，k₃固井水泥石腐蚀后为Ca(OH)₂消耗区的渗透率。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法主要基于数值模拟的结果，只需进行少量的室内实验进行验证即可，节省了大量的实验时间和实验成本。

(2)本发明提供的CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，可以得出不同腐蚀时间对垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率的影响，能够进行较长腐蚀时间下的垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率动态评价。

(3)本发明提供的CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，可以进行不同腐蚀条件下的垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价，能够通过对比分析真实准确的得出影响垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率的主要因素。

(4)本发明提供的CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，考虑了水泥石试件尺寸对垂直腐蚀方向等效渗透率的影响，能够更为真实的评价CO₂腐蚀对井下不同尺寸环空水泥石垂直腐蚀方向等效渗透率的影响程度。

(5)本发明提供的CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，填补了CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价的空白，为定量评价CO₂腐蚀后水泥石的密封完整性提供了理论依据。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的说明：

这种CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法:

步骤一、根据油井或水井被腐蚀处固井水泥石所对应的实际地层温压条件、 CO₂含量、离子含量及固井水泥石参数，通过数值模拟得出不同时间固井水泥石内各腐蚀区域厚度的模拟结果h_i以及未腐蚀区域厚度h₄，i为腐蚀区域编号，i＝1， 2，3，h₁为无定型SiO₂富集区、h₂为CaCO₃沉积区，h₃为Ca(OH)₂消耗区；

步骤二、计算固井水泥石各腐蚀区域内每种矿物不同时间的体积分数：

φ_j,i,t+Δt＝φ_j,i,t+V_j×r_j,i,t+Δt×Δt

式中：j为水泥中矿物种类编号；φ_j，i，t为第j种矿物在i区域t时间的体积分数； V_j为矿物j的摩尔体积，单位为m³·mol^-1；r_{j，i，t+Δt}为j物质在i区域t时间的反应速率，单位为mol·m^-3·s^-1；Δt为时间步长，单位为s；

步骤三、计算固井水泥石各腐蚀区域的孔隙度φ_i：

式中：N_j为腐蚀区域矿物的数量；φ_j,i,t+Δt为各种矿物的体积分数；

步骤四、计算固井水泥石各腐蚀区域的渗透率k_i：

式中：φ为固井水泥石腐蚀前各腐蚀区域的孔隙度、φ_i为固井水泥石腐蚀后各腐蚀区域的孔隙度；k为固井水泥石腐蚀前各腐蚀区域的渗透率，单位为10^-3um²， k_i为固井水泥石腐蚀后各腐蚀区域的渗透率，单位为10^-3um²，其中i＝1，2，3， k₁为固井水泥石腐蚀后无定型SiO₂富集区的渗透率、k₂为固井水泥石腐蚀后 CaCO₃沉积区的渗透率，k₃固井水泥石腐蚀后为Ca(OH)₂消耗区的渗透率。

步骤五、结合步骤一模拟结果，计算不同腐蚀阶段垂直腐蚀方向水泥石的等效渗透率：

式中：h_总为固井水泥石试件长度，单位为mm，k₁为固井水泥石腐蚀后无定型SiO₂富集区的渗透率、k₂为固井水泥石腐蚀后CaCO₃沉积区的渗透率，k₃固井水泥石腐蚀后为Ca(OH)₂消耗区的渗透率，h₁为无定型SiO₂富集区、h₂为 CaCO₃沉积区，h₃为Ca(OH)₂消耗区，h₄为未腐蚀区域厚度。

这种等效渗透率评价方法考虑了不同CO₂腐蚀阶段水泥石内部微观腐蚀区域的特性及试样尺寸对垂直腐蚀方向等效渗透率的影响，更为真实准确的反映了CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率的变化规律，同时能够显著的降低室内实验的时间和成本。

Claims (1)

1.一种CO₂腐蚀后垂直腐蚀方向水泥石等效渗透率评价方法，其特征在于：

步骤一、根据油井或水井被腐蚀处固井水泥石所对应的实际地层温压条件、CO₂含量、离子含量及固井水泥石参数，通过数值模拟得出不同时间固井水泥石内各腐蚀区域厚度的模拟结果h_i以及未腐蚀区域厚度h₄，i为腐蚀区域编号，i＝1，2，3，h₁为无定型SiO₂富集区、h₂为CaCO₃沉积区，h₃为Ca(OH)₂消耗区；

步骤二、计算固井水泥石各腐蚀区域内每种矿物不同时间的体积分数：

φ_j,i,t+Δt＝φ_j,i,t+V_j×r_j,i,t+Δt×Δt

式中：j为水泥中矿物种类编号；φ_j，i，t为第j种矿物在i区域t时间的体积分数；V_j为矿物j的摩尔体积；r_{j，i，t+Δt}为j物质在i区域t时间的反应速率；Δt为时间步长；

步骤三、计算固井水泥石各腐蚀区域的孔隙度φ_i：

式中：N_j为腐蚀区域矿物的数量；φ_j,i,t+Δt为各种矿物的体积分数；

步骤四、计算固井水泥石各腐蚀区域的渗透率k_i：

式中：φ为固井水泥石腐蚀前各腐蚀区域的孔隙度、φ_i为固井水泥石腐蚀后各腐蚀区域的孔隙度；k为固井水泥石腐蚀前各腐蚀区域的渗透率，k_i为固井水泥石腐蚀后各腐蚀区域的渗透率；

步骤五、结合步骤一模拟结果，计算不同腐蚀阶段垂直腐蚀方向水泥石的等效渗透率：

式中：h_总为固井水泥石试件长度，k₁为固井水泥石腐蚀后无定型SiO₂富集区的渗透率、k₂为固井水泥石腐蚀后CaCO₃沉积区的渗透率，k₃为固井水泥石腐蚀后Ca(OH)₂消耗区的渗透率，k₄为固井水泥石腐蚀后未腐蚀区域的渗透率。