低速注水泥过程中密度差对顶替效率的影响

针对石油固井现场在窄安全密度窗口条件下低速注水泥的情况，利用自行研制的偏心环空注水泥模拟试验装置，用相似液顶替试验研究了密度差对顶替界面以及顶替过程的影响规律。在膨润土浆相似液顶替试验中，采用出口混浆密度连续测量法，对密度差等因素影响顶替效率的规律进行了较为系统的研究。试验结果表明，该方法可行且操作简易成本低廉；顶替液与被顶替液密度差为正时塞流的顶替效果好于低速层流顶替，而顸替液与被顶替液密度差为负时顶替效率随雷诺数的增大而提高；在偏心环空低速顶替过程中，采用大的正密度差能够克服偏心影响而提高顶替效率。     

基于相场法的偏心环空注水泥顶替过程数值模拟

采用实验或理论方法研究偏心环空注水泥过程较困难,大多采用数值模拟方法,为了解决偏心环空注水泥顶替时存在的窄间隙和顶替界面追踪问题,考虑相界面间的表面张力并将其作为耦合变量,用NavierStokes方程描述流体流动,用Cahn-Hilliard方程表征相界面变化,建立了基于相场法的注水泥顶替模型,通过数值方法研究了偏心环空注水泥时的流场及顶替界面演变过程。结果表明:偏心环空注水泥存在宽边顶替液指进、窄边被顶替液滞流现象,容易使水泥浆混浆而降低固井质量;当偏心度、水泥浆、前置液或钻井液性能一定时,采用低排量顶替,有助于降低偏心效应对顶替效率的影响。该方法考虑了表面张力的影响,对于微通道多相顶替问题也适用,可以用于小井眼或裂缝性漏失地层等复杂工况下的注水泥顶替过程模拟;该方法能够观测到被顶替液的"滞流"现象,完善两相顶替控制方程,以更真实地模拟被顶替液"滞留"现象,是下一步数值模拟的研究方向之一。     

环空幂律液体旋流研究与应用

在油气井固井注水泥顶替技术中，多用一维轴向流顶替方式进行顶替。该顶替方式理论与实践证明不能有效替净环空被顶替液。轴向流顶替存在的最主要的缺点是顶替液对近井壁区的驱动能力弱，对边壁的高粘附钻井液及虚滤饼清除效果差，造成二界面附近难以被替净；对于变径、不规则环空流道，由于存在涡流而滞留的钻井液，轴向流顶替效果更差。而通过使用旋流扶正器不但可以提高套管居中度，而且可以改变液体流速剖面，产生螺旋流，从而增加周向剪切驱动力，这有利于将环空窄间隙钻井液和井壁附着虚滤饼驱替干净，从而提高水泥与地层的胶结质量，提高固井质量。为此，研究了旋流扶正器作用下形成的环空幂律液体螺旋流边壁剪切应力，提出了旋流扶正器安放间距设计的新理念，即根据旋流周向剪切驱动力与近壁滞留钻井液粘滞阻力相平衡的原则确定旋流扶正器安装位置。推导出了旋流扶正器安放间距设计理论公式，该公式简单，利于现场施工应用。     

偏心度和密度差耦合条件下水平井顶替界面特征研究

为了解水平井水平段偏心环空固井时的顶替界面特征,提高水平井水平段偏心环空固井的顶替效率,建立了考虑流态耦合与质量扩散的水平井水平段三维动态顶替数学模型,对水泥浆顶替隔离液过程中,偏心度和密度差耦合条件下的顶替界面形态进行了数值模拟。数值模拟结果表明:偏心度增大,偏心效应增强,顶替界面高边指进趋势增强;正密度差增大,浮力效应增强,顶替界面低边指进趋势增强;偏心度和密度差合适的耦合可使偏心效应和浮力效应达到临界平衡状态,此时顶替界面形态相对稳定且界面长度无明显增长,顶替效率最高。模拟结果为水平井水平段偏心环空固井提高顶替效率提供了理论依据。      

在旋流扶正器作用下环空流场旋流衰减规律研究

在油气井固井注水泥顶替技术中，传统的一维轴向流顶替方式不能有效替净环空被顶替液；而使用旋流扶正器不仅提高套管居中度，还能使环空流体改变流速剖面而做螺旋运动，这使轴向驱替的同时增加一周向剪切驱动力，从而有利于将环空窄间隙滞留泥浆和井壁附着虚滤饼驱替干净,提高固井质量。文章对旋流扶正器本身结构、流体性能、施工排量与旋流发展之间的关系进行了较为全面的研究，研究得出的旋流周向速度的经验公式，计算精度较高，对计算边壁剪切应力，设计旋流扶正器的间距具有重要的意义。     

偏心环空层流顶替滞留层边界位置研究

水泥浆顶替过程中环空边界处的泥浆所受的剪应力最大,随着顶替界面从环空最大流速位置处逐渐向两边扩展,泥浆层各处所受的剪应力逐渐减小,直到环空边界处的剪应力等于泥浆的动切力,顶替界面不再扩展,形成稳定的顶替边界。根据水泥浆顶替泥浆过程中顶替界面达到稳定的平衡条件,建立了偏心环空不同周向角下套管和井壁处的泥浆滞留层边界位置计算模型,通过计算表明：随着套管偏心度的增大,宽间隙处的剖面顶替效率变化不大,而窄间隙处的剖面顶替效率却急剧下降,易形成泥浆窜槽;泥浆滞留层首先在井壁处出现,井壁处的泥浆滞留层厚度和范围要明显高于套管处,严重影响第二胶结面固井质量,应重点加强第二胶结面顶替效率和固井质量技术的研究。     

注水泥顶替环空钻井液滞留角度优化计算

在油气井固井注水泥过程中,由于套管偏心,井眼环空各间隙处钻井液被水泥浆顶替的情况不同,窄间隙处的钻井液受到较大的阻力而容易滞留。为了保证固井质量,从流体受力分析出发,研究了水泥浆与钻井液密度差以及流体流变性能等因素对注水泥顶替效率的影响规律,建立了偏心环空内的钻井液滞留角度范围模型。采用"高斯数值积分结合弦割法"对该模型进行了数值求解,结合现场实际情况,计算了不同固井工况下的截面顶替效率,进而定量求得钻井液零滞留时的驱动压力梯度。对于直井和大斜度井,通过增大水泥浆与钻井液的密度差、降低钻井液静切力以及提高水泥浆动切力均有利于改善大斜度井和水平井内的注水泥顶替效率。     

活动套管提高注水泥顶替效率的理论分析

文章在假设偏心环空为楔形区域的情况下，利用流体力学理论及幂律流体在楔形区域中的流动方程，分析了旋转套管及上下活动套管时水泥浆及泥浆在偏心环空中形成的流场，并研究了旋转套管及上下活动套管对顶替效率的影响。结论认为注水泥旋转套管及上下活动套管都能使环空泥浆及水泥浆处于剪切状态，并且旋转套管还能在环空宽间隙外侧形成回流。正是由于这种剪切与回流作用破坏了泥浆的胶凝结构，消除了环空窄间隙处的泥浆滞流，因而提高了注水泥顶替效率。文章通过对旋转套管及上下活动套管在偏心环空中产生的流场计算与分析得知，增大环空流体的流性指数、旋转套管的转速及上下活动套管速度，可增大其剪切及回流作用，因而有利于破坏泥浆的胶凝结构，消除泥浆滞流，提高注水泥顶替效率。     

低速注水泥时密度差对顶替效率影响规律的数值模拟研究

借助计算流体力学(CFD)软件FLUENT,对环空低速注水泥顶替过程进行了数值模拟。分析了在低流速不同偏心度条件下,密度差对顶替效率和顶替界面稳定性的影响规律:套管偏心和非正密度差顶替都会影响顶替界面的稳定性;低速顶替时正密度差顶替效果最好,负密度差顶替效果最差;在偏心环空低速顶替过程中,采用较大的正密度差能够克服偏心影响而提高顶替效率。数值模拟结果与试验结果相吻合,表明采用数值模拟方法研究低速注水泥时密度差对顶替效率的影响规律是可行的。     

大斜度井偏心环空注水泥顶替数值模拟研究

为了进一步了解大斜度井注水泥顶替机理,提高注水泥顶替效率,借助计算流体力学软件Fluent,建立了大斜度井环空三维模型,采用流体体积法进行了水泥浆顶替钻井液的数值模拟研究。分析了井斜角、偏心度以及水泥浆与钻井液的密度差对顶替效率和顶替界面稳定性的影响规律:增大井斜角会降低注水泥顶替效率;在大斜度井偏心环空中,随着水泥浆与钻井液密度差的增大,顶替效率先增大后降低;在大斜度井中,套管偏心并不完全是降低顶替效率,当套管具有一定偏心(建议偏心度取为0.1~0.2)时,可在一定程度上阻止由于正密度差造成的水泥浆在环空低侧窄间隙突进,从而提高顶替效率。通过数值模拟,总结了大斜度井与直井注水泥顶替机理的区别,为大斜度井注水泥顶替参数设计提供了一定的参考和理论依据。      

固井前置液合理用量计算方法

前置液是固井浆柱结构必不可少的组成部分,主要用于稀释和隔离钻井液,以改善顶替效率和保证固井质量。提高固井质量的关键是有效清除井壁与套管壁上的虚泥饼,替净环空各间隙(尤其是窄间隙处)的钻井液。根据测试分析和数值模拟,建立了前置液合理用量的计算方法:借助六速旋转黏度计法,定量评价前置液对井壁泥饼的冲蚀能力;以流体力学软件数值模拟的方法,研究前置液对水平井段偏心环空内各间隙处钻井液的驱替能力。现场应用和结果对比表明,该方法有效提高了鄂尔多斯盆地定北地区的固井质量。该方法可适用于其他地区、不同井眼状况、不同前置液与钻井液性能下的前置液设计,为保证固井质量提供了一定的参考。     

YX型刚性套管扶正器研究

常用套管扶正器不能改变钻井液流动方向,而一些带滚子的螺旋式扶正器或螺旋式旋流扶正器又增加了制造难度。为此,研制了YX型刚性套管扶正器。通过流场模拟分析了扶正器高度及扶正棱高度对流体衰减的影响,以及扶正棱截面对过流特性的影响,并最终确定了相关几何参数。YX型刚性套管扶正器在保证套管居中的基础上,能在一定程度上改变传统的一维轴向流顶替方式,有效替净环空被顶替液,从而有利于将环空窄边滞留钻井液和井壁附着滤饼驱替干净,进一步提高固井质量。     

提升偏心环空注水泥顶替效率的浆柱结构优化分析

套管偏心是决定注水泥环空流速与流态演化的关键因素,进而制约了顶替效率的提升;优化浆柱结构是改善顶替效率的重要途径,而关于相关的理论机理未见报道。借助于计算流体力学Fluent软件,建立了不同套管偏心下水平环空3D模型,探讨了不同套管偏心下的顶替效率变化特性,结合套管偏心0.4时顶替效率差的案例,通过探究不同浆柱结构下的环空流体滞留体积分数,以推荐最佳注水泥浆柱结构。研究表明：(1)套管偏心0.1时,偏心效应与浮力作用下顶替效率优于居中工况;偏心度大于0.1后,在套管偏心与质量扩散效应耦合作用下,顶替效率逐渐降低;(2)先注入隔离液后注入冲洗液有利于充分发挥隔离液在正密度差下的顶替效果,再利用低密度冲洗液的冲刷作用,进而提高了顶替效率;(3)套管偏心时,宽边流速高于窄边,引起水泥浆从宽边提前返出,而窄边滞留大量钻井液的问题。模拟成果为偏心环空下浆柱结构设计与优化提供了重要理论依据。     

元坝地区φ146.1mm尾管固井技术难点与对策

元坝地区已完成11口井的φ146.1 mm尾管固井施工,其中有5口井固井质量不合格,合格率只有54.6%,这严重影响了地层评价及油气勘探开发进程。计算分析认为,不能压稳易导致气窜、窄间隙偏心、环空顶替效率低、井下高温及存在腐蚀性气体是该地区产层固井质量低的主要原因。室内数值模拟结果表明,水泥浆顶替效率随着偏心度的增大近似呈指数降低,而通过改善隔离液的稠度系数与流性指数可有效提高顶替效率,从而提出了合理设计环空液柱结构并采取环空加压措施以确保压稳、改善隔离液的流变性能、应用高温胶乳水泥浆体系等提高固井质量的技术措施,并在元坝11井φ146.1 mm尾管固井中进行了应用,固井质量合格率100%,优良率85.9%。     

定向井环空流变学模拟试验装置和试验方法

根据定向井注水泥环空流变学的若干特性，设计并建立了定向井环空流变学模拟试验装置，可完成在不同并斜角、偏心度、流体粘度和流量下对定向井环空顶替流变特性的模拟试验研究。运用压降分析法间接探讨了这些参数对定向井注水泥顶替效果的影响。由模拟试验结果得出了定向并注水泥顶替效果随这些参数变化的规律。     

隔离液流性指数对水平段顶替界面影响规律研究

水平段的固井顶替效率是水平井固井质量的关键,隔离液流变性是影响水平段固井顶替效率的重要参数。为此,基于国家超级计算中心天河一号计算平台,采用FLUENT软件进行1 000 s的长水平段偏心环空固井顶替数值模拟,研究隔离液流变性对固井顶替界面的影响规律。研究结果表明:低居中度时,减小隔离液流性指数,可以大幅减少环空宽边与窄边隔离液滞留,减小顶替界面长度,提高顶替效率;中等居中度时,减小隔离液流性指数,可以大幅减少环空宽边隔离液滞留,有效减小顶替界面长度,提高顶替效率;高居中度时,减小隔离液流性指数,有利于减少环空宽边隔离液滞留,减小顶替界面长度,提高顶替效果;理想居中度条件下,隔离液流性指数一定不能大,否则出现严重的水泥浆窜流。研究表明,固井设计施工时需考虑隔离液流变性与套管居中度,以降低环空高边窜流的概率,提高固井质量。      

小眼井层流注水泥顶替机理分析

用宾汉流体建立了水泥浆层漉顶替钻井液的理论模型。机理分析表明，小眼井中套管偏心对层流注水泥宽窄间隙顶替速度差异影响显著，而顶替压力梯度影响较小。在层流条件下．增加水泥浆动切力和水泥浆与钻井液密度差并减小钻井液动切力，有利于使整个环空钻井液顶替。但由于套管偏心是小眼井环空的显著特征，在实际注水泥中，尽量避免采用层流顶替模式。     

考虑钻具屈曲的环空流动仿真研究

在小井眼定向井和水平井钻井过程中,钻具屈曲会对环空流场、压力场产生较大影响。文中借助流体动力学计算软件ANSYS FLUENT开展了考虑钻具正弦、螺旋屈曲的环空流动仿真模拟,系统地研究了不同环空偏心距、不同转速等因素对环空流场和流动压降的影响规律。研究发现:同心环空中,流体流速沿径向对称分布,偏心、屈曲环空中偏离对称分布;环空间隙越大,环空流速就越大;当考虑钻柱旋转时,钻柱旋转对环空窄间隙处流速的影响比对环空宽间隙处的影响要大,可明显提高环空窄间隙处的流速;同心环空、偏心环空压降值沿井深呈线性增加,偏心度越大,压降越小;屈曲环空压降值沿井深呈非线性增加,转速越大,压降越小。仿真结果与实验结果相比,具有较高的准确性,对真实钻井条件下环空压降的计算具有一定的指导意义。     

环空水泥浆顶替界面稳定性数值模拟研究

借助计算流体力学(CFD)软件FLUENT6.0,利用流体体积法(VOF)对环空内水泥浆顶替进行了数值模拟,模拟环空井筒长为10m,外径为0.112m,内径为0.089m。在不同流态、不同流动雷诺数和不同环空无量纲偏心度的条件下进行了计算,得到了顶替速度及偏心度对顶替效率以及界面稳定性的影响规律。与实验数据对比表明,数值模拟得到的结果与实验结果相吻合。模拟结果表明,降低套管偏心度及进行湍流顶替或低速下的层流顶替有助于界面稳定和提高顶替效率。     

宾汉塑性流体中旋流扶正器间距设计方法

油气井固井注水泥施工时使用旋流扶正器导流产生螺旋流的顶替方式,可以大大提高注水泥顶替效率;但是,目前油气井固井使用旋流扶正器大多凭借经验,缺乏理论依据和行业标准。对固井施工使用较多的宾汉塑性流体介质条件下旋流扶正器的井下间距设计方法进行了研究。使用聚丙烯酰胺配制相似液模拟直井条件下的环空流体进行实验,使用吊线法测取沿程旋流角,得出宾汉塑性流体在旋流扶正器导流作用后旋流衰减规律,通过受力平衡分析推导出了被顶替液静切力小于等于和大于1.81倍顶替液的动切力值时的旋流扶正器安装间距计算公式;该公式反映了井眼环空结构、旋流扶正器导流角、导叶高度,以及宾汉塑性流体性能对旋流扶正器井下间距的影响,为指导旋流扶正器井下间距设计、优化固井液的性能、合理使用施工排量提供了依据。