影响固井注水泥顶替效率的主要问题及其研究进展

理论研究与现场实践表明,注水泥顶替效率低主要是由套管偏心度过大、环空壁面上钻井液滞留层形成和注水泥顶替界面失稳造成的。针对上述三方面问题,调研了目前固井注水泥顶替机理的研究方法与成果,分析了研究中存在的不足,提出了注水泥顶替机理后续研究的相关目标:建立套管极限偏心度与井斜角、流体流变性能等参数的定量模型,进而指导下套管时扶正器安放设计(尤其是在大斜度井和水平井中);针对环空壁面上钻井液滞留层问题,理论分析其形成条件,确定无滞留层形成时流体性能参数之间满足的定量关系;为保证注水泥顶替界面的稳态,需研究适用于在不同井斜角的偏心环空中两相流体(非牛顿流体)之间顶替界面的理论模型,从而推导实现界面稳态的定量条件。通过对注水泥顶替机理开展系统的理论研究,可为提高顶替效果、改善固井质量提供一定的参考和依据。     

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。      

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。     

固井顶替界面研究方法分析

稳定平齐的顶替界面可以有效地防止钻井液对水泥浆的污染,降低环空钻井液的迟流和滞留现象,提高固井界面的胶结质量和环空封隔的效果.文中首先总结了固井顶替界面的主要影响因素,然后分析了3种固井顶替界面研究方法的优缺点,最后根据目前固井顶替界面研究的不足提出了今后的研究方向及相应建议：以二维Hele-Shaw模型为基础,深化稳定顶替界面的形成机理及条件研究,并通过数值模拟和室内实验的方法进行验证,建立相应的注水泥稳定顶替界面参数设计方法及标准,并开发相应的通用软件,以便于现场应用.     

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。     

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。     

旋流扶正器导流能力评价

固井作业中，首要解决的是注水泥顶替泥浆的问题。如果水泥浆未能“替净”环空泥浆，再好的水泥浆体系也根本不起作用。使用旋流扶正器既可提高套管的居中度，又可对流体进行导流而形成螺旋流，还可以提高环空水泥浆对泥浆的顶替效率。为此，采用理论与实验相结合的方法，深入研究了评价旋流扶正器的导流能力的合理指标，在此基础上研究了旋流扶正器的导叶叶型、导流角、导叶高度，以及旋流扶正器的长度等结构参数对导流能力的影响。     

不同流态下水泥浆环空顶替的数值模拟研究

油气井固井过程中,水泥浆替净钻井液是高质量固井的前提条件.以赫巴模式作为研究水泥浆流变性的模型,并得出其流变参数的计算方法.通过运用数值模拟的方法,得出在不同流态下水泥浆性能和井身条件对环空顶替效率的影响规律.结果表明,塞流和湍流更有利于提高顶替效率,且不同流态下流变参数对顶替效率的影响规律类似,即水泥浆流性指数和稠度系数数值大于0.5时,顶替效率较高;静切力对顶替效率的影响变化幅度甚微;而井型越复杂,井斜角越大,顶替效率越低.研究结果将为优化固井注水泥设计和提高固井质量提供重要的理论依据,有利于指导现场的施工.     

重力效应对煤层气水平井固井顶替的影响研究

水平井技术是高效开发煤层气资源的重要方式,受水平段套管自重和下套管工艺的影响,水平段环空偏心问题严重,固井质量难以保证,严重影响了煤层气水平井后期的压裂、排水采气等工序。针对水平井偏心环空注水泥顶替时的偏心特点和重力效应,基于Level Set理论建立了水平井固井注水泥顶替界面控制模型,采用数值方法对模型进行了求解,分析了重力效应对顶替界面形态变化的影响,为水平井固井注水泥设计提供了理论支撑。研究结果表明,水平井偏心环空注水泥时存在着严重的上部指进、下部滞流现象,随着顶替时间的增加,指进高度增大;重力效应能够降低偏心效应引起的指进现象,水泥浆与前置液的相对密度越大,偏心效应引起的指进现象越不明显;但对于煤层气储层来说,水泥浆密度过大容易导致煤层伤害,仅仅依靠提高水泥浆密度无法实现稳定顶替,还需要通过水泥浆流变性的调整实现。     

泥页岩层不规则井眼环空注水泥顶替理论与技术

泥页岩层油气井井眼往往不规则,固井注水泥环空顶替效率低,严重影响着固井质量。目前国内外对之研究非常少,缺乏成熟的理论与技术。对井眼不规则影响固井质量的原因进行了分析,提出了有效解决不规则井眼环空钻井液在作业允许范围内被有效"替净"问题关键在于掌握不规则井眼几何形状及其与井斜角、套管偏心度、浆体性能、施工排量、旋流强度等对顶替界面的稳定性的影响规律; 在不规则井段,顶替液对被顶替液的作用机制,涡流强度与"替净"之间的关系,被顶替液的涡流结构变化规律等,亚滞留钻井液( 暂存于不规则段但能够不断流出的钻井液) 进入下游的扩散与迁移规律。因此,重视对不规则井眼固井环空顶替理论与方法前瞻性的研究具有重要意义。     

固井水泥浆环空顶替效率研究

为了在固井施工中,保障水泥浆胶结质量和提高水泥环密封效果,针对采用环空水泥浆顶替钻井液固井时,可能出现的钻井液滞留、顶替效率和顶替界面稳定性的问题,利用CFD流体仿真软件Fluent,针对竖直井建立了长度为100 m,外径为215.9 mm,内径为139.7 mm的环空顶替物理模型,开展偏心度、顶替速度、密度差对环空顶替界面稳定性及顶替效率的影响研究。仿真结果表明,顶替速度是影响顶替界面稳定性及顶替效率的一个因素,当低速度顶替时,顶替界面比较稳定,顶替效率较高;偏心度也会影响顶替界面稳定性及顶替效率,随着偏心度的增加,顶替界面越来越不稳定,界面出现倾斜,顶替效率也随之降低;密度差主要影响顶替界面的形态,在正密度差下,密度差越大,顶替界面越稳定,顶替效率也越高。降低套管偏心度、增大水泥浆的密度及进行低速下的层流顶替可提高界面稳定性,提升顶替效率。以上成果认识,对提升固井效率和固井质量具有一定指导意义。     

环空加压固井对双层套管水泥环界面径向应力的影响

环空加压固井技术能有效提高水泥环密封能力、降低环空带压问题的发生,为了准确掌握其作用的力学机理,基于弹性力学和界面位移连续条件,考虑环空加压固井施工过程,建立了环空加压固井套管–水泥环界面应力计算模型,研究了环空加压固井提高双层套管–水泥环系统密封能力的力学机理,并采用试验方法验证了理论模型的准确性.利用建立的力学分析...     

TAMBOCOCHA43区块尾管固井难点及对策

厄瓜多尔TAMBOCOCHA区块单井日产量300~1100 t。因开采需求导致井身结构特殊,φ244.5 mm技术套管下深距产层小于30 m,随钻井径数据失真严重,水泥浆用量难以确定,φ177.8 mm尾管固井施工风险高。下尾管前不通井、窄间隙顶替效率低、产层油水活跃等问题导致固井质量难以保证。通过对复合前置液体系设计,微膨胀胶乳水泥浆体系研究及窄间隙旋转尾管固井施工工艺研究,形成了TAMBOCOCHA区块底水油藏旋转尾管固井技术,该技术有助于尾管下入到位,准确估算裸眼段环空容积,有效提高套管居中度;前置液冲洗效率为93%,水泥浆12 h抗压强度为36.4MPa。现场应用15口井,固井质量优质率达95%,为强底水油藏大斜度小间隙井固井提供技术支撑,解决了厄瓜多尔TAMBOCOCHA区块特殊井身结构的固井难题。      

定向井固井注水泥顶替效率研究

本文依据非牛顿流体力学和两相管流力学理论,研究了定向井固井注水泥顶替效率问题。理论分析和实验结果是:对于定向井偏心环空注水泥情况,套管不居中是影响顶替效率的一个重要因素,但它不是唯一的、起决定性作用的因素。有时套管居中解决得很好,可是顶替效率和固井质量不见得高。所以,提高定向井偏心环空注水泥顶替效率的问题最终可归结为泥浆、水泥浆流变学问题。影响偏心环空注水泥顶替效率的关键因素是泥浆、水泥浆的动塑比和顶替流动压力梯度。通过优选泥浆、水泥浆性能参数和顶替流动的水力参数可以抵消套管偏心对顶替效率的影响,优选参数的数学模式可用本文的式(5)。此外,定向井固井时很难实现套管居中。固井施工中,与其扶正套管,不如再适当拉大套管扶正器安放间距,让扶正器之间的套管段呈斜置或弯曲状态,使偏心环空间隙具有三维不均匀性,从而使井中泥浆、水泥浆呈二、三维流动状态。泥浆、水泥浆的这种流动状态可以减小或消除偏心环空中的滞流区,有利于提高顶替效率。     

顺北一区超深井窄间隙小尾管固井技术研究

顺北一区超深井窄间隙小尾管固井面临水泥环薄弱、注替泵压高、顶替效率低、井下温度高和高压盐水层发育等一系列技术难题,固井质量难以保证。为解决该问题,在总结前期固井施工经验的基础上,完善了井眼准备技术,优化了抗高温防气窜弹韧性水泥浆体系,开展了水泥石密封完整性研究,进行了固井流变学设计及压稳防气窜工艺优化,形成了顺北一区超深井窄间隙小尾管固井技术。该固井技术在现场应用3井次,固井质量良好,后期施工未发生水侵,保证了窄间隙段的长效密封性。顺北一区超深井窄间隙小尾管固井技术,不但解决了该区块的固井难题,还保障了该区块的安全、高效开发。      

胜利油田沙河街组页岩油水平井固井技术

胜利油田沙河街组页岩油水平井固井时存在套管居中和安全下入难度大、水泥浆性能要求高和油基钻井液驱替困难等技术难点,为此研发了两亲冲洗隔离液体系、优选纤维膨胀水泥浆体系和塑性胶乳防窜水泥浆体系,并采取应用整体式弹性套管扶正器、偏心导向引鞋、漂浮顶替技术和环空加压等固井技术措施,初步形成了胜利油田沙河街组页岩油水平井固井技术...     

埕海油田大斜度井超短尾管固井技术

埕海油田大斜度井技术套管下不到底而漏封水层,采用尾管补救固井时存在超短尾管串在大斜度井段悬重轻、丢手和判断丢手是否成功困难、水层活跃易窜流、尾管串居中度差及顶替效率低等问题,为此进行了大斜度井超短尾管固井技术研究.在封隔式尾管悬挂器下部增加牵制短节,增大尾管串悬重;使用膨胀防窜水泥浆体系,以防止地层水窜流;应用PVI软...     

威远区块页岩气水平井固井技术难点及其对策

针对四川盆地威远一长宁国家级页岩示范区威远区块页岩气水平井固井中所面临的油基钻井液与水泥浆不相容、高密度油基钻井液驱替困难、水泥环在大型体积压裂条件下易破坏等问题,有针对性地开展了水泥环密封力学参数理论依据、保证界面胶结的驱油前置液、满足压裂条件的韧性水泥石和有利于井筒密封的固井工艺技术等研究,取得了如下成果:①建立了考虑水泥环塑性特征及界面胶结强度的水泥环密封完整性理论模型,可指导页岩气水平井水泥石力学性能设计,减小微间隙的发生;②开发了驱油前置液,其对油基钻井液的冲洗效率超过90%且与油基钻井液及水泥浆相容性好;③根据水泥环密封完整性理论模型所开发的韧性水泥石,在保证相对较高抗压强度的同时杨氏模量降低30%;④确定了清水顶替等适用于页岩气井的固井技术,有利于保证井筒的密封性能。该研究成果应用于现场的12口井,水平段平均固井优质率达到92%,后期压裂效果良好,有效地保证了井筒的密封完整性,为页岩气高效开发提供了技术支撑。     

卡拉赞巴斯油田浅层调整井防窜固井技术

卡拉赞巴斯油田老区浅层调整井固井后存在声幅测井质量合格率低、环空带压严重的问题,分析其原因是由于前期水泥浆设计指导原则脱离油田实际。针对现场实际要求,通过去掉降滤失剂、减少分散剂使用、选择合理实验温度、优化外掺料配比等措施调整水泥浆配方,调整后的低温早强水泥浆体系稠化时间、终凝时间可分别控制在2 h、4 h以内,8 h强度可达3MPa以上。对调整后的水泥浆体系进行了8井次的现场应用,固井合格率由前期的69%提高到90%以上,基本上解决了该油田薄油层、薄隔层、活跃水层调整井固井难题,为油田的高效开发创造了良好条件。