不同套管-井眼组合下旋转套管速度分析研究

旋转套管可以有效提高水泥浆顶替效率，从而提高固井质量。根据旋转套管理论模型及粘性不可压缩液体的运动方程。推导出了不同套管井眼组合条件下套管旋转产生的径向速度分布计算公式，并计算了在不同套管一井眼组合条件下旋转套管时流体径向速度分布。结果表明，环空间隙越小，其因旋转引起的速度下降沿径向衰减速度越平缓，旋转套管效果越好，证明旋转套管对提高小间隙固井质量意义更大。     

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。     

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。     

套管下入激动压力计算模型及影响因素分析

套管下放产生激动压力可能会压漏薄弱地层,造成井下复杂.基于此问题,根据平板层流模型,建立一种适应于现场的激动压力计算模型.采用数值计算求解,分析钻井液性能、环空间隙、套管下深对激动压力的影响,结果表明,钻井液流变性和胶凝结构同激动压力密切相关,套管进入裸眼段前循环钻井液能减弱钻井液触变性,有利于降低激动压力;环空间隙越小激动压力越大;在上层套管内下套管也应控制下放速度,对窄安全密度窗口井而言可能因猛下套管造成井漏.     

基于赫巴流变模式的旋转套管顶替效率计算

旋转套管是提高固井顶替效率的重要措施。为了定量计算注水泥时旋转套管的顶替效率,使用微元分析法,对旋转套管时水泥浆驱替钻井液状态进行了受力分析,建立了顶替界面达到平衡时的顶替效率计算模型,可以计算出不同旋转套管转速时的不同周向角顶替效率。计算表明,当旋转套管转速大于10 r/min时,会有效减小近井壁钻井液滞留层厚度,适当提高稠度系数,流性指数在0.4～0.7之间时,旋转套管能使顶替效率显著提升。      

偏心环空循环压耗的数值模拟与验证

在水平井和复杂结构井中，井斜角和方位角随井深不断变化，套管在井内不易居中，影响流体在环空中的流动状态和循环摩阻。现有的偏心摩阻压耗计算模型是基于特定井眼尺寸和流体性能条件下建立的，不具备普适性。为此，结合某水平井井眼尺寸和流体性能，基于计算流体力学(CFD)的仿真理论与方法，分析了不同套管偏心度和直径比对环空流态与摩阻压耗的影响，对比了套管居中和套管偏心工况下环空摩阻压耗与当量循环密度(ECD)分布特征。结果表明：随着偏心度增大，宽间隙中心流速增大，壁面低流速域增多，增加了流体滞留量；直径比越小，有助于提高窄间隙流速；环空间隙越小，套管偏心对摩阻压耗影响越大。实例井偏心环空摩阻压降比同心环空低2.16 MPa;文章建立的摩阻压降计算模型比现有经典模型误差更小，为偏心环空下摩阻压降的准确计算提供了可靠的计算方法。     

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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及泥浆处于剪切状态，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     

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川渝东部地区由于钻井地质情况复杂，钻井成本高，大部分井完井井身结构设计为Φ152.4 mm井眼下Φ127 mm套管固井完井。川渝东地区碳酸盐岩深部地层井眼扩大率较小，一般在2%～5%，实际井径一般在Φ152 mm～Φ158 mm以内，在Φ152.4 mm井眼下Φ127 mm套管环空间隙小，长期以来固井优质率一直徘徊在20%左右，层间封隔质量难以保证。较低的固井优质率难以保证完井作业中的酸化、压裂质量和油气生产作业。为此，文章认真分析了小井眼固井质量低的主要原因是环空间隙值较小。为提高小井眼固井质量，开展了提高小井眼井径扩大率研究，对于全面钻进井段开展双心钻头、取心井段采用扩眼器提高井径扩大率研究，使小井眼井径扩大率达到10%以上、实际井径达到165 mm以上，保证和提高了小井眼的固井质量，固井优质率达50%左右。     

利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究

深层页岩气水平井环空带压问题较为普遍,套管-水泥环界面处微环隙是导致环空带压的主要原因。针对该问题,运用力学实验手段和数值模拟方法,分析了预应力固井条件下微环隙的产生与发展,明确了不同预应力条件下水泥环耐受压裂段数。结果表明:套管内压越小,水泥环保证密封完整性时可承受的循环载荷次数越多;循环载荷作用下微环隙宽度为30.89μm是发生气窜的临界值。预应力固井显著降低了初次塑性变形量,增大了塑性变形增量;考虑预应力作用下套管产生的径向预应变,预应力固井技术显著降低了微环隙的宽度,增加了多级压裂过程中水泥环密封完整性的耐受压裂段数。预应力值越高,微环隙出现前的耐受压裂段数越多;压裂段数相同的情况下,预应力越大水泥环微环隙越小。现场应用结果表明,采用预应力固井技术及低弹性模量水泥浆,可以有效缓解深层页岩气水平井套管环空带压现象。研究结果可为页岩气水平井固井提供技术支持。     

旋转套管对大斜度井偏心环空顶替效率影响的研究

基于赫巴模型,利用数值模拟方法研究了套管旋转与不旋转下密度差和偏心度对顶替效率和顶替界面的影响。结果表明,随着密度差或偏心度的增大,顶替效率先增大后减小。在相同的顶替条件下,旋转套管可以提高顶替效率。同时模拟分析了不同套管转速对顶替效率的影响。考虑固井要求和操作,建议套管转速为20r/min左右为宜。     

环空圈闭压力对水泥环密封失效的影响

针对深水高温高压井环空圈闭压力变化可能造成水泥环密封失效的问题,现有文献大多从现场管理措施及理论模型的角度进行研究。鉴于此,基于全尺寸水泥环密封完整性试验装置,模拟了环空不同圈闭介质形成的压力随温度的变化规律,提出了一种套管内采用硅酸铝复合隔热涂料控制环空圈闭压力的新方法,并通过窜流试验研究了不同流体圈闭压力对水泥环密封完整性的影响规律。研究结果表明:不同圈闭流体对温度的敏感性差异较大,盐水钻井液最为敏感,油基钻井液温度敏感性最小;环空圈闭压力对水泥环密封完整性影响较大,环空圈闭压力越大,水泥环气窜压力越小;套管内采用硅酸铝复合隔热涂料,可有效减少井筒约50%热量传递,增强了井筒防气窜能力,可以有效抑制环空圈闭压力,保障井筒安全。研究结果可为深水高温高压井环空圈闭压力的控制提供技术支持。     

硅酸钠前置液在委内瑞拉重油带固井中的应用

委内瑞拉重油带地区,稠油储藏深度浅,泥页岩盖层疏松,地层裂缝发育,以往固井作业采用常规前置液体系,井漏时有发生,固井环空冲洗净化能力差,界面胶结强度低,导致热采作业环空窜流及含H2S和CO2等地层酸性流体对漏封套管腐蚀,缩短了油井使用寿命。进行了硅酸钠溶液与泥岩地层中的CaCl2、MgCl2等盐类化合物成分反应生成硅酸盐类凝胶物质的实验,通过研究,将25%硅酸钠溶液应用于前置液,在冲洗液和隔离液之间注入,较好地解决了固井漏失问题,提高了封固质量和水泥界面胶结强度。指出,施工时硅酸钠溶液必须与水泥浆进行有效隔离,避免水泥浆污染增稠或稠化时间缩短。     

硅酸钠前置液在委内瑞拉重油带固井中的应用

委内瑞拉重油带地区,稠油储藏深度浅,泥页岩盖层疏松,地层裂缝发育,以往固井作业采用常规前置液体系,井漏时有发生,固井环空冲洗净化能力差,界面胶结强度低,导致热采作业环空窜流及含H2S和CO2等地层酸性流体对漏封套管腐蚀,缩短了油井使用寿命。进行了硅酸钠溶液与泥岩地层中的Ca Cl2、Mg Cl2等盐类化合物成分反应生成硅酸盐类凝胶物质的实验,通过研究,将25%硅酸钠溶液应用于前置液,在冲洗液和隔离液之间注入,较好地解决了固井漏失问题,提高了封固质量和水泥界面胶结强度。指出,施工时硅酸钠溶液必须与水泥浆进行有效隔离,避免水泥浆污染增稠或稠化时间缩短。     

井筒无钻井液固井技术

空气钻井完井后需要转化好钻井液才能下套管进行固井作业。转化钻井液不仅浪费材料，还会带来诸如井壁稳定、防漏、套管挤毁、环空封固质量差等一系列技术问题。通过优化水泥浆性能，采用正、反注水泥工艺，实现了空气钻井后不转化钻井液直接下套管进行固井作业，既保证了施工安全和质量，还缩短了完井周期。现场进行了9口井的实际应用，最大井深3000 m，固井一次成功率100%，固井合格率100%。     

四川盆地窄密度窗口超深井控压固井工艺

四川盆地地质构造复杂,以川西地区为例,井深7000 m以上,安全密度窗口仅0.05~0.08 g/cm3,固井漏失风险高,通常被迫反挤水泥浆补救,固井质量段长合格率仅39.6%。基于此,开展控压固井工艺研究,以川西地区为例,分析了井筒工作液密度、钻井液流变性、顶替排量、环空控压值对固井防漏和顶替效率的影响。研究表明,控压固井前钻井液等井筒工作液密度下调范围宜在0.05~0.08 g/cm3;钻井液动切力宜低于6 Pa;固井顶替排量应不低于22 L/s,即环空返速为0.9m/s,同时顶替后期应根据薄弱层位压力当量密度,采取变排量顶替技术;采用控压下套管工艺和分段憋压候凝技术解决常规下套管工艺和候凝工艺的不足。控压固井技术在四川盆地窄密度窗口超深井应用26井次,创造了多项应用指标记录,最大井深7793 m,最小密度窗口0.05 g/cm3,一次上返率为100%,固井合格率为100%,复杂易漏失井固井质量段长优质率由21.45%提高到44.58%,较好地解决了固井漏失低返问题。     

四川盆地窄密度窗口超深井控压固井工艺

四川盆地地质构造复杂,以川西地区为例,井深7000 m以上,安全密度窗口仅0.05~0.08 g/cm3,固井漏失风险高,通常被迫反挤水泥浆补救,固井质量段长合格率仅39.6%。基于此,开展控压固井工艺研究,以川西地区为例,分析了井筒工作液密度、钻井液流变性、顶替排量、环空控压值对固井防漏和顶替效率的影响。研究表明,控压固井前钻井液等井筒工作液密度下调范围宜在0.05~0.08 g/cm3;钻井液动切力宜低于6 Pa;固井顶替排量应不低于22 L/s,即环空返速为0.9m/s,同时顶替后期应根据薄弱层位压力当量密度,采取变排量顶替技术;采用控压下套管工艺和分段憋压候凝技术解决常规下套管工艺和候凝工艺的不足。控压固井技术在四川盆地窄密度窗口超深井应用26井次,创造了多项应用指标记录,最大井深7793 m,最小密度窗口0.05 g/cm3,一次上返率为100%,固井合格率为100%,复杂易漏失井固井质量段长优质率由21.45%提高到44.58%,较好地解决了固井漏失低返问题。      

注触变性水泥停泵安全启动压力预测

触变性水泥浆是现场防窜、堵漏的有效手段之一,但是在注水泥过程中若临时停泵,再启泵时启动压力会随停泵时间增加而增大,启动压力过大可能压漏薄弱地层,甚至无法启泵。针对上述情况,在分析多种触变性模型的基础上,提出了描述触变性水泥浆特征的模型;并将该模型与压降方程结合,得出了注触变性水泥停泵安全启动预测模型。用该模型分析触变性水泥浆在不同井身结构下的启动压力,实例计算结果表明:停泵时间越长,环空间隙越小,所需要启动压力越大,停泵30或60 min后启动压力分别达到13.94和21.12 MPa,选用φ139.7 mm的套管停泵30 min的启动压力比用φ177.8 mm的套管低了4.66 MPa,停泵60 min的启动压力降低了7.51 MPa,触变剂加量改变影响附加压耗,触变剂加量由5%降为2.5%后,30 min的启动压力降低了42.73%。因此触变性水泥浆应在环空间隙较大的井使用,可降低因故停泵重启泵时的风险。      

The Mechanism of Radial Separation of Cement Sheath and Casing during Temperature Cycling

1. Introduction Generally, wellbores are in good condition at the early stage of service because such disturbance as formation creep and corrosion failure of the casing has not fully developed. However many casing failures in cyclic steam injection wells indicate that the failures occur mainly in the first three cycles of steam injection, and the most common phenomena are casing collapse and steam leakage outside the casing. Willhite and Dietrich (1967) analyzed the maximum temperatures that t…     

一种低温低密度可固化隔离液的研制与性能评价

为适应海上“零排放”的环境保护政策,最大限度减少环空自由套管长度,同时为了提高斜井（尤其大位移井段、水平井段）固井顶替效率,改善固井二界面封固质量,研制了一种低温低密度条件下可固化的隔离液LL-CSF。对其进行性能评价,结果表明：① LL-CSF与钻井液和水泥浆具有良好的相容性,满足固井作业对前置液的要求;② LL-CSF与钻井液和水泥浆的混合液固化体抗压强度达到1.6 MPa以上,且与钻井液的混合液固化体也具有一定的抗压强度;③温度为20℃和40℃时,LL-CSF有利于提高固井二界面抗剪切强度,且40℃下可提高约3倍,但温度超过60℃时则不利于固井二界面胶结;④随着温度和时间的增加,LL-CSF固化体抗压强度先增大后降低,但随着LL-CSF密度的增大,其固化体抗压强度总体呈增大趋势;⑤ LL-CSF固化体具有较好的耐久性和稳定性。LL-CSF固化机理初步认为先是矿渣中富钙相和富硅相分解,然后各种离子和化学键重组而形成相应的水化产物。LL-CSF具有成本低廉、现场实施简便,可满足海洋固井的特殊需求,即在低温（小于40℃）且水泥浆不返到地面而又需要隔离液固化充填的固井中具有一定的应用前景。