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。     

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。     

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。     

套管低偏心度下的水泥浆顶替界面特性研究

水平段固井顶替水泥浆时,国内外学者对水平井顶替的机理与顶替界面的变化规律还没形成系统的理论认识。鉴于此,针对水平井偏心环空固井的动态顶替问题,建立了考虑流态耦合与质量扩散的水平井偏心环空两相流体数值试验模型,对低偏心度下正密度差的顶替界面形态变化进行了长距离的数值模拟,在此基础上进行深入分析,揭示了随着偏心度增大,界面长度先减小后增大,顶替效率先增大后减小,存在一个临界最优偏心度,在该偏心度下界面长度增长最慢。最后结合现场施工指出,在水泥浆顶替设计时应以达到临界最优偏心度为目标,同时兼顾下套管难度,合理选择套管扶正器的位置、类型与尺寸,最大限度地接近临界最优偏心度,其次要尽量增大浆体的正密度差,这样仍能较好缓解界面的指进趋势,减小界面长度和混浆体积,提高顶替效率。研究结果对提高水平井的固井质量具有重要的指导意义。     

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。      

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。     

钻井液静切力对水平段固井顶替界面影响规律研究

水平封固段的固井顶替效果是水平井固井质量的关键问题,钻井液静切力是影响水平段固井顶替效果的重要参数。文章首先利用Gambit软件建立了300 m长水平段偏心环空数值模型,再利用Fluent软件基于国家超级计算中心天河一号计算平台,数值模拟隔离液顶替钻井液的过程。研究结果表明,在扶正器扶正条件和钻井液静切力调整允许时,尽量提高水平段套管居中度并降低钻井液静切力,可以达到理想的隔离液顶替效率与固井质量。当井眼条件差、扶正器下入困难时,降低钻井液静切力,可以大幅降低偏心环空窄边钻井液滞留,提高隔离液顶替效率和固井质量。当钻井液静切力较高不方便调整时,提高扶正器的扶正效果可以降低或抵消钻井液静切力对顶替的不利影响,提高隔离液顶替效率和固井质量。     

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。      

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。     

水平井偏心环空稳定顶替界面形状研究

固井顶替界面反映了顶替流体的掺混程度,降低顶替界面长度能够有效提高顶替效果和环空封固质量。由于水平井顶替剖面上密度差引起的驱动力与流体微元所在位置有关,即使稳定顶替的条件下,顶替界面也会由于驱动力的差异而产生局部凸进,使得顶替界面长度增加。文中考虑了水平井水泥浆与钻井液的密度差引起的驱动力沿周向角和半径的变化,采用二维Hele-Shaw顶替模型及微扰法理论,建立了水平井偏心环空稳定顶替界面形状描述模型,分析了水平井偏心环空顶替界面长度随密度差的变化规律,从而为设计合理的水泥浆与钻井液密度以降低水平井偏心环空稳定顶替界面长度提供理论依据。     

水平井偏心环空顶替流体密度差优化

顶替界面失稳指进造成的钻井液迟流是导致油气水窜槽的主要原因。水平井顶替界面受到套管偏心引起的宽窄间隙阻力效应和密度差引起的浮力效应共同影响,且两者对顶替界面的影响相反,因此有必要根据水平井套管偏心情况优化顶替流体密度差,从而提高顶替界面的稳定性。在总结三维数值模拟方法优缺点的基础上,采用该方法分析了水平井顶替界面长度随顶替时间的变化规律,以实现最小顶替界面长度为目标,得出了水平井套管偏心度与最优密度差之间的匹配关系。研究结果表明:水平井顶替界面长度随顶替时间增加增长幅度趋缓,但并不明显;在水平井套管偏心的情况下,密度差过大或过小都会降低顶替界面的稳定性,需要根据套管偏心度选取合理的密度差使得顶替界面长度最短。研究结果为水平井顶替参数和封固段长度设计提供了必要的理论依据。     

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。     

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。      

几种泥浆加重剂的减磨性能研究

在钻超深井、大斜度井、大位移井及水平井的过程中，套管和钻柱的磨损是必须考虑的问题。对套管磨损过程进行应力分析知，最大剪应力是造成套管磨损的主要原因；套管的磨损主要是接触疲劳磨损和磨粒磨损共同作用的结果。针对现有的减磨措施．文章利用改进的ML-100型试验机．分析对比几种泥浆加重剂的减磨性能．在钻井液中加入活性减磨加重剂，以改善钻井液的润滑性能．可方便有效地降低套管与钻枉的磨损。     

临时套管注气欠平衡钻水平井技术的研究

利用水平井特殊轨迹增产的特点，与利用欠平衡消除储层伤害增产的特点相结合，产生了“欠平衡钻水平井”的新技术。欠平衡钻水平井技术是目前国际钻井界发展的热点技术，有许多非常成功的实例。注气欠平衡钻水平井技术面临的两大技术难题是井下动力钻具不能正常工作和常规MWD无法正常工作。临时套管注气欠平衡钻水平井技术既保证了注气液降低环空液柱压力的作用，同时又保证了钻井液脉冲MWD和井下动力钻具完全工作于不含气的介质，能够正常工作。临时套管注气欠平衡钻水平井技术的关键有3个方面：新型双层注气套管头、临时套管的下部固定技术和配套工艺。通过对临时套管注气欠平衡钻水平井技术的研究，可以形成一套实用、有效的注气欠平衡钻水平井的成套技术，解决临时套管注气欠平衡钻水平井技术的特殊难题。     

幂律流体偏心环空流动中钻井液粘附系数研究

为了研究偏心环空中钻井液的粘附系数,建立了幂律流体偏心环空理论模型,用有限元软件Fluent对所建模型进行了模拟计算,分析了在环空紊流模型下钻井液粘附系数与套管运动速度及偏心距之间的关系,并对比分析了钻井液粘附系数和波动压力随偏心距的变化趋势。模拟中紊流计算采用κ-ε模型,假设幂律流体做稳定不可压缩流动。分析结果表明,当偏心距从0增大到完全偏心时,钻井液粘附系数减小值大于52%,受套管运动速度的影响较小,可以忽略;钻井液粘附系数和波动压力随偏心距具有相同的变化趋势,随着偏心距的增大,环空中波动压力逐渐减小,且从同心环空到完全偏心波动压力减小了74%。     

影响水平井产量的主要因素与提高产量的途径

系统分析了水平井井眼尺寸、井眼轨迹、水平井水平段长度和偏心距对水平井产量造成的影响。进一步研究了油藏的非均质性,不同驱动方式下水平井的位置,钻井液造成的地层伤害,几种不同的完井工艺和增产措施对水平井产量的影响。导出了水平井段最大长度计算公式,给出上述影响因素下在水平井生产中的可控制参数的合理选择,并提出了提高水平井产量的途径。     

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??At present, the aeration-assisted cutting-carrying technology is faced with complexities in the drilling of CBM multi-branch horizontal wells. For example, the aerating pressure is hardly maintained, and the borehole instability may happen. In view of these prominent problems, the double casing & binary circulation hole cleaning technology suitable for CBM multi-branch horizontal wells was developed according to the Venturi principle by means of parasitic tube insufflation which is used for well control simulation system. Then, a multiphase flow finite element model was established for the fluid-cutting particle system in this drilling condition. This technology was tested in field. Double-casing cementing is adopted in this technology and a jet generator is installed at the bottom of the inner casing. In the process of drilling, the drilling fluid injected through double intermediate casing annulus is converted by the jet generator into a high-efficiency steering water jet, which, together with the water jet generated by the bit nozzle, increases the fluid returning rate in the inner annulus space. It is indicated from simulation results that the cutting-carrying effect is the best when the included angle between the nozzle of the jet generator and the vertical direction is 30°. Besides, the influential laws of cutting size, primary circulation volume, accessory circulation volume and drilling velocity on hole cleaning are figured out. It is concluded that this technology increases the flow rate of drilling fluid in annulus space, the returning rate of drilling fluid significantly and the cutting-carrying capacity. It is currently one of the effective hole cleaning technologies for CBM multi-branch horizontal wells where fresh water is taken as the drilling fluid.     

沧东凹陷致密油气藏水平井钻井关键技术

为了提高沧东凹陷致密油气藏长水平段水平井的钻井安全和效率,分析了地层特点及钻进中面临的摩阻扭矩大、井眼轨迹控制难度大、紫红色泥岩地层钻速低和石膏层污染钻井液等技术难点,进行了井身结构优化、井眼轨道设计和井眼轨迹控制方式优选、钻井设备及工具优选、钻井液体系优选和性能优化、提速提效技术措施选择及套管安全下入方式优选,形成了沧东凹陷致密油气藏水平井钻井关键技术。在GD1701H井和GD1702H井的现场试验表明,该钻井关键技术可以解决沧东凹陷致密油气藏水平井钻井存在的技术难题,满足安全高效钻井的需求。综合研究认为,沧东凹陷致密油气藏水平井钻井关键技术应用效果良好,可为该类油气藏水平井钻井提供技术支持,建议进行推广。      

长宁-威远页岩气示范区水平井固井技术

四川盆地长宁-威远页岩气示范区油层套管固井时,由于井眼不规则,水平段长,水泥浆与油基钻井液兼容性差,钻井液密度高、黏切大,难以实现高效顶替,而且后期大型改造易造成套管变形、环空气窜等现象。针对以上难点,通过室内与现场试验探索,形成了一套页岩气水平井固井技术,从而提高了页岩气水平井的顶替效率和体积压裂下的井筒密封性,为下一步页岩气水平井固井提供了有益的借鉴。