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。     

页岩储层水平扩径井段固井顶替效率数值模拟研究

提高水平扩径井段顶替效率是提高水平井固井质量的途径之一，但相关研究存在假设过于理想化、与现场实际不相符的问题。为此，利用CFD数值模拟方法，以大庆油田古龙页岩储层为例，开展了椭圆形水平扩径井段固井水泥浆三维顶替模拟研究。结果表明：偏心度越高，扩径段的宽窄间隙处的流速差越显著，偏心度为0.7时，流速差达到2.00 m/s,钻井液很难被完全顶替；最大扩径段位于扩径段中部时，水泥浆顶替效率最高，扩径段靠近最大扩径处一侧时，水泥浆顶替效率变差，易形成钻井液滞流区；套管高偏心度条件下，顶替效率随套管转速增加显著改善，偏心度为0.7时，套管转速从30 r/min增至40 r/min,顶替效率提高1.17个百分点；主轴旋转会改变扩径段的几何形状，主轴方位角为60～120°时，顶替效率变化明显，由60°增至90°时，顶替效率降低0.81个百分点。该研究结果有助于提高页岩储层椭圆形水平扩径井段的固井质量。     

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。     

套管偏心对水平井顶替效果的影响

水平井套管偏心引起的钻井液局部滞留制约了水平井固井质量的提高和水平井优势的发挥,为了准确地描述水平井环空钻 井液滞留的规律以及范围,考虑水平井套管偏心条件下水泥浆与钻井液密度差引起的驱动力对顶替界面扩展的影响,根据顶替界面达 到稳定的平衡条件建立了水平井偏心环空套管和井壁处的钻井液滞留层边界位置计算模型,分析了套管偏心对水平井顶替效果的影响 。研究得出:套管上偏心时随着偏心度的增加,顶替效率降低,环空水泥环的厚度分布不均程度增大;套管下偏心时顶替效率随着偏 心度的增加而提高,环空水泥环的厚度先是趋于均匀而后逐渐变为非均匀;水平井套管下偏心偏心度控制为0.1~0.2能够获得较好的 固井质量,应严格控制套管上偏心以防止整体钻井液窜槽和水泥环厚度分布不均现象的出现。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

固井钻井液零滞留临界静切力计算方法

针对窄压力安全窗口油气井固井采用低速塞流顶替的情况，在对水泥浆顶替钻井液的受力关系进行分析的基础上，提出了具体量化固井前调整钻井液静切力的计算方法。分析了钻井液零滞留临界静切力与密度差、水泥浆动切力、井眼与套管尺寸组合的关系。建议在固井施工中，尽量减少钻井液在井内的静置时间，因钻井液随时间的增加静切力要增加。在固井时，应尽量采用水泥浆密度大于钻井液密度的正密度差顶替方法，可提高顶替效率。     

固井注水泥浆顶替效率评估的新模型

提高固井注水泥浆顶替效率是保障水泥环密封性能的前提,已有的理论和实验室方法多集中于两相流(钻井液/隔离液、隔离液/水泥浆、钻井液/水泥浆)顶替模拟,而与实际工况下钻井液与隔离液先掺混、再被水泥浆顶替的动态过程特征相距甚远。为此,基于流体顶替过程中掺混与扩散机理,建立流体动态顶替过程数学模型,借助流动仿真软件探讨隔离液性能变化对顶替钻井液和被水泥浆顶替的内在演变机理,结合仿真数据,建立了水泥浆顶替效率评估的新计算模型。研究结果表明:①在顶替初期,低黏度、低密度隔离液体系与钻井液混浆严重,但有利于降低壁面钻井液黏滞力,清除滞留钻井液,进而改善水泥浆顶替效率;②高密度、低黏度隔离液虽然能快速清洗井筒钻井液,但也容易产生指进现象,进而导致水泥浆提前返出井口,容易被误认为顶替效率较好;③隔离液密度处于钻井液和水泥浆之间时,低黏度隔离液有助于清除壁面钻井液和被水泥浆顶替;④隔离液排量高于临界值时,顶替效果改善明显;⑤所建立的注水泥浆顶替效率评价新模型与数值仿真结果吻合度高,误差仅为4.6%。结论认为,该新模型有助于更好地认识与解释复杂流动机理,为改善注水泥井筒浆柱结构、浆体性能及提高顶替效率奠定了理论基础。     

库车山前固井质量风险评价研究

塔里木山前构造油气资源丰富,但其气藏埋深在7 000 m左右,应用油基钻井液可有效地解决盐膏岩、泥页岩层段钻进过程中井下复杂问题,但在此环境下油基钻井液影响了水泥石与井壁/套管的胶结能力。为此,以已施工井的相关数据为参考依据,分别从液固界面润湿反转能力、防漏条件下提高顶替效率的施工排量、固井井筒浆体性能匹配以及套管扶正器安放情况为研究对象,系统分析影响固井质量的主要因素。研究结果表明,在用隔离液中表面活性剂/水大于30%可实现胶结界面处于亲水状态、在未发生漏失条件下排量达到塞流流量以上均有助于提高顶替效率,每2个套管安放一个扶正器能确保套管居中度大于67%;综合分析表明,影响部分井固井质量不理想的主要原因是套管居中度差与部分井段井筒内的浆体匹配性差。基于本论文理论与现场相结合的针对性研究,为提高区域固井质量提供了切实可行的方法与依据。      

一种适用于油基钻井液的表面活性剂隔离液

页岩气钻井过程中采用的油基钻井液极易残留在井壁和套管壁表面,与固井水泥浆产生接触污染。套管壁及井壁长期处在油基钻井液环境中,两界面亲油憎水,给固井作业带来油基钻井液顶替和清洗困难、混浆流变性能变差、混浆强度严重下降、界面胶结质量不良等问题。针对以上问题,对表面活性剂及隔离液进行了如下研究:①调研油基钻井液对水泥浆的接触污染机理;②测定溶液表面张力,验证表面活性剂对清洗效果的影响;③配制表面活性剂水溶液和隔离液,利用模拟套管冲洗法测定清洗效率。实验结果表明,表面活性剂的加入能显著降低水油界面张力,提高清洗效率;配制出了一种清洗效率高达92.86%的三元复配表面活性剂隔离液体系,表面活性剂组成为LAS+JFC-6+AOS （1:1:1）;该隔离液对油基钻井液有良好的清洗效果,可提高界面胶结质量,有助于提升页岩气井的固井质量。      

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钻井液转化为水泥浆技术，是在钻井液中添加某些胶凝材料和外加剂将其转变成水泥浆直接用作固井材料的新型固井方法。在钻井过程中钻井液承担着冷却润滑钻头，携带岩屑，平衡地层压力，稳定井壁的任务。如果在完成钻井后将钻井液通过一定的方法转化为可固结的材料———固井液，就能达到封隔地层、支撑套管、防止层间流体窜通的目的，这种技术又称为ＭＴＣ（ＭｕｄｔｏＣｅｍｅｎｔ）技术。文中从油气井开发提高效率、降低费用的技术要求出发，论述了采用ＭＴＣ技术是一条可行的路子。实验研究得出用油井水泥，粒化高炉矿渣共同作为胶凝材料，优选合适的分散剂和促凝剂，提出了普通钻井液和聚丙烯酰胺低固相钻井液转化为水泥浆体系的优化配方。这种兼有钻井液和固井液作用的技术，能避免钻井液和水泥浆混合时发生的絮凝现象，提高环空顶替效率，降低废钻井液处理费用，减少固井材料，因而在提高固井质量和降低成本上有很大的潜力，可供生产部门参考     

黄桥二氧化碳气田开发井钻井工艺

黄桥二氧化碳气田在钻井过程中存在直井段易井斜,浦口组地层缩径、垮塌及卡钻,下部地层先漏后涌等井下复杂情况或事故,及机械钻速低与钻具和套管腐蚀的问题。华泰2井和华泰3井在钻井过程中,通过不同井段选用不同钻头,采用不同钻具组合和钻井参数,解决了直井段易井斜的问题,提高了机械钻速;浦口组以上地层采用金属两性离子聚合物钻井液钻进,中生界以下地层使用金属两性离子聚合物防塌钻井液钻进,解决了浦口组地层缩径、垮塌和卡钻,及下部地层先漏后涌等问题;在钻遇二氧化碳气层后采取加入防腐处理剂等防腐措施,解决了钻具的腐蚀问题;通过室内管材动静态腐蚀评价试验,确定采用含Cr套管与普通套管相结合的套管完井方式,解决了套管腐蚀问题;采用微硅低密度水泥浆和胶乳不渗透防气窜水泥浆体系固井,提高了固井质量,有效防止了环空气窜。通过华泰2井和华泰3井2口井的钻井,形成了一套适合黄桥二氧化碳气田开发井的钻井工艺技术,为今后二氧化碳气田的开发提供了借鉴。     

提高定向井第二界面胶结质量的钻固一体化技术

定向井由于其井眼轨迹复杂、套管不易居中,导致固井顶替效率低、泥饼清除困难。而顶替不干净的钻井液和未清除的井壁泥饼与水泥浆不相溶是固井第二界面胶结质量差的主要原因。钻固一体化技术的实质是在钻井液中引入一种可固化的潜活性胶凝材料,在井壁形成可固化的泥饼,固井时通过补充潜活性材料和加入激活剂可将其转换做为固井液,有效解决了钻井液与固井液不相溶的难题。该技术在两口定向井成功应用,有效提高了油层段的第二界面胶结质量,有效防止了各种流体层间窜流的可能性。     

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。     

金坛盐穴储气库定向井固井技术

金坛储气库二期二阶段为了提高盐岩资源利用率,实现达容达产,改变以往直井钻井方式,采用了丛式定向钻井建库模式,容易导致井径不规则,套管居中度也很难保证。另外,盐层埋深较浅,低温盐水水泥浆稳定性差、失水量不易控制、抗压强度发展慢;二开井段易发生漏失,水泥不能返至地面,给固井质量带来不利影响。笔者结合盐穴储气库对固井的要求,开展了低温高强盐水水泥浆、增黏盐水隔离液及配套固井技术研究。研究结果表明,低温高强度盐水水泥浆浆体稳定性好,抗压强度发展快,后期强度高,满足了盐穴储气库定向井水泥浆体系的需求;增黏盐水隔离液,配合定向井套管居中等技术措施,提高了在"大肚子"及不规则井段的顶替效率,预防固井施工憋堵;采用低排量顶替技术保证了水泥浆返至地面,盐层段有效封固。该盐穴储气库定向井固井技术在金坛储气库二期二阶段现场应用11井次,固井质量显著提升,为其他盐穴储气库固井提供了借鉴。     

页岩气长水平井段防气窜固井技术

页岩气开发的核心技术为水平井配合大型水力压裂,而固井质量不佳已成为页岩气完井和实施储层改造的主要瓶颈问题。为此,以四川盆地页岩气开发区块为例,探索了水力压裂作用下保持水泥环力学完整性的方法及其配套工艺技术措施。研究结果表明:(1)采用模拟套管刚度的近钻头三扶正器通井钻具组合,可以降低长水平段页岩气井套管下放难度,提高下套管时效和安全度;(2)研制的高效洗油冲洗隔离液体系在常温至120℃下的冲洗效率均大于90%,能够保证水泥浆对油基钻井液的顶替效率和井壁的有效胶结;(3)确定了该区长水平段固井韧性防窜水泥浆凝固后的性能——水泥石弹性模量应小于7 GPa、三轴强度最好大于40 MPa,以减轻和避免压裂时的水泥环破坏;(4)形成的钻井液调整、预应力固井、地面高压泵注工艺等配套技术提高了页岩气井固井质量。2015—2016年期间运用上述系列固井技术在四川盆地开展了85口井固井作业,平均井深4 832 m,平均水平段长1 560 m,固井质量优质率达89.58%;水平井固井后候凝期间无环空带压,钻完井及试油期间环空气窜得到明显改善。结论认为,该配套技术可以保证并提高长水平段页岩气井的固井质量。