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。     

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。     

水泥浆失重的影响因素实验研究

水泥浆失重是导致环空窜流的主要原因之一。利用自行研制的水泥浆失重模拟装置研究了井斜角、套管偏心度、环空间隙和水泥浆失水量等因素对水泥浆失重的影响。结果表明,水泥浆失重速度随井斜角的增大、偏心厦的增大和环空间隙的减小而加快,随着失水量的减小而减慢。因此,在井身结构设计时要保证足够的环空间隙,减小水泥浆与环空壁面的接触面积,降低水泥浆的失重速度;在钻井过程中,特别是在钻小井眼及斜井时,一定要做好套管居中工作,尽量减小套管偏心度,以防止环空窜流现象的发生;在固井中,应尽量提高水泥浆的稳定性,降低其失水,以提高水泥浆自身的压稳防窜能力。     

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。     

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。     

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根据相似原理，研究了幂律液体在偏心环空作层流流动时的流动规律，并建立了有关水力参数式及流态判别式。液体在偏心环空中流动的最大特点，在于不同间隙处流速流量的较大差异，从而引起水泥返高在不同间隙井段内也有很大的差别，影响其封固质量。文中应用该液体的流动规律及水泥浆与泥浆流变性能的相互关系，提出了保证固井注水泥时泥浆被驱替流动的基本条件和水泥浆在不同间隙处返至预定位置的方法。     

紊流注水泥顶替机理研究

本文首先推导出普遍适用的非牛顿流体紊动微分方程式,然后在此基础上导出了适用于偏心环空紊流的运动微分方程式。据此研究了泥浆在偏心环空中的轴向紊流流动规律及水泥浆和泥浆在偏心环空中的轴向紊流顶替规律。最后得出结论:提高水泥浆密度、泥浆动切应力和塑性粘度或降低水泥浆动切应力和塑性粘度、泥浆密度等都有利于提高顶替效率。     

用于重新封固套管损坏井的延迟水泥浆体系

在套管损坏井中，有的能在原套管（或已取出一部分）内下入新套管重新封固。若按照常规下套管后再注水泥，由于环形间隙小，施工难度大，难以保证固井质量。若将水泥浆先注入井中，再将下端封闭的套管下入井内，把水泥浆挤入环形空间，就能保证环空有饱满的水泥浆。该技术除选好井外，关键是调配水泥浆性能和估算封固高度。经长庆油田几口井的施工，封团高度400～600m，施工顺利，封固质量优良。     

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。     

用于重新封固套管损坏井的延迟水泥浆体系

在套管损坏井中,有的能在原套管(或已取出一部分)内下入新套管重新封固。若按照常规下套管后再注水泥,由于环形间隙小,施工难度大,难以保证固井质量。若将水泥浆先注入井中,再将下端封闭的套管下入井内,把水泥浆挤入环形空间,就能保证环空有饱满的水泥浆。该技术除选好井外,关键是调配水泥浆性能和估算封固高度。经长庆油田几口井的施工,封团高度400~600m,施工顺利,封固质量优良。     

旋流扶正器作用下环空螺旋流场压降研究

在油气井固井注水泥顶替技术中，使用旋流扶正器不仅可提高套管居中度，还能改变环空流体流速剖面，使流体做螺旋运动，螺旋顶替方式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，从而提高固井质量。液体螺旋流动方式改变了轴向流场压降的分布规律，展开螺旋流场压降的研究对注水泥安全施工有着重要意义。文章在实验的基础上，推导出了环空螺旋流场压降的计算公式，实验结果表明：环空螺旋流场的压降呈非线性衰减，且在同等条件下大于一维轴向流场的压降值，注水泥施工设计时应对其予以足够重视。     

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。     

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。     

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。     

井身结构变化及尾管回接对井控的影响分析

在深井井身结构设计中,为了解决悬挂尾管后继续钻进是否需要进行尾管回接的问题,建立了钻遇高压气层发生气侵时的环空气液流动模型,模拟了井筒横向尺寸变化对环空气液两相流动规律的影响,分析了不同尾管悬挂深度下气侵过程中的井底压力、钻井液增量、监测到一定钻井液增量所需时间的变化规律,以及压井过程中套压峰值和套压峰值到达时间的变化规律。结果表明:尾管回接改变井身结构后,随着尾管悬挂深度的减小,井底压力和钻井液增量剧烈变化阶段先提前后延迟;尾管回接到井口后,溢流发现时间比尾管不回接时要短,有利于溢流的早期发现;在相同溢流量条件下关井,尾管回接到井口后的压井套压峰值比尾管不回接时大;套压峰值到达时间变化不显著。      

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。