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。     

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。     

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。      

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

表面活性剂提高页岩气井固井水泥浆的抗污染性能评价

采取水平井开发页岩气储层时,由于套管偏心以及井径不规则等原因,通常会导致油基钻井液的顶替效率较低,部分油基钻井液掺入固井水泥浆中,影响水泥浆的性能。为了提高页岩气固井水泥浆的抗污染能力,室内将非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂复配制得表面活性剂（AFSG-1）,然后以现场油基钻井液和固井水泥浆为研究对象,开展了AFSG-1提高页岩气井固井水泥浆抗污染性能的研究。结果表明,现场油基钻井液的掺入会严重影响固井水泥浆的流动度、稠化时间以及混浆水泥石性能;油基钻井液的掺入比例越大,污染越严重。随着固井水泥浆中AFSG-1加量的不断增大,水泥浆自身的抗污染能力逐渐增强;当固井水泥浆中AFSG-1的质量分数为2%时,再掺入20%的油基钻井液,混浆的流动度、稠化时间以及水泥石性能与未加表面活性剂时相比均有明显改善。另外,AFSG-1对固井水泥浆抗油基钻井液污染性能的改善效果明显优于其他常用表面活性剂。AFSG-1能有效提高页岩气固井水泥浆抗油基钻井液污染的能力,可提高固井质量,保障固井安全。     

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。      

海上大位移井固井顶替数值模拟研究

顶替效率及界面稳定性是海上大位移井固井顶替能否成功的关键因素。应用计算流体力学理论,结合南海一口大位移井固井基础资料,通过数值模拟得到了水泥浆流变性以及不同井眼情况对固井顶替效率的影响规律。计算结果表明:增大水泥浆稠度系数,顶替效率增加;增大水泥浆流性系数,顶替效率减小;固井顶替效率随着屈服应力增加先增大后降低,最终趋于稳定;固井时水泥浆的流性指数不宜过高,n值应控制在0.6以内;稠度系数应大于1.5Pa·sn,不应超过3Pa·sn;屈服应力在10~18Pa的范围区间,有利于水泥浆顶替钻井液。偏心度对界面稳定性影响很大,建议将偏心度控制在0.5以内;使用套管扶正器,界面的稳定性明显改善,优选出最佳刚性扶正器旋流角为60°;套管屈曲对界面稳定性的影响显著,使环空界面的顶替效率明显降低。     

Hafaya油田小间隙长封固段固井方案优化

Hafaya油田Yamama层西177.8 mm尾管固井属于小间隙长封固段固井.针对其中存在的地质情况复杂、下套管困难、管柱居中度难以保证、井眼易堵塞、固井过程中易发生漏失、顶替效率难以保证、水泥浆体系选择困难等难点,提出了一系列的固井措施,包括管柱的优化设计、通井方案和下套管方案的设计、钻井液性能的调整、顶替参数的优化设计、水泥浆配方及性能的设计等.在方案优化过程中及时发现了施工时可能出现的风险,并优化了设计参数,以达到规避风险、保证施工安全的目的,以保证固井质量.该方案设计对提高Hafaya油田勘探开发效益具有重要现实意义.     

宝浪油田宝北区块固井技术研究与应用

宝浪油田宝北区块固井施工中存在上部井段井眼不规则而导致顶替效率低，下部井段地层高压流体比较活跃．易窜槽等技术难点，通过采取提高套管居中度、优化隔离波及冲洗液性能、应用两凝水泥浆体系等技术措施，较好地解决了该区块固井存在的问题，提高了固井质量。     

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。     

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。     

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。     

川西深井固井技术措施评述

川西近年来部署深井较多,提高深井固井质量一直是人们关注的难点问题。为此,从固井方面存在的一些问题着手,分析了影响固井质量的因素--钻井液、套管居中度、前置液、水泥浆性能以及长裸眼段和易漏失等情况。 然后分别对各个影响因素进行了讨论,提出了提高深井固井质量的技术措施。通过试验,前置液达紊流顶替是可以实现的,而采用塞流顶替施工时间太长、采用水泥浆紊流顶替受设备限制和易冲垮井壁;通过调整钻井液性能, 降低粘度和动（静）切力,可有效地改善第二胶结面的质量;保证良好的套管居中度、设计优良性能的水泥浆体系、研究高温水泥浆体系,都能够在一定程度上提高深井固井质量,为后期开采打下良好基础。