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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     

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。     

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。      

基于相场法的偏心环空注水泥顶替过程数值模拟

采用实验或理论方法研究偏心环空注水泥过程较困难,大多采用数值模拟方法,为了解决偏心环空注水泥顶替时存在的窄间隙和顶替界面追踪问题,考虑相界面间的表面张力并将其作为耦合变量,用NavierStokes方程描述流体流动,用Cahn-Hilliard方程表征相界面变化,建立了基于相场法的注水泥顶替模型,通过数值方法研究了偏心环空注水泥时的流场及顶替界面演变过程。结果表明:偏心环空注水泥存在宽边顶替液指进、窄边被顶替液滞流现象,容易使水泥浆混浆而降低固井质量;当偏心度、水泥浆、前置液或钻井液性能一定时,采用低排量顶替,有助于降低偏心效应对顶替效率的影响。该方法考虑了表面张力的影响,对于微通道多相顶替问题也适用,可以用于小井眼或裂缝性漏失地层等复杂工况下的注水泥顶替过程模拟;该方法能够观测到被顶替液的"滞流"现象,完善两相顶替控制方程,以更真实地模拟被顶替液"滞留"现象,是下一步数值模拟的研究方向之一。     

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。     

n、τ_0值对注水泥顶替效率的影响

利用流变学原理,概述偏心环空中的流变特性,讨论泥浆、水泥浆流性指数n、动切力对偏心环空注水泥顶替效率的影响。获得现场的验证。     

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。     

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。     

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。     

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。      

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。     

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。