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壁面剪应力在油田固井中的实践与应用
作者:肖新礼 袁… 来源:233网校论文中心 点击量: 发布时间:2013-10-31 12:50:15

  摘要:固井工程是一项应用工程,是建井过程中的重要环节,它直接影响钻井周期和建井成本,以及油田开发方案的实施。深井、超深井的井下地质条件非常复杂,对固井质量有许多不利的因素,在井下条件确定的情况下,决定性的因素是环空流动的壁面剪应力,它是影响顶替效率的主要因素。

  1 影响ⅹⅹ油田固井质量主要原因分析

  顶替不完全,造成大段的混浆带;如果水泥浆的流变性能优于泥浆,顶替时又达不到紊流,就可能造成水泥浆在泥浆中窜槽;钻井液性能的优劣,除保证钻井中的快速安全外,在井壁形成的泥饼对固井质量有着致密重要的因素,特别是冲洗液或隔离液在没有足够的冲洗时间时,势必在井壁上留下大量的虚泥饼,后期与水泥浆接触后可能造成对水泥浆的污染,形成靠近井壁的水泥浆不凝结,或者是水泥浆侯凝时泥饼干缩而出现微环隙;井眼条件对固井质量的影响;油层漏失对固井质量的影响。

  2 提高水泥浆顶替效率的研究与应用

  为了保证环形空间的密封质量,首先需要可虑的是如何使环空充满水泥浆。充满的过程,实际上是水泥浆驱替或钻井液的过程。水泥浆与钻井液的顶替质量应满足以下基本要求:①注水泥浆井段的环空空间,钻井液应全部被水泥浆顶替干净,无窜槽现象存在;② 水泥浆返高和套管内水泥塞的高度应符合设计要求。有效地驱替钻井液,提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提。通过国内外专家的研究发现影响注水泥顶替效率主要有如下六种因素:套管在井内的居中度;液体在环空间的流动状态;紊流时液体流过封隔层位所接触的时间;钻井液的触变性;钻井液与水泥浆的流变性能;水泥浆与钻井液的密度差。

  3 确定合理顶替流速范围的原则

  一个合理的顶替流速范围,应考虑该井如下几方面的情况:①井眼的稳定性,是否有易漏、易塌等薄弱地层,这些层位对环空返速的限制情况,这些数据可根据邻井或区块的资料获得;②正常钻井过程中的环空返速情况;③裸眼井径变化情况及对返速的限制,如当裸眼井径变化较大,存在所谓的“大肚子”时,一般要求返速不能太大,以免进一步冲蚀井壁。同时在“大肚子”段一般是很难达到紊流的;④套管居中度情况,当套管居中度不好时,环空返速不易太低;⑤井斜情况,当在大斜度或水平井套管注水泥时,环空返速不易太低;⑥泥浆泵与注水泥设备的工作能力。综合考虑上面这些因素,便可得出一个保证该井钻井正常的返速范围,由此再考虑进注入的前置液与水泥浆的性能与泥浆的差异,便可选定本次注水泥时,所应保持的环空返速范围的大小。

  4 水泥浆流变性能设计

  如前所述,影响注水泥顶替效率主要有六种因素,到底哪一个或哪一些因素对顶替效率产生决定性影响呢?尽管人们在顶替机理的研究上做了大量的工作,但至今仍未对注水泥顶替优化设计方法形成统一的认识。这是因为注水泥顶替机理是一个很复杂的问题,人们对它的研究和认识尚不十分深入。实验上主要表现在:不能满足动力学相似原理进行偏心环空内重力场研究,理论上还未能建立一套准确描述任意井斜条件下、偏心环空中、一种非牛顿液体顶替另一种非牛顿液体的动态模型,并进行定量分析。而实际应用方面的主要问题则是现场施工参数很难同实验室测量参数吻合。我们认为:在井下条件确定的情况下,决定性的因素是环空流动的壁面剪应力。

  关于环空流动的壁面剪应力,可以使用以下公式计算:

  τw=0.00025(D-d)Δp/L (1)

  其中,τw——环空流动的壁面剪应力,pa

  D——井眼直径,mm

  d——套管直径,mm

  Δp——水泥浆流动的摩擦阻力,pa

  L——水泥浆封固段长度,m

  理论上讲,当τw大于钻井液的胶凝强度时,就可以有效清除胶凝钻井液。

  从公式(1)中,也不难得出以下几点重要理论:Δp在井眼几何条件一定得情况下,是一个与流动速度和流变参数有关的量;降低钻井液粘切对于提高顶替效率非常重要;当τw与钻井液胶凝强度接近时,接触时间对清除泥饼至关重要;用低粘切钻井液和前置液稀释井筒内原钻井液,对提高顶替效率非常有益。

  把流动的壁面剪应力作为影响顶替效率的主要因素,是基于以下原因:①只有流动才能产生直接作用于井壁并清除胶凝钻井液的动力:流动的壁面剪应力。②紊流流动时,由于摩擦阻力近似与流动速度的平方成正比

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