壁面剪應力在油田固井中的實踐與應用論文
摘要：固井工程是一項應用工程，是建井過程中的重要環節，它直接影響鉆井周期和建井成本，以及油田開發方案的實施。深井、超深井的井下地質條件非常復雜，對固井質量有許多不利的因素，在井下條件確定的情況下，決定性的因素是環空流動的壁面剪應力，它是影響頂替效率的主要因素。
關鍵詞：壁面剪應力 固井質量 頂替效率 偏心環空
1 影響ⅹⅹ油田固井質量主要原因分析
頂替不完全，造成大段的混漿帶；如果水泥漿的流變性能優于泥漿，頂替時又達不到紊流，就可能造成水泥漿在泥漿中竄槽；鉆井液性能的優劣，除保證鉆井中的快速安全外，在井壁形成的泥餅對固井質量有著致密重要的因素，特別是沖洗液或隔離液在沒有足夠的沖洗時間時，勢必在井壁上留下大量的虛泥餅，后期與水泥漿接觸后可能造成對水泥漿的污染，形成靠近井壁的水泥漿不凝結，或者是水泥漿侯凝時泥餅干縮而出現微環隙；井眼條件對固井質量的影響；油層漏失對固井質量的影響。
2 提高水泥漿頂替效率的研究與應用
為了保證環形空間的密封質量，首先需要可慮的是如何使環空充滿水泥漿。充滿的過程，實際上是水泥漿驅替或鉆井液的過程。水泥漿與鉆井液的頂替質量應滿足以下基本要求：①注水泥漿井段的環空空間，鉆井液應全部被水泥漿頂替干凈，無竄槽現象存在；② 水泥漿返高和套管內水泥塞的高度應符合設計要求。有效地驅替鉆井液，提高注水泥的頂替效率是清除鉆井液竄槽、保證水泥膠結質量和水泥環密封效果的基本前提。通過國內外專家的研究發現影響注水泥頂替效率主要有如下六種因素：套管在井內的居中度；液體在環空間的流動狀態；紊流時液體流過封隔層位所接觸的時間；鉆井液的觸變性；鉆井液與水泥漿的流變性能；水泥漿與鉆井液的密度差。
3 確定合理頂替流速范圍的原則
一個合理的頂替流速范圍，應考慮該井如下幾方面的情況：①井眼的穩定性，是否有易漏、易塌等薄弱地層，這些層位對環空返速的限制情況，這些數據可根據鄰井或區塊的資料獲得；②正常鉆井過程中的環空返速情況；③裸眼井徑變化情況及對返速的限制，如當裸眼井徑變化較大，存在所謂的“大肚子”時，一般要求返速不能太大，以免進一步沖蝕井壁。同時在“大肚子”段一般是很難達到紊流的；④套管居中度情況，當套管居中度不好時，環空返速不易太低；⑤井斜情況，當在大斜度或水平井套管注水泥時，環空返速不易太低；⑥泥漿泵與注水泥設備的工作能力。綜合考慮上面這些因素，便可得出一個保證該井鉆井正常的返速范圍，由此再考慮進注入的前置液與水泥漿的性能與泥漿的差異，便可選定本次注水泥時，所應保持的環空返速范圍的大小。
4 水泥漿流變性能設計
如前所述，影響注水泥頂替效率主要有六種因素，到底哪一個或哪一些因素對頂替效率產生決定性影響呢？盡管人們在頂替機理的研究上做了大量的工作，但至今仍未對注水泥頂替優化設計方法形成統一的認識。這是因為注水泥頂替機理是一個很復雜的問題，人們對它的研究和認識尚不十分深入。實驗上主要表現在：不能滿足動力學相似原理進行偏心環空內重力場研究，理論上還未能建立一套準確描述任意井斜條件下、偏心環空中、一種非牛頓液體頂替另一種非牛頓液體的動態模型，并進行定量分析。而實際應用方面的主要問題則是現場施工參數很難同實驗室測量參數吻合。我們認為：在井下條件確定的情況下，決定性的因素是環空流動的壁面剪應力。
關于環空流動的壁面剪應力，可以使用以下公式計算：
w=0.00025（D-d）Δp/L (1)
其中，w——環空流動的壁面剪應力，pa
D——井眼直徑，mm
d——套管直徑，mm
Δp——水泥漿流動的摩擦阻力，pa
L——水泥漿封固段長度，m
理論上講，當w大于鉆井液的膠凝強度時，就可以有效清除膠凝鉆井液。
從公式（1）中，也不難得出以下幾點重要理論：Δp在井眼幾何條件一定得情況下，是一個與流動速度和流變參數有關的量；降低鉆井液粘切對于提高頂替效率非常重要；當w與鉆井液膠凝強度接近時，接觸時間對清除泥餅至關重要；用低粘切鉆井液和前置液稀釋井筒內原鉆井液，對提高頂替效率非常有益。
把流動的.壁面剪應力作為影響頂替效率的主要因素，是基于以下原因：①只有流動才能產生直接作用于井壁并清除膠凝鉆井液的動力：流動的壁面剪應力。②紊流流動時，由于摩擦阻力近似與流動速度的平方成正比，所以，流動的壁面剪應力在一般情況下大于其它流態。但是，從流動計算的相關公式可以知道，同樣大小的壁面剪應力也可以通過增加流體的塑性粘度和屈服值獲得。對于塞流頂替，主要要求水泥漿要高粘切，以產生相對高的壁面剪應力。從以上分析也可以看出，紊流頂替的水泥漿粘度不能任意小，否則除了可能產生流體不穩定外，其摩擦也會小于層流或塞流流動狀態。③在固井技術的發展過程中，產生了各種不同的頂替技術，例如塞流頂替和紊流頂替以及介于二者之間的低速頂替技術，每項技術都可以找到很多成功的實例。壁面剪應力設計的觀點也與這些技術結論非常吻合。④從力學的角度來看，要清除附著在井壁上的膠凝鉆井液，必須要有一定的力，從受力分析來看，這個力主要是壁面剪應力。
根據水泥漿流動的壁面剪應力大于15pa就可以基本保證頂替的原則，水泥漿塑性粘度一般設計為40-60mpa.s,屈服值一般設計為20-40pa，這樣配置的水泥漿初始稠度在15-30Bc之間。
5 現場施工條件分析及措施
5.1 油氣層固井井眼特點 ①所鉆井集中在窟窿山已探明的油氣富集帶，進入油氣層后，油氣顯示十分活躍；②完鉆井中有3口開發井在鉆井及完井作業中下溝組下段均有漏失現象，Q2-19井下套管前用水泥漿進行了2次堵漏作業并作了承壓實驗，但仍在套管入井后，循環時井口失返，經打堵漏漿等措施處理才建立循環。③在定向井中，在造斜段的井徑均較大，其平均井徑為527.98mm，井徑擴大率144.55％。封固段平均井徑317.78mm，井徑擴大率47.19％。鉆井周期較長是造斜段井徑擴大的一個重要原因之一。目前所實施的定向井，設計及實際井斜在30度左右，套管居中較困難，從固井角度來講對于實現良好的頂替效率有一定的困難。 5.2 管串結構及封固要求 ①油層套管（延長油田也稱為技術套管）采用139.7mm套管，不采用復合套管，其特點是套管與井壁環空間隙下大上小，對于固井而言其優點是增加了水泥環的厚度，增強了水泥環的強度，而其缺點也比較明顯，對原始井眼的質量和下完套管的環空凈化要求更高，否則極易在替漿過程中環空堵塞，造成固井失敗。②油層封固段較長，井身結構的井其長度在600-800米之間。延長組油田西淺東深，油氣藏埋藏淺，延長組西區水泥漿返至地面，東部返深200米以上，延安組就不同了，屬于深井，壁面剪應力較大，是一個不可忽視的環節。
5.3 施工設計要求及措施 針對專家提出的影響固井質量的因素，固井施工設計中明確了如下措施：①管柱居中必須進行校核，直井或直井段居中度必須合適，定向井段居中度不能達到時，每根套管加一根扶正器，并校核居中度，以備設計水泥漿性能作參考。②前置液設計，根據延長油田固井特點只涉及三段。第一段為固井前調整部分原井漿，密度低于原井漿0.4g/cm3左右，粘度調至低于50s，段長400-600米；第二段為10-20％的水玻璃鉆井液溶液或清水溶液，段長200米左右；第三段為施工藥水，段長100米左右。低粘切鉆井液的使用，實際上改變了原井漿的觸變性能，基本保證了前置液在環空中處于紊流狀態，確保了油氣層段的紊流接觸時間，同時即使不能完全頂替原井漿，但也可以達到稀釋作用，為提高水泥漿頂替創造條件。③延長油田水泥漿結構設計：加重鉆井液前置液+漂注低密度+加砂水泥漿。④水泥漿設計性能設計：引入壁面剪應力以后，如何通過水泥漿性能設計來提高環空摩擦阻力是水泥漿設計所追求的，當井斜和井徑較大井眼條件較差時，在施工安全的情況下，必須適當調整其性能，滿足最大井徑下的頂替效率。漂珠低密度水泥漿性能為，密度1.35-1.50g/cm3之間任意可調，流變性能設計：n=0.3-0.5k=1.0-3.0；漿體穩定性：上中下密度小于0.01g/cm3；稠化時間：大于施工時間90—120分鐘；失水：小于100ml；自由液：直井段控制在2.0ml以內，斜井段控制為零。流動的壁面剪應力大于20pa；加砂水泥漿性能為，密度1.85-1.90g/cm3；流變性能設計：n=0.3-0.5k=1.0-3.0；初始稠度：15-30Bc；稠化時間：大于施工時間30-60分鐘；失水：小于50ml；自由液：直井段控制在2.0ml以內，斜井段控制為零。流動的壁面剪應力大于25pa。⑤施工參數：由于目前的井身結構和管串結構在固井施工過程中，內外壓差較大，（U）型管效應非常突出，水泥漿在215.9mm與139.7mm環空內下段時，環空返出的排量不能有效控制，但其返出排量不得大于鉆井過程的環空返速或下入套管后實際最大排量，否則要適當調整漂注水泥漿和加砂水泥漿的段長，同時頂替的施工排量必須滿足最大井徑和最小井徑下壁面剪應力至少大于15pa。⑥固井設備要求：井眼較大時，注灰后期實際上已是頂替過程，因此必須考慮水泥車的注灰排量能力，要求注灰最大排量大于301/s。防止由于“U”型管效應造成前置液在同一井段駐留較長的時間而損壞井壁。⑦防水泥漿油氣侵措施：鉆井液的密度必須保證油氣上竄速度小于30m/h。施工過程中，必須保證全過程環空的當量密度不得低于鉆井液的密度。施工結束后的壓力補償：尾管懸掛采用循環壓力補償法，常規固井采用環空加回壓來補償。
6 結論及認識
通過該項技術的室內評價和現場試驗，得到：①以固井水泥漿壁面剪應力設計水泥漿的流變性能比紊流頂替設計水泥漿流變性能更具有較大排量范圍，更能適應更多的井徑范圍和井斜，實際上是降低了對井眼的要求。②提高頂替效率必須和防油氣浸相結合，頂替效率的提高必然會降低水泥漿的防油氣浸的能力，量化處理好二者的關系是提高油氣層固井質量的重要因素。③固井施工工藝對于固井施工安全和保證固井質量至關重要，必須堅持使用平衡壓力固井技術、降低油氣浸的壓力補償技術和綜合固井配套等工藝技術。④任何流態提高頂替效率套管居中是前提。⑤嚴格控制水泥漿的失水和自由液的量是防止水泥漿失重的一個主要因素，斜井的控制要更加嚴格。⑥拓展了非目的層的固井水泥漿配方，試驗取得了良好的效果。
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