壁面剪應(yīng)力在油田固井中的實(shí)踐與應(yīng)用論文
摘要：固井工程是一項(xiàng)應(yīng)用工程，是建井過程中的重要環(huán)節(jié)，它直接影響鉆井周期和建井成本，以及油田開發(fā)方案的實(shí)施。深井、超深井的井下地質(zhì)條件非常復(fù)雜，對(duì)固井質(zhì)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(huán)空流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力，它是影響頂替效率的主要因素。
關(guān)鍵詞：壁面剪應(yīng)力 固井質(zhì)量 頂替效率 偏心環(huán)空
1 影響ⅹⅹ油田固井質(zhì)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(yōu)于泥漿，頂替時(shí)又達(dá)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(yōu)劣，除保證鉆井中的快速安全外，在井壁形成的泥餅對(duì)固井質(zhì)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(shí)間時(shí)，勢(shì)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(duì)水泥漿的污染，形成靠近井壁的水泥漿不凝結(jié)，或者是水泥漿侯凝時(shí)泥餅干縮而出現(xiàn)微環(huán)隙；井眼條件對(duì)固井質(zhì)量的影響；油層漏失對(duì)固井質(zhì)量的影響。
2 提高水泥漿頂替效率的研究與應(yīng)用
為了保證環(huán)形空間的密封質(zhì)量，首先需要可慮的是如何使環(huán)空充滿水泥漿。充滿的過程，實(shí)際上是水泥漿驅(qū)替或鉆井液的過程。水泥漿與鉆井液的頂替質(zhì)量應(yīng)滿足以下基本要求：①注水泥漿井段的環(huán)空空間，鉆井液應(yīng)全部被水泥漿頂替干凈，無竄槽現(xiàn)象存在；② 水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞的高度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。有效地驅(qū)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(jié)質(zhì)量和水泥環(huán)密封效果的基本前提。通過國(guó)內(nèi)外專家的研究發(fā)現(xiàn)影響注水泥頂替效率主要有如下六種因素：套管在井內(nèi)的居中度；液體在環(huán)空間的流動(dòng)狀態(tài)；紊流時(shí)液體流過封隔層位所接觸的時(shí)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(gè)合理的頂替流速范圍，應(yīng)考慮該井如下幾方面的情況：①井眼的穩(wěn)定性，是否有易漏、易塌等薄弱地層，這些層位對(duì)環(huán)空返速的限制情況，這些數(shù)據(jù)可根據(jù)鄰井或區(qū)塊的資料獲得；②正常鉆井過程中的環(huán)空返速情況；③裸眼井徑變化情況及對(duì)返速的限制，如當(dāng)裸眼井徑變化較大，存在所謂的“大肚子”時(shí)，一般要求返速不能太大，以免進(jìn)一步?jīng)_蝕井壁。同時(shí)在“大肚子”段一般是很難達(dá)到紊流的；④套管居中度情況，當(dāng)套管居中度不好時(shí)，環(huán)空返速不易太低；⑤井斜情況，當(dāng)在大斜度或水平井套管注水泥時(shí)，環(huán)空返速不易太低；⑥泥漿泵與注水泥設(shè)備的工作能力。綜合考慮上面這些因素，便可得出一個(gè)保證該井鉆井正常的返速范圍，由此再考慮進(jìn)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(shí)，所應(yīng)保持的環(huán)空返速范圍的大小。
4 水泥漿流變性能設(shè)計(jì)
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(gè)或哪一些因素對(duì)頂替效率產(chǎn)生決定性影響呢？盡管人們?cè)陧斕鏅C(jī)理的研究上做了大量的工作，但至今仍未對(duì)注水泥頂替優(yōu)化設(shè)計(jì)方法形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。這是因?yàn)樽⑺囗斕鏅C(jī)理是一個(gè)很復(fù)雜的問題，人們對(duì)它的研究和認(rèn)識(shí)尚不十分深入。實(shí)驗(yàn)上主要表現(xiàn)在：不能滿足動(dòng)力學(xué)相似原理進(jìn)行偏心環(huán)空內(nèi)重力場(chǎng)研究，理論上還未能建立一套準(zhǔn)確描述任意井斜條件下、偏心環(huán)空中、一種非牛頓液體頂替另一種非牛頓液體的動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)行定量分析。而實(shí)際應(yīng)用方面的主要問題則是現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)很難同實(shí)驗(yàn)室測(cè)量參數(shù)吻合。我們認(rèn)為：在井下條件確定的情況下，決定性的因素是環(huán)空流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力。
關(guān)于環(huán)空流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力，可以使用以下公式計(jì)算：
w=0.00025（D-d）Δp/L (1)
其中，w——環(huán)空流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力，pa
D——井眼直徑，mm
d——套管直徑，mm
Δp——水泥漿流動(dòng)的摩擦阻力，pa
L——水泥漿封固段長(zhǎng)度，m
理論上講，當(dāng)w大于鉆井液的膠凝強(qiáng)度時(shí)，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(diǎn)重要理論：Δp在井眼幾何條件一定得情況下，是一個(gè)與流動(dòng)速度和流變參數(shù)有關(guān)的量；降低鉆井液粘切對(duì)于提高頂替效率非常重要；當(dāng)w與鉆井液膠凝強(qiáng)度接近時(shí)，接觸時(shí)間對(duì)清除泥餅至關(guān)重要；用低粘切鉆井液和前置液稀釋井筒內(nèi)原鉆井液，對(duì)提高頂替效率非常有益。
把流動(dòng)的壁面剪應(yīng)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(dòng)才能產(chǎn)生直接作用于井壁并清除膠凝鉆井液的動(dòng)力：流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力。②紊流流動(dòng)時(shí)，由于摩擦阻力近似與流動(dòng)速度的平方成正比，所以，流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力在一般情況下大于其它流態(tài)。但是，從流動(dòng)計(jì)算的相關(guān)公式可以知道，同樣大小的'壁面剪應(yīng)力也可以通過增加流體的塑性粘度和屈服值獲得。對(duì)于塞流頂替，主要要求水泥漿要高粘切，以產(chǎn)生相對(duì)高的壁面剪應(yīng)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(chǎn)生流體不穩(wěn)定外，其摩擦也會(huì)小于層流或塞流流動(dòng)狀態(tài)。③在固井技術(shù)的發(fā)展過程中，產(chǎn)生了各種不同的頂替技術(shù)，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(shù)，每項(xiàng)技術(shù)都可以找到很多成功的實(shí)例。壁面剪應(yīng)力設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)也與這些技術(shù)結(jié)論非常吻合。④從力學(xué)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(gè)力主要是壁面剪應(yīng)力。
根據(jù)水泥漿流動(dòng)的壁面剪應(yīng)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(shè)計(jì)為40-60mpa.s,屈服值一般設(shè)計(jì)為20-40pa，這樣配置的水泥漿初始稠度在15-30Bc之間。
5 現(xiàn)場(chǎng)施工條件分析及措施
5.1 油氣層固井井眼特點(diǎn) ①所鉆井集中在窟窿山已探明的油氣富集帶，進(jìn)入油氣層后，油氣顯示十分活躍；②完鉆井中有3口開發(fā)井在鉆井及完井作業(yè)中下溝組下段均有漏失現(xiàn)象，Q2-19井下套管前用水泥漿進(jìn)行了2次堵漏作業(yè)并作了承壓實(shí)驗(yàn)，但仍在套管入井后，循環(huán)時(shí)井口失返，經(jīng)打堵漏漿等措施處理才建立循環(huán)。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(kuò)大率144.55％。封固段平均井徑317.78mm，井徑擴(kuò)大率47.19％。鉆井周期較長(zhǎng)是造斜段井徑擴(kuò)大的一個(gè)重要原因之一。目前所實(shí)施的定向井，設(shè)計(jì)及實(shí)際井斜在30度左右，套管居中較困難，從固井角度來講對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的頂替效率有一定的困難。 5.2 管串結(jié)構(gòu)及封固要求 ①油層套管（延長(zhǎng)油田也稱為技術(shù)套管）采用139.7mm套管，不采用復(fù)合套管，其特點(diǎn)是套管與井壁環(huán)空間隙下大上小，對(duì)于固井而言其優(yōu)點(diǎn)是增加了水泥環(huán)的厚度，增強(qiáng)了水泥環(huán)的強(qiáng)度，而其缺點(diǎn)也比較明顯，對(duì)原始井眼的質(zhì)量和下完套管的環(huán)空凈化要求更高，否則極易在替漿過程中環(huán)空堵塞，造成固井失敗。②油層封固段較長(zhǎng)，井身結(jié)構(gòu)的井其長(zhǎng)度在600-800米之間。延長(zhǎng)組油田西淺東深，油氣藏埋藏淺，延長(zhǎng)組西區(qū)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(yīng)力較大，是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。
5.3 施工設(shè)計(jì)要求及措施 針對(duì)專家提出的影響固井質(zhì)量的因素，固井施工設(shè)計(jì)中明確了如下措施：①管柱居中必須進(jìn)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(dá)到時(shí)，每根套管加一根扶正器，并校核居中度，以備設(shè)計(jì)水泥漿性能作參考。②前置液設(shè)計(jì)，根據(jù)延長(zhǎng)油田固井特點(diǎn)只涉及三段。第一段為固井前調(diào)整部分原井漿，密度低于原井漿0.4g/cm3左右，粘度調(diào)至低于50s，段長(zhǎng)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(zhǎng)200米左右；第三段為施工藥水，段長(zhǎng)100米左右。低粘切鉆井液的使用，實(shí)際上改變了原井漿的觸變性能，基本保證了前置液在環(huán)空中處于紊流狀態(tài)，確保了油氣層段的紊流接觸時(shí)間，同時(shí)即使不能完全頂替原井漿，但也可以達(dá)到稀釋作用，為提高水泥漿頂替創(chuàng)造條件。③延長(zhǎng)油田水泥漿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：加重鉆井液前置液+漂注低密度+加砂水泥漿。④水泥漿設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)：引入壁面剪應(yīng)力以后，如何通過水泥漿性能設(shè)計(jì)來提高環(huán)空摩擦阻力是水泥漿設(shè)計(jì)所追求的，當(dāng)井斜和井徑較大井眼條件較差時(shí)，在施工安全的情況下，必須適當(dāng)調(diào)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(diào)，流變性能設(shè)計(jì)：n=0.3-0.5k=1.0-3.0；漿體穩(wěn)定性：上中下密度小于0.01g/cm3；稠化時(shí)間：大于施工時(shí)間90—120分鐘；失水：小于100ml；自由液：直井段控制在2.0ml以內(nèi)，斜井段控制為零。流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力大于20pa；加砂水泥漿性能為，密度1.85-1.90g/cm3；流變性能設(shè)計(jì)：n=0.3-0.5k=1.0-3.0；初始稠度：15-30Bc；稠化時(shí)間：大于施工時(shí)間30-60分鐘；失水：小于50ml；自由液：直井段控制在2.0ml以內(nèi)，斜井段控制為零。流動(dòng)的壁面剪應(yīng)力大于25pa。⑤施工參數(shù)：由于目前的井身結(jié)構(gòu)和管串結(jié)構(gòu)在固井施工過程中，內(nèi)外壓差較大，（U）型管效應(yīng)非常突出，水泥漿在215.9mm與139.7mm環(huán)空內(nèi)下段時(shí)，環(huán)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(huán)空返速或下入套管后實(shí)際最大排量，否則要適當(dāng)調(diào)整漂注水泥漿和加砂水泥漿的段長(zhǎng)，同時(shí)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(yīng)力至少大于15pa。⑥固井設(shè)備要求：井眼較大時(shí)，注灰后期實(shí)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(yīng)造成前置液在同一井段駐留較長(zhǎng)的時(shí)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(huán)空的當(dāng)量密度不得低于鉆井液的密度。施工結(jié)束后的壓力補(bǔ)償：尾管懸掛采用循環(huán)壓力補(bǔ)償法，常規(guī)固井采用環(huán)空加回壓來補(bǔ)償。
6 結(jié)論及認(rèn)識(shí)
通過該項(xiàng)技術(shù)的室內(nèi)評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到：①以固井水泥漿壁面剪應(yīng)力設(shè)計(jì)水泥漿的流變性能比紊流頂替設(shè)計(jì)水泥漿流變性能更具有較大排量范圍，更能適應(yīng)更多的井徑范圍和井斜，實(shí)際上是降低了對(duì)井眼的要求。②提高頂替效率必須和防油氣浸相結(jié)合，頂替效率的提高必然會(huì)降低水泥漿的防油氣浸的能力，量化處理好二者的關(guān)系是提高油氣層固井質(zhì)量的重要因素。③固井施工工藝對(duì)于固井施工安全和保證固井質(zhì)量至關(guān)重要，必須堅(jiān)持使用平衡壓力固井技術(shù)、降低油氣浸的壓力補(bǔ)償技術(shù)和綜合固井配套等工藝技術(shù)。④任何流態(tài)提高頂替效率套管居中是前提。⑤嚴(yán)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(gè)主要因素，斜井的控制要更加嚴(yán)格。⑥拓展了非目的層的固井水泥漿配方，試驗(yàn)取得了良好的效果。
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