壁面剪應力在油田固井中的實踐與應用(一)

1、壁面剪應力在油田固井中的實踐與應用 一 摘要：固井工程是一項應用工程，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本錢，以及油田開發(fā)方案的實施。深井、超深井的井下地質(zhì)條件非常復雜，對固井質(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)空流動的壁面剪應力，它是影響 頂替效率的主要因素。關(guān)鍵詞：壁面剪應力固井質(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(yōu)劣，除保證鉆井中的快速平安外，在井壁形成的泥餅對固井質(zhì)量 有著致密重要的因素，特別是沖洗液或

2、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(jié)，或者是水泥漿侯凝 時泥餅干縮而出現(xiàn)微環(huán)隙；井眼條件對固井質(zhì)量的影響；油層漏失對 固井質(zhì)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(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)量應滿足以下根本要求： 注水泥漿井段的環(huán)空空間， 鉆井液應全部被水泥漿頂替干凈，無竄槽現(xiàn)象存在； 水泥漿返高和 套管內(nèi)水泥塞的高度應符合設計要求。有效地驅(qū)替鉆井液，提高注水 泥的頂替效率是去除鉆井液

3、竄槽、保證水泥膠結(jié)質(zhì)量和水泥環(huán)密封效 果的根本前提。通過國內(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)空間的流動狀態(tài)； 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那么 一個合理的頂替流速范圍，應考慮該井如下幾方面的情況： 井眼的 穩(wěn)定性，是否有易漏、易塌等薄弱地層，這些層位對環(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； 正常鉆井過程中的 環(huán)空返速情況； 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

4、太大， 以免進一 步?jīng)_蝕井壁。同時在 “大肚子段一般是很難到達紊流的； 套管居中 度情況，當套管居中度不好時，環(huán)空返速不易太低； 井斜情況，當 在大斜度或水平井套管注水泥時，環(huán)空返速不易太低； 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(huán)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(chǎn)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(yōu)化設計方法形成

5、統(tǒng)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(xiàn)在：不能滿足動力學相似原 理進行偏心環(huán)空內(nèi)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(huán)空中、一種非牛頓液體頂替另一種非牛頓液體的 動態(tài)模型，并進行定量分析。而實際應用方面的主要問題那么是現(xiàn)場施 工參數(shù)很難同實驗室測量參數(shù)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(huán)空流動的壁面剪應力。關(guān)于環(huán)空流動的壁面剪應力，可以使用以下公式計算：t w=0.0002( D-d) p/L(1)其中，t w 空流動的壁面剪應力，paD井眼直徑，mmd管直徑，mm p泥漿流動的

6、摩擦阻力，paL水泥漿封固段長度，m理論上講，當TW大于鉆井液的膠凝強度時，就可以有效去除膠凝鉆井液。從公式(1)中，也不難得出以下幾點重要理論：Ap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(shù)有關(guān)的量；降低鉆井液粘 切對于提高頂替效率非常重要；當 TW與鉆井液膠凝強度接近時，接觸 時間對去除泥餅至關(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： 只有流動才能產(chǎn)生直接作用于井壁并去除膠凝鉆井液的動力：流動 的壁面剪應力。 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

7、應力在一般情況下大于其它流態(tài)。 但是， 從流動計算的相關(guān)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(chǎn)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，否那么除了可能產(chǎn)生流體不穩(wěn)定外， 其摩擦也會小于層流或塞流流動狀態(tài)。 在固井技術(shù)的開展過程中， 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)，每項技術(shù)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(shù)結(jié)論非常吻合。 從力學的角度來看， 要去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

8、來看，這個力主要是壁面剪應力。根據(jù)水泥漿流動的壁面剪應力大于 15pa 就可以根本保證頂替的原那么，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(xiàn)場施工條件分析及措施5.1 油氣層固井井眼特點 所鉆井集中在窟窿山已探明的油氣富集帶， 進入油氣層后，油氣顯示十分活潑； 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 行了 2 次堵漏作業(yè)并作了承壓實驗，但仍在套管入井后，循環(huán)時井口 失返，經(jīng)打堵漏漿等措施處理才建立循環(huán)。 在定向井中，在造斜段 的井徑均較大，其平均井徑為527.98mm,井