（油气井工程专业论文）小间隙定向井固井技术研究与应用.pdf

配方；针对低密水泥基本配方进行了水泥石高温抗压强度和长期力学性能实验评价，对 低密水泥石的抗高温机理进行了探讨。通过现场多口井的试验，候凝2 4 小时后经c b l 声幅和v d l 检测，界面胶结良好，固井质量优质率达到7 0 ，射孔后无窜流现象。表 明采用高强低密度水泥浆体系结合旋流扶f 器套管居中技术进行小间隙井固井具有良 好的效果，同时也为小间隙定向井的生产寿命提供了重要的保证。 关键词：小间隙井，固井，管柱力学，顶替效率，旋流扶正器，低密水泥体系 r e s e a r c ho nc e m e n t i n gt e c h n o l o g yi ns l i m a n n u l u s d i r e c t i o n a lw e l l sa n di t sa p p l i c a t i o n h es h u s h a n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gr u i h e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ga d v a n c e m e n to fd r i l l i n gt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na l e p a i do nt h ed e v e l o p m e n to fs l i m a n n u l u sw e l l sa sw e l la si t sa p p l i c a t i o ni nh i g h l yi n c l i n e d w e l ls e c t i o n s t h e nm o r es p e c i a lc o n c e r n s0 2 eb r o u g h tf o r w a r ds u c ha st h ed i f f i c u l t yi nc a s i n g r u n n i n g ，l o w e rd i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y , s e r i o u sl o s tc i r c u l a t i o ni nc e m e n t i n go p e r a t i o n ，a n ds o o n i nt h el i g h to ft h e o r e t i c a ls t u d ya n df i e l dt e c h n o l o g y , t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h e s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ec a s i n gs t r i n gm e c h a n i c s ，c e m e n t i n gd i s p l a c e m e n tm e c h a n s i mi n s l i m a n n u l u sd i r e c t i o n a lw e l l s ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fal i g h t w e i g h th i g h s 仃e n g t hc e m e n t s l u r r ys y s t e mb a s e do nt h ep a n i c l es i z ed i s t r i b u t i o nc o n c e p t i o n i nv i e wo fr e l a t e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s ，t h em e c h a n i s m sf o rt h em e c h a n i c a la n d h y d r a u l i ci n t e g r i t yo fc a s i n gs t r i n ga n di t sr u n n i n gc a p a c i t yi ns l i m a n n u l u sd i r e c t i o n a lw e l l s w e r ea n a l y z e d r e l e v a n tp r o b l e m si nt h ep r o c e s so f c a s i n gr u n n i n gi ns l i m a n n u l u sd i r e c t i o n a l w e l l sw e r es h o w n ，a n dt h ed i a g n o s t i ca p p r o a c hb a s e do nt h et o t a lf r i c t i o na n db e n d i n gs t r e s s w a sp r o p o s e df o rt h ec a s i n gr u n n i n gf e a s i b i l i t y t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o l u m n s t r i n gw e r es t u d i e du s i n gi n t e r s t i t i a lo s c u l a t i n ge l e m e n tm e t h o d ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v e d e t e r m i n a t i o nm e t h o dw a s p r o p o s e d f o rt h em a x i m u mb o r e h o l ec u r v a t u r e t h r o u g h s i m u l t a n e o u sa n a l y s i so f t h et e n s i l es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t ho f c a s i n g t h ed i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yi ns l i ma n n u l u sw a ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e d w i t hm a n yc o n s i d e r a t i o n s ，a n da o n ed i m e n s i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ed i s p l a c e m e n to f l a m i n a rb i n g h a mf l u i di ns l i me c c e n t r i ca n n u l u sw a se s t a b l i s h e du s i n gt h ef l a tp l a t em o d e l a n df l u i db o d yf o r c ea n a l y s i s f l u e n ts i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a s t i cv i s c o s i t ya n d d y n a m i cs h e a rs t r e s so fc e m e n ts l u r r yh a v el e s se f f e c to i lt h ed i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yf o r b i n g h a mf l u i d ，b u ti ti sh e l p f u lf o rt h ed i s p l a c e m e n ti m p r o v e m e n to fb i n g h a mf l u i dw h e nt h e p l a s t i cv i s c o s i t yi sl e s st h a no 0 3 p a 。sa n dt h ed y n a m i cs h e a rs t r e s si sn e a r6 p af o rb i n g h a r n d r i l l i n gf l u i d f o rp o w e rl a wf l u i d ，i tc o n t r i b u t e st oi m p r o v et h ed i s p l a c e m e n te f f i c i e n c ya n d r e d u c et h ef l o wf r i c t i o nw h e nt h ec o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n ta n d l i q u i d i t yi n d e xo f c e m e n t rs l u r r y l i ei nt h er a n g eo fo 5 0 6 p a sa n d0 4 0 5r e s p e c t i v e l y , a n df o rd r i l l i n gf l u i d i ti sh e l p f u l f o rt h ed i s p l a c e m e n ti m p r o v e m e n tw h e nt h ec o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n ta n dl i q u i d i t yi n d e xa r e r e s p e c t i v e l yl e s st h a no ，3 p a 。sa n d0 4 t h em o r ei r r e g u l a rf o rt h eb o r ew a l li ns l i mw e l l s t h e l o w e rf o rt h ed i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y m u c hl o w e rd i s p l a c i n gv e l o c i t y ( 1 e s st h a no 5 m s 1c a n h e l pt oi m p r o v et h ed i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yi nt h ec e m e n t i n go p e r a t i o n t h ec e m e n t d i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yb a s i c a l l ys h o w sal i n e a rt e n d e n c yt od e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f c a s i n ge c c e n t r i c i t y t h ec y c l o n ea l l o w st h ee n h a n c e m e n to ft u r b u l e n tb e h a v i o ri nc e m n t i n go p e r a t i o n a p p r o p r i a t ec y c l o n ec e n t r a l i z e rs t r u c t u r ec a nb o t hg u a r a n t e et h ec r e a t i o n o fc y c l o n ea n d a v o i d st h ef o r m a t i o no fm u c hm o r ef l o wp r e s s u r ed i f f e r e n c e b ya n s y ss i m u l a t i o n ，t h e p r e s s u r ea t t e n u a t i o ne q u a t i o nf o rt h ef l o wi nc y c l o n ec e n t r a l i z e rw a se s t a b l i s h e d t h ee f f e c t s o ft h es e c t i o n a la r e a ，l e n g t h ，h e i g h ta n du p h i l la n g l eo ft h ef i na n dt h ec h a n g eo f e c c e n t r i c i t y o nt h ed i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e dw i t ht h eo p t i m i z a t i o no f t h es t r u c t u r eo fc y c l o n e c e n t r a l i z e r c o n s i d e r i n gt h a tt h er e y n o l d sn u m b e ri sr e l a t e dw i t l lt h ef l u i dp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ，f l u i dd e n s i t ya n da n n u l a rr e t u r nv e l o c i t ya sac e m e n t i n go p e r a t i o n a lp a r a m e t e r ， t h ee f f e c t so ff l u i dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dc e m e n t i n gp a r a m e t e r sc a nb ec o m b i n e dt o d e s c r i b et h et o t a le f f e c to fr e y n o l d sn u m b e ro nt h ec y c l o n el e n g t h ，a n dt h eo p t i m u m l o c a y t i o ni n t e r v a lm o d e lf o rt h ec y c l o n ec e n t r a l i z e rw a se s t a b l i s h e d ， b a s e do i lt h ep s d ( p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ) m o d e lo p t i m i z a t i o na n dt h e g r a i ns i z e a n a l y t i c a lr e s u l t sf o rt h ea d m i x t u r e ，t h em a s sp r o p o r t i o n so ff l o a t i n gp o t e n t i a l ，m i c r o s i l i c aa n d c e m e n tw e r ed e t e r m i n e d t h eo p t i m a lr a n g e so ft h ec o n c e n t r a t i o no ff l u i dl o s sa d d i t i v ea n d d i s p e r s a n tw e r ee x p e r i m e n t a l l yd e t e r m i n e d ，a n dt h eb a s i cf o r m u l a t i o nf o rt h el o w d e n s i t y c e m e n ts y s t e mw a sf i n a l l yo b t a i n e d a i m i n ga tt h el o wd e n s i t yc e m e n tb a s i cf o r m u l a t i o n ，t h e h i 曲t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dl o n gt e r mm e c h a n i s t i cp e r f o r m a n c eo fs e tc e m e n t w e r ee x p e r i m e n t a l l ye v a l u a t e d ，a n dt h et e m p e r a t u r er e s i s t a n tm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d f i e l d t e s t so ns e v e r a lw e l l ss h o wt h a ta f t e r2 4h o u r so fw o c ( w a i to nc e m e n t ) ，f a v o r a b l ei n t e r r a c i a l b o n d i n gw a so b s e r v e db yc b l a c o u s t i ca m p l i t u d ea n dv d ld e t e c t i o n t h eh i 曲g r a d er a t ef o r c e m e n t i n gq u a l i t yr e a c h e s7 0 ，a n dn oc h a n n e l i n gp h e n o m e n o ni so b s e r v e da f t e rp e r f o r a t i o n r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b i n e da p p l i c a t i o no f l i g h t w e i g h th i g h s t r e n g t hc e m e n t s y s t e ma n dt h ec a s i n gc e n t r a l i z i n gt e c h n o l o g yw i t hc y c l o n ec e n t r a l i z e rc a ns i g n i f i c a n t l y b e n e f i tt h ec e m e n t i n gi nm u l t i l a t e r a lw e l l so rs l i ma n n u l u sw e l l s i to f f e r si m p o f t a n t g u a r 髓t e e f o rt h ep r o d u c t i v el i f es p a no fs l i m a n n u l u sd i r e c t i o n a lw e l l s k e yw o r d s ：s l i ma n n u l u sw e l l ，s e m e n t a t i o n ，s t r i n gm e c h a n i c s ，d i s p l a c e m e n te f f i c i e n c y ， c y c l o n ec e n t r a l i z e r , l i g h t w e i g h th i g h s t r e n g t hc e m e n t v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名 嘲痧朋幽 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 9 - 月f 占日 陀月钿日 小间隙定向井固井完并技术研究 创新点摘要 本文在对小间隙定向井固井技术的研究过程中，经过理论分析和实验研究取得的主 要创新性成果有： ( 1 ) 在对小间隙定向井套管的可下入性进行了分析研究的基础上，建立了运用总 摩阻、弯曲应力等条件进行小间隙定向井套管可下入性的判断方法。应用间隙接触单元 法对管柱力学特征进行了研究，形成了通过综合分析套管抗拉强度和抗弯强度确定最大 井眼曲率的方法。( 见第2 章) ( 2 ) 通过理论分析和数值模拟的手段分析了小间隙井顶替效率的影响因素，利用 力学分析方法建立了小制隙偏心环空一维层流宾汉流体项替的数学模型，得出了小间隙 井的井壁规整程度对顶替效率的影响规律、小间隙井固井过程中采用较小的注替流速 ( 小于o ，5 m s ) 有利于顶替效率的提高，注水泥顶替效率随套管偏心程度的增加基本呈 现出线性降低趋势的小间隙井注替规律。( 见第3 章) ( 3 ) 通过数值模拟研究建立了旋流扶正器旋流衰减压降方程，得出了肋片截面面 积、肋片长度、肋片高度及偏心距的变化、肋片升角对顶替效率影响的规律，优化了旋 流扶正器的结构。由雷诺数的表达式中可知，雷诺数与流体性能的参数的流性指数 、 稠度系数秭口流体密度p 以及固井工作参数的环空返速u 0 有关，因此本文把流体性能参数 与固井工作参数对旋流长度的影响归结为雷诺数对旋流长度的影响，建立了旋流扶正器 的最佳安放间距模型。( 见第4 章) ( 4 ) 基于颗粒级配理论和激光粒径分析结果确定外掺料的质量配比，开发形成了 不同密度窗口下的低密水泥体系配方，探讨了低密水泥石的抗高温机理。通过现场多口 井的试验，候凝2 4 小时后经c b l 声幅和v d l 检测，界面胶结良好，固井质量优质率 达到7 0 ，为小恻隙定向井的生产寿命提供了重要的保证。( 见第5 章) 中国正i 油人学( 华尔) 博十学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 随着石油天然气的不断开发，大位移井、水平井、小井眼钻井技术得到越来越广泛 的应用，小间隙井眼也不断涌现出来，如老井加深、侧钻水平井、分支井的分支井筒、 c t 钻井等等。应用小井眼钻井技术，可大幅度降低油田勘探开发的钻井成本。实践证 明，与常规井眼相比，小并眼探井和评价井的钻井成本可降低4 0 6 0 或更大，生产 井和注入井的钻井成本可降低2 5 4 0 或更大。特别是近年来，各大油田都在大幅度 降低油阳勘探丌发的钻井成本，从而使得小井眼钻井技术得到了快速发展。随着小井眼 钻井技术的飞快发展，小间隙井尤其是小间隙定向井的固井问题更明显的突现出来。特 别是随着油田开发战略的调整，油田的可持续发展越来越依赖先进的开发措施，薄油层、 小油层的开发在油阳整体产量中的比例也越来越大，并且各大油田为了降低油田开发成 本，充分挖掘生产潜力，利用老井进行二次开发，促使小间隙井以更快地速度发展。 小间隙定向井固井的难点在于：( 1 ) 井眼间隙小、套管在弯曲井眼处的变形使得套 管下入困难；( 2 ) 小环空间隙造成薄水泥环，水泥石强度设计要求更高；( 3 ) 小套管的 刚度小、容易弯曲、偏心和贴壁，使顶替效率下降；( 4 ) 注水泥作业时流动阻力明显增 大，施工压力高，易发生蹩堵或漏失；( 5 ) 容易发生胶结导致测井遇阻，由于套管内径 小，套管内壁稍有清刮不净或浆体胶凝，就会使尺寸较大的测井仪器遇阻而不能进行正 常的测井作业。 这些固井难点给固井工程带来了一系列问题，直接影响固井施工，水泥环与套管胶 结强度低，水泥环韧性差，无法进行后期作业( 如射孔) ，导致固井质量差、油井寿命 短、产量低，甚至不能生产，进而影响到整个油气田的开发利用。 针对以上问题，提出，j 、间隙定向井固井技术研究”的综合性解决方案，即以研究套 管柱在小间隙井中的可下入性为出发点，进行小间隙井最大井眼曲率的设计；通过小间 隙固井顶替机理研究，设计出形成旋流长度合理的旋流扶正器，从而改善旋流扶正器的 安放位置，提高顶替效率：配合低摩阻低密度高强度的固井水泥浆体系的开发，降低注 替过程中水泥浆的摩擦阻力，减少漏失事故的发生，从而有效保证小间隙井的固井质量， 延长油气井生产的寿命，对于稳定油田产量和保证国家原油的需求供应具有重要的意 义。 第一章绪论 1 2 套管柱力学研究现状 套管柱力学研究的主要目的是探讨并身形态、管柱结构等对套管柱受力变形的影 响，从而判断套管柱的密封性、稳定性和可下入性，为套管柱的设计提供可靠的理论依 据，并对钻井过程中的井眼轨道设计提出相应的技术要求，也为以后开发生产的顺利进 行提供保障。因此，钻井界一直都很重视套管柱力学分析方法的研究。 截至目前，套管柱力学研究已取得很大进展，很多技术己在一些工程实例中得到了 应用。比如“七五”期间，辽河油田钻采工艺研究院和大连理工大学工程力学系联合开展 了“定向并内弯曲套管的力学分析和设计方法”研究，以及“八五”国家重点科技攻关项目 “热采水平井中间套管柱设计技术研究”等，都已在实际设计中发挥了较好的作用。但针 对小间隙定向井套管柱力学的专项研究还很少，国内外大多用直井或水平井中套管柱的 研究理论对分支并中的套管柱进行力学研究与设计，美国和苏联的分支井弯曲并段的设 计方法都是建立在直井设计理论的基础上，然后采用了适当的补偿措施。美国在分支井 弯曲套管的设计方法上基本上是采用直井方法，对于弯曲井段，以增加弯曲附加拉力进 行套管轴向拉力设计。苏联的方法是在直井设计基础上，外弯曲井段考虑套管的磨损， 计算磨损后的套管强度，采取的补救措施是弯曲井段套管壁厚增加1 0 ，并且国内外在 此方面的理论研究工作报告也很少，现场采用的设计方法也是以直井设计方法为依据， 采用经验方法适当考虑增加弯曲段套管的强度。 国内外研究水平井套管柱的摩阻和扭矩的文献很多。自从1 9 8 3 年约翰西克 ( j c h a n s i c k ) 首先提出了一个预测钻柱拉力和扭矩的柔索模型以来【l 】，国内外许多专家 学者都对此问题进行了大量深入的研究，从维到三维，从静态、稳态到动态，应用理 论分析、差分计算到有限元，把应用领域逐步从钻井管柱扩大到了套管柱。徐苏欣等在 前人研究的基础上，建立了三维弯曲井眼中套管柱力学分析模型【2 】。廖华林等通过对安 装扶正器和未安装扶正器套管柱的受力与变形分析来建立大位移井中套管柱的摩阻计 算模型 3 1 。 套管柱力学研究方法主要有经典微分方程法、纵横弯曲连续梁法、加权参数法、初 参数法、有限差分法、有限元法、问隙元法，下面对其进行介绍。 ( 1 ) 经典数学微分方程法 经典数学微分方程法是管柱力学分析中应用最早的解析方法，具有代表性的是2 0 世纪5 0 年代初l u b i n s k i 对直井管柱力学分析时使用的方法。其基本思想是在满足经典 中国4 i 油人学( 华东) 博七学位论文 材料力学控制方程的前提下，建立管柱在各种工况下的线弹性微分方程，并给出方程的 解答。后来许多学者利用这种方法推导了管柱在不同工作条件下的受力变形计算公式， 如钻井时钻柱产生弯曲的临界压力计算公式，这些公式对人们加深理解井下管柱受力变 形状态，指导工程设计和施工具有一定的理论意义。但是这种方法在建立数学微分方程 时，需对管柱做较多的假设和简化，才能使数学微分方程更简单，求出其解析解。可见 这种方法考虑因素少，很难确切地描述管柱的实际受力及变形状态。有的学者采用加权 参数法对管柱进行受力变形分析，它可以直接从微分方程中求得到问题的近似解。 ( 2 ) 有限元法 有限元法( 4 埘也是一种近似的数值解法。它的基本思想是把套管柱离散化成若干个 “空间梁单元”。然后以梁单元为研究对象，根据虚功原理建立起单元的平衡方程，再经 过所有单元坐标变换和“对号入座”拼装过程，将这些单元组合成一个整体，用以代表套 管柱原来的状态，并最终得到一组以节点位移为未知量的代数方程组。求解该方程可得 钻套管柱节点位移和单元内力。 它将整个套管从上到下分为肘个单元，将各单元和节点从上至下由l 到m + 1 编号， 并规定扶正器都安装在节点位置上。 对整个套管柱通过能量原理得出如下关系式： k 占= f 式中，彪为套管柱整体刚度阵，6 为整体位移，为对应的整体外向分量。其中外力f 是已知的，刚度矩阵k 只与套管的几何尺寸和材料的性质有关，也是已知的，只有位移 向量是未知的，所以可以求出万。 这种方法由m i l l h e i m 等人在2 0 世纪8 0 年代研究定向井管柱组合受力变形中提出并 完成的。有限元法的物理概念简单、清楚，实用性强，不限制管柱的材料和几何形状， 且对单元尺寸也无严格的要求；又可较容易地考虑非线性的影响。但是，在处理节点问 管柱与井壁接触时，一般的有限元有一定的困难。虽然通过增加单元数目、采用内节点 可解决这个问题，但这样一来，矩阵的维数就要大大地增加，因此会大大地降低计算速 度。尽管如此，有限元法是最有效的管柱力学分析方法，并且有取代其它方法的趋势。 ( 3 ) 间隙元法 一般有限元法难以解决管柱与井壁的随机多向接触摩擦问题，通常采用反复求解管 柱位移、判断与修改管柱与井壁的边界条件来描述这种接触状态，其计算时间冗长，尤 第一章绪论 其对数千米长的管柱更加突出。另外，由于管柱与井壁的接触摩擦不可逆性，这种方法 描述的接触状态也很难保证收敛到正确状态。 2 0 世纪7 0 年代末m i l l h e i mk k 首次将问隙元【9 】引入管柱力学用以描述钻柱与井壁 的接触状态。此后的十余年一直未见与间隙元有关的文献报道。八十年代末以来，大庆 石油学院机械系管柱力学研究组在张学鸿教授的领导下，全面系统地研究了间隙元模型 及相应的理论方法，创立了较为完善的间隙元理论体系。张学鸿教授和刘巨保教授提出 并研究完成了管柱接触非线性力学分析的间隙元法，并在定向井和水平井钻柱力学分 析、压裂管柱和抽油杆柱受力变形分析中得到了广泛应用，为现场设计和施工提供了可 靠的力学参数 1 0 - 1 5 】。间隙元法也是种近似的数值解法，它是在一般有限元法基础上建 立的，其基本思想是首先应用一般的有限元法将管柱离散化为若干个空间梁单元：然后 设计并推导出能方便准确模拟管柱与井壁产生随机多向接触摩擦状态的“多向接触摩擦 问隙元”，简称间隙元，并将该间隙元布置在管柱的每个节点上。最后将空间梁单元与 间隙元组合起来对管柱的接触非线性力学问题进行求解。它不仅能得到管柱单元内力和 节点位移，还可以得到管柱在不同井深与井壁的接触摩擦状态。由于间隙元法能充分考 虑管柱及其附件( 扶正器、封隔器等) 与井壁的初始间隙和随机多向接触状态，使管柱 力学分析模型考虑因素多，简化和假设少，能较真实地反映出管柱的实际受力变形状态。 由此可见，间隙元法是解决石油井下管桂随机多向接触非线性力学问题的一种有效方 法，同时也具有明显的工程实用价值。 这些模型大多是针对钻柱建立的，且考虑因素存在不同程度的欠缺。侧钻小间隙从 垂直方向逐渐转到某一个角度甚至水平方向，而且间隙小，下并后的套管柱在井眼曲率 作用下首先随井身自然弯曲，弯曲后的管柱在温度、自重、内外压差等各种载荷作用下 必然与井壁产生接触，而且接触状态沿管柱轴线和井眼圆周方向是随机分布的，能否准 确描述管柱与井跟内壁的接触摩擦状态是对管柱进行受力变形分析的关键。但这些方法 由于力学模型假设和简化上的差异，使得其工程应用都有局限性，尤其在水平井中没有 充分考虑管柱与井眼内壁的间隙和接触摩擦状态，使得管柱受力变形分析误差较大。 1 3 小间隙井固井顶替机理研究概况 对于小间隙井来说，其环空流动和顶替特点与一般井眼的不同之处主要表现为5 0 】： ( 1 ) 套管偏心使窄边间隙变得更小，钻井液滞留区不易被水泥浆顶替干净；( 2 ) 流动 阻力大，排量小，不易实现水泥浆的紊流顶替；( 3 ) 水泥环薄，特别在偏心情况下，窄 4 中国石油人学( 华东) 博士学位论文 边部分水泥环很薄或无水泥环存在，直接影响水泥石的密封质量。因此，有必要研究小 间隙井眼中水泥浆的顶替规律，建立提高小间隙井顶替效率的合理方法。 在注水泥过程中“替净”不仅包括排出井中的泥浆，从广义上说，应该包括将井壁上 覆盖着的软泥饼也顶替干净。井壁泥饼的生成有两个起因：第一，从物理化学角度上讲， 在水化搬土中，粘土晶体带正电荷的边缘吸附在另一个带负电荷粘土晶体的表面上。可 以形成蜂窝型组织的凝胶结构，这种结构在井中易于粘附在井壁上：第二，从力学角度， 泥浆向透水地层自然失水，造成些松的块状物贴附在井壁凝胶结构上，在持续渗透压 的作用下，上述两种结构将进一步被压实，加之钻柱在井中旋转，与井壁发生研磨与碰 撞作用，于是沿井壁形成了质地较密、具有一定抗剪切能力的泥饼。在顶替过程中能否 将泥饼完全剥除也是影响固井质量的重要因素。因而顶替液采取何种流态更有利于清除 环空中的泥浆及泥饼，就变得非常重要。 目前，固井顶替过程大多泵送紊流状态的水泥浆，有时使用隔离液把泥浆和水泥浆 分开。在使用隔离液时，关于流体是否需要用紊流进行泵送还存在着一些分歧。p a r k e r 等人曾提出，如果总流速度小于0 4 6 r n s ( 层流) ，在泥浆和水泥浆间的粘滞效应( v i s c o u s r e a c t i o n ) 有助于获得较好的顶替效果。此后，基于此理论产生了塞流顶替技术，并得 到了经验性结论，即水泥浆密度需要l e , e 浆的密度高0 2 4 l g c m 3 。 在早期工作之后，人们开始尝试建立项替过程的数学模型，但这些数学模型与实验 情况明显不一致。理论研究所作的一些假设很不精确，因而一些实验数据无法得到正确 的解释。人们更多地通过实践进行摸索，得出了一系列有利于现场操作的工艺措施，诸 如：使用相容性较好的隔离液分隔泥浆和水泥浆，隔离液接触时间以1 0 分钟为宜，注水 泥作业完毕后活动套管等。 两种不同液体接触、替换过程，流动状态非常复杂，难以建立符合实际情况的数学 模型。但是，针对环形空剧内单一液体的流动规律研究，国内外均取得了重要进展，其 研究分为两个阶段：第一阶段是将偏心环形空间展成不同环隙间距h 的流动槽，用代数 方法导出h 的表达式。从牛顿定律出发，考虑环形空间内任一点液体单元的平衡，得到 力学关系式。然后按幂律模式表达流体的本构方程，求出力与速度之间的函数关系。最 后可综合推导出表达偏心环形空间内任意双极坐标( e ，y ) 处的流速方程式。其结果非常简 洁，也能较方便地应用于现场实际，因而这类方法一直被石油界所推荐。但是，在取液 体单元时采用了平面方法，完全忽略了环向影响，其适用范围及可靠度均未得到严格论 证。第二阶段是在柱坐标系下进行讨论。尽管取柱坐标系后计算结果变得十分复杂，不 第一章绪论 易应用于现场实际，人们还是进行了深入的探讨，但没有假设流动对称于环形空间的几 何中心。这种假设对于那些狭窄的环形空问中的流动可以得到比较满意的结果。 在掌握泥浆、水泥浆偏心环空流动规律的基础上，大庆石油学院围绕替净问题，探 讨了如何提高偏心环空注水泥顶替效率，为钻井现场提高固井质量提出了具有指导意义 和基本可行的建议和措施。其主要结论包括： ( 1 ) 膨胀型液体有利于改善偏心环空宽、窄边流速不均的现象，有利于整个环空内 液体在较小的流量下达到紊流流态。使用膨胀型水泥浆有利于提高固井注水泥顶替效 率。若水泥浆的流变性能满足宾汉模式，则水泥浆的动塑比应低于泥浆的动塑比。 ( 2 ) 在套管偏心情况下，应适当加大扶j 下器的间距，使套管在井内呈弯曲状。这样 可以破坏平行的轴向流，使水泥浆产生二次流，从而减小或消除滞留区，提高顶替效率。 ( 3 ) 固井施工中应将套管与井眼之间的偏心度控制在0 5 o 6 以内，这样在偏心环 空中易于实现紊流注水泥；紊流首先发生在偏心环空近井壁处，即偏心环空外侧。 ( 4 ) 浆流流性指数n 0 5 时，偏心环空中各点的临界雷诺数差异变小；当水泥浆流 性指数n l 时，随着n 值的增大，临界雷诺数将减小，从而导致临界流速降低。 因此，紊流固井，不必强求大排量，通过调节水泥浆n 值，便可在低排量下，实现 紊流顶替。低排量下紊流顶替有助于保护井壁、防止憋漏地层、减少油层污染和充分利 用现有设备。 针对偏心环空中泥浆、水泥浆流动规律的研究，目前得到的研究结果为： ( 1 ) 幂律流体在偏心环空中流动时的速度分布不对称于环空几何中心。极值速度点 位置偏向内管，而且随着环空间隙的增大而愈加偏向内管。因此，流场对称于环空几何 中心的假设只能适用于内、外径之比接近于1 ，偏心度足够小的情况。 ( 2 ) 当流性指数n 值小于1 的幂律流体在偏心环空中流动时，宽边处的极值速度小于 窄边处的的极值速度。随着偏心度的增大和流性指数的减小，宽、窄边极值速度差要逐 渐增大。 ( 3 ) 当流性指数n l 时，随着n 值增大，偏心环空宽、窄边处流速差异将减小，甚至 可能再现宽、窄边速度近似相等的情况。从固井顶替要求出发，为了使水泥浆在偏心环 空中能够均匀顶替泥浆，保持偏心环空宽、窄边处水泥返高基本相等，消除泥浆窜槽， 固井适合采用流性指数n l 的水泥浆。 ( 4 ) 在最窄间隙处有出现滞留区的可能，且偏心度越大，越容易出现滞留区。在较 高排量下( 3 5 6 1 l s ) ，忽略流核，将结构流问题简化为层流问题处理，造成的误差为7 9 3 ， 6 中国f i 油人学( 华东) 髀十学位论文 在中、低排量下预期误差要大于此值。 ( 5 ) 在相同压力梯度及其它参数不变的条件下，偏心环空排量大于同心环空流量， 而且偏心度越大，流量差异越大。 此后，大庆石油学院和原华东石油学院等科研机构又转向研究同心和偏心环空层流 螺旋流流动规律【5 川。在纯粘无弹的不可压缩非牛顿液体在无限长垂直放置的圆管中做 稳定的等温层流螺旋流动的假定下，推得了一系列公式、方程。郑永刚等人【1 7 锄1 应用紊 流动力学理论，导出了适用于偏心环空的紊流流动微分方程式。由于紊流流动问题在理 论上还基本上没有解决。因而要在流道十分复杂的偏心环形空间研究紊流是十分困难 的。研究者利用变高度的平板流模型来研究偏心环空中的轴向流动，假设忽略进、出口 对流动的影响，以及平板的z 方向宽度足够大，忽略其对流动影响。在恒定流条件下， 推得平板式偏心环空轴向紊流流动微分方程。接着研究了粘滞层和紊流核心区，得到不 同速度分布规律。尽管研究过程中做了诸多假设，但其成果是具有启发性的。 综上所述，粘性流体在偏心环空中的流动规律己经研究得较深入，取得了一定的成 果。但是还存在着很多缺陷，应用范围难以拓展。第一，无一例外地存在着过多假设， 特别是未能深入考虑非线性效应，使得所得结果的精度和适用范围难以论证；第二，由 于偏心环空实验非常困难，己获得的理论结果尚未得到精细实验的验证。 1 4 螺旋流顶替技术的研究 顶替液的螺旋运动，给井壁增加周向剪切驱动力，易于携带近井壁的泥浆和冲刷井 壁上的泥饼；结合轴自流的轴向驱替，形成周向流携带与冲刷和轴向流的轴向驱替联动 作用，这样可大大提高顶替效率。固井领域使用螺旋流顶替技术，最早是通过顶替过程 中旋转套管来实现的，但往往因旋转扭矩较大，转速不能太快，导致顶替效果不理想； 而若加大旋转速度，则作业风险加大。尤其是大斜度井，水平井固井，扶正器扶正能力 差，造成旋转套管难度大，这一技术更是受到限制。而使用旋流扶正器实现螺旋流则容 易得多，旋流扶正器通过导叶的导流作用使流体形成螺旋流动【2 l 】。 该项技术始于1 9 8 6 年。此闻，美国阿莫柯石油公司首先在井下成功地使用了套管 刚性旋流扶币器，使固井质量得到大大提高。1 9 8 9 年m r w e l l s 等人首次发表了有关旋 流扶正器的室内实验研究成果的论文【2 2 】。该实验研究在分析旋流扶正器的几何结构、流 体性能、并径参数对旋流长度的综合影响的基础上建立了计算旋流长度的半经验公式， 并据此设计旋流扶正器井下安放间距。 第一章绪论 1 9 8 7 年，中原油田使用了弹性旋流扶正器并取得一定成功1 9 9 4 年的实验研究认为 2 3 1 ，旋流强度与导叶角、流量、流程等有关。同年，大庆油田进行了实验研究叫2 5 1 ， 力求通过大量实验分析旋流角的衰减规律是很有意义的。但所统计的旋流角经验式没有 考虑旋流扶正器本身结构的影响，导致结论应用受到限制。 1 9 9 4 年西南石油学院蒋世全的博士毕业论文【2 6 】对套管装有旋流扶正器的环空流场 理论与实验研究。该文在牛顿流体环空螺旋衰减流运动方程的基础上进行了大量的简 化，得出周向速度的衰减模型和旋流有效长度表达式，以此作为旋流扶正器井下安放设 计的依据。但理论模型中，将旋流长度的影响因素综合为环空综合雷诺数和旋流扶正器 导流角的影响，没有研究旋流扶正器其它结构参数对旋流扶正器导流能力的影响，因此， 所得出的结论是不完善的。其理论与实验研究中均未对螺旋流场其它流动参数( 如压降) 进行研究，旋流扶正器安放间距设计仅以单相流的旋流轴向波及长度为依据显得不足。 2 0 0 5 年舒秋贵 2 7 - 2 9 】采