38－提高水泥浆顶替效率的研究与应用.doc

提高油气层固井水泥浆顶替效率的研究与应用寇明富 于文华 朱敬祖 ,(玉门油田分公司勘探事业部)殷洋溢 段保平 周芝琴 (吐哈石油会战指挥部钻采工艺研究院)摘要:水泥浆环空流动的壁面剪应力是影响顶替效率的关键因素。但要实现最终提交合格固井质量的，还需要从入井流体的整体设计考虑。确保水泥浆顶替效率的最低环空壁面剪应力是15Pa，只要保证环空水泥浆流动的壁面剪应力大于15Pa，就能够保证顶替结果。但当环空水泥浆流动的壁面剪应力大于30Pa以后，固井质量随着其值得增大而变差。主题词：壁面剪应力 固井 顶替效率 深井 前 言影响水泥环封固质量的首要因素是提高顶替效率，没有良好的顶替效率，其它任何措施都不会对固井质量起到很好作用（如防止窜槽措施），但顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素，受到井眼条件、钻井液性能、水泥浆性能、浆体结构设计、施工参数、前置液接触时间等等的影响，在提高顶替效率的措施上，主要采取加入套管扶正器、在套管串上加泥饼刷、活动套管等。以上技术措施的理论基础是保持两相流界面的平整。普遍的共识是紊流顶替固井效果最好。实际上，由于受井眼条件、固井设备等因素的制约，层流顶替在固井施工中最多，并且同样获得了很好的施工效果，说明除了公认的紊流顶替之外还有更重要的因素影响顶替效率。一、提高水泥浆顶替效率的研究保证环形空间的密封质量，首先需要考虑的是如何使环空充满水泥浆。充满的过程，实际上是水泥浆顶替钻井液的过程。水泥浆与钻井液的顶替质量应满足以下基本要求： 注水泥浆井段的环形空间，钻井液应全部被水泥浆顶替干净，无窜槽现象存在；水泥浆返高和套管内水泥塞的高度必须符合设计要求，过高、过低或因套管偏心引起的不同间隙处的返高差异都是不允许的。1、影响顶替效率的因素有效地驱替钻井液，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。通过国内外研究发现影响注水泥顶替效率因素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。2、钻井液的阻力和水泥浆的动力钻井液的阻力和水泥浆的动力是保证两相液体顶替效果的基本因素。阻力：钻井液的流动性能，环形空间的几何尺寸，特征以及近壁层的厚度。近壁层厚度愈大，滞留在边壁的钻井液会多，钻井液的窜槽愈严重。动力：水泥浆与钻井液流动的压力梯度，活动套管引起的牵引力，水泥浆与钻井液交界面上速度差引起的牵引力以及密度差引起的浮力。增大水泥浆动力，减少钻井液阻力，是保证两相液体流动的基本措施，而实现两相液体界面的均匀顶替和减少近壁层厚度则是提高水泥浆顶替效率所要解决的主要问题。3、水泥浆流动的壁面剪应力3.1水泥浆的环空流态以紊流顶替技术为基础一般要求水泥浆的性能为：流性指数在0.60.8之间，稠度系数在0.10.3之间，不同的尺寸井眼与套管，在不同排量下水泥浆流态如表1。从表中可以看出，在不考虑井眼扩大的情况下有：241.3mm井眼下177.8mm套管和215.9mm井眼下139.7mm套管，水泥浆在环空中以层流或过渡状态存在，排量只有接近2.0 m3/min时才能达到紊流状态；表1 不同注水泥排量下，水泥浆的流态钻头尺寸mm套管尺寸mm注水泥排量m3/minRePLRePL1RePL2水泥浆流态241.3177.82.03237-37732560-23303460-3230紊流241.3177.81.82793-33252560-23303460-3230过渡241.3177.81.52164-26722560-23303460-3230层流241.3177.81.01642-12262560-23303460-3230层流215.9139.72.02735-36192560-23303460-3230过渡215.9139.71.82360-31892560-23303460-3230过渡215.9139.71.51828-25622560-23303460-3230层流215.9139.71.01036-15752560-23303460-3230层流215.9177.82.04732-47952560-23303460-3230紊流215.9177.81.84138-41702560-23303460-3230紊流215.9177.81.53250-33512560-23303460-3230紊流215.9177.81.02060-27252560-23303460-3230过渡215.9mm井眼下177.8mm套管，水泥浆在环空中以紊流状态或过渡状态存在，当替浆排量降低至1.0 m3/min左右时，水泥浆的流动状态以层流和过渡状态出现。215.9mm井眼下139.7mm套管，排量从1.0m3/min升至2.0m3/min，水泥浆的流动状态是层流或过渡流态。3.2水泥浆流动的璧面剪应力在同心环形空间内，紊流顶替技术已经比较成熟，但是在实际固井施工中，由于钻井目的层愈来愈深，定向井愈来愈多，油气层固井中套管居中度、循环压耗和环空间隙等因素的影响，水泥浆在环空中的返速受到很大限制，难以达到紊流顶替。通过国内外的研究和玉门油层固井实践证明，在井下条件确定的情况下，水泥浆环空流动的壁面剪应力在提高水泥浆顶替效率方面起着决定性的作用。关于环空流动的壁面剪应力有如下公式：w0.00025(DhDc)P/L 其中，w环空流动的壁面剪应力，Pa Dh井眼内径，mm； Dc套管外径，mm。 P水泥浆流动的摩擦阻力，Pa L水泥浆封固段长度，m从公式不难发现，w是与水泥浆密度、环空流速和摩阻系数密切相关的。从理论上讲，当水泥浆的w大于钻井液的胶凝强度时，就可以有效清除胶凝钻井液。从公式中也不难得出以下几点重要推论：在井眼几何条件一定的情况下，w是一个与流动速度和水泥浆流变参数有关的量；降低钻井液粘切对于提高顶替效率非常重要；当w与钻井液胶凝强度接近时，接触时间对清除泥饼至关重要；用前置液稀释钻井液，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：、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。、紊流流动时，由于摩擦阻力与流动速度的平方成正比，所以，流动的壁面剪应力在一般情况下大于其他流态。但是，从流动计算的相关公式可以知道，同样大小的壁面剪应力也可以通过增加流体的塑性粘度和屈服值获得。对于塞流顶替，主要要求水泥浆要高粘切，以产生相对高的壁面剪应力。从以上分析也可以看出，紊流顶替的水泥浆粘度不能任意小，否则除了可能产生流体不稳定外，其摩阻也会小于层流或塞流流动状态。、从力学的角度来看，要清除附着在井壁上的胶凝钻井液，必须要有一定的力，从受力分析来看，这个力主要是壁面剪应力，即水泥浆顶替过程中的动力。根据中国石油勘探开发研究院廊坊分院完井所通过20口井的资料分析，初步获得的以下结论：、壁面剪应力是影响固井顶替效率的关键因素，只要保证环空水泥浆流动的壁面剪应力大于30Pa，就能够保证顶替效果。、壁面剪应力设计方法，从理论上把塞流顶替、低速顶替以及紊流顶替技术统一了起来。对流变参数不再做特殊要求，只要结合环空返速，使摩阻大于一定数值即可。、保证顶替效率的固井施工最低返速，是要求水泥浆流动的环空壁面剪应力不低于最小壁面剪应力。3.3璧面剪应力的取值范围应用璧面剪应力设计施工的12口井中，优质井口数7口，优质率58.3%。按璧面剪应力数值范围划分，得出如下特点和结论：璧面剪应力在15-30Pa之间施工的5口井，优质率100%；璧面剪应力在15-30Pa之间施工的4口井，优质率为50%；璧面剪应力在以上的施工4口井，优质率为0%，且有1口井固井质量不合格。璧面剪应力在15-30Pa之间施工效果最好，当超过30Pa以后，随着数值得增大，固井质量变差。从统计结果看，控制璧面剪应力在15-30Pa效果最好，应避免大于40Pa，这与中国石油勘探开发研究院廊坊分院完井所统计分析提供的满足固井质量合格大于30Pa以上相矛盾。表2 水泥浆性能及壁面剪应力井号固井质量初始稠度(BC)6速粘度计读数环空壁面剪应力(Pa)60030020010063Q2-20优质15/101745310825.68Q2-21合格301451069075483836.24Q2-24合格3030029026524311585139.84Q2-19不合格25/237188157624978.77Q2-23优质271551209576553830.30Q2-22优质12131887154332918.55Q2-25优质15220154135100725736.93Q2-26优质1518016112085624128.05Q2-27合格16108907867231532.93窿110合格2029022419617511596112.30窿111优质181561329880533527.04窿113优质2018515613098413029.13表3 固井质量统计分析表环空壁面剪应力(Pa)施工情况固井质量（口/%）口数百分率优质百分率合格百分率不合格百分率15-30541.7510030-40433.325025040以上325.0266.7133.3合计12100.0758.4433.318.34、油气层固井流变学设计4.1嘉华G(HSR)加砂水泥性能及环空流动特性嘉华G(HSR)加砂水泥性能表4 水泥浆性能水泥减阻剂%粘度计读数60030020010063嘉华G(HSR) 加砂0.501911551261008560 流体的流态表现为幂律塑性模式。 水泥浆流态及特性表5 环空水泥浆流态及流动的壁面剪应力钻头mm套管mm排量m3/minRePLRePL1RePL2环空流态管内压耗MPa环空压耗MPa环空流动壁面剪应力Pa241.3177.82.038427933691层流5.2925.23657.37241.3177.81.832627933691层流5.0725.02055.11241.3177.81.524427933691层流4.7164.66851.13241.3177.81.012727933691层流4.0103.98643.48215.9177.82.068127933691层流5.29210.72880.06215.9177.81.857527933691层流5.07210.28676.75215.9177.81.542927933691层流4.7169.56271.35215.9177.81.022427933691层流4.0108.13060.67241.3139.72.028927933691层流9.044.58456.05241.3139.71.824427933691层流8.6074.39653.74241.3139.71.518227933691层流8.0554.08649.96241.3139.71.09527933691层流6.8493.47442.48 按照玉门油田油气层固井的水泥浆体系，嘉华G（HSR）级加砂水泥的流态表现为幂律塑性模式，在三种常规尺寸的环空间隙下，当井眼扩大率按15%计算时，排量从1.0至2.0m3/min的情况下，水泥浆的流态均为层流。环空流动壁面剪应力都大于30Pa。4.2应用壁面剪应力设计水泥浆流变性能 通过对公式的分析处理，按满足固井质量合格的壁面剪应力15Pa要求，水泥浆性能的试验，流性指数一般控制在0.4-0.6之间，稠度系数在1.0-6.0Pa.Sn之间。表6 流性指数与稠度系数取值范围井深(m)钻头直井(mm)套管直径(mm)排量(L/s)稠度系数(Pa.Sn)环空壁面剪应力(Pa)0.40.50.60.40.50.64500215.9139.7202.5-6.01.4-3.71.0-2.415.2-38.015.1-40.016.5-39.74500215.9139.7252.2-5.71.3-3.30.8-2.115.2-39.415.7-39.915.1-39.74500215.9139.7302.1-5.31.2-3.00.8-1.915.6-39.515.9-39.716.8-40.04500241.3177.8202.4-6.01.6-4.01.1-2.815.3-38.215.3-38.015.6-39.84500241.3177.8252.2-5.81.5-3.71.0-2.415.3-40.416.0-39.516.3-39.04500241.3177.8302.1-5.31.3-3.50.8-2.215.7-39.715.2-40.916.3-39.9注：表中的0.4、0.5、0.6为流性指数1）对于井深4500m、水泥封固段长为2000m的固井施工来讲，水泥浆在环空以层流状态流动；2）采用壁面剪应力理论，水泥浆流动的压力损耗更大，替浆压力更高，对设备的要求更高。3）随着n值从0.4增至0.6，k值的取值范围逐步缩小，在满足壁面剪应力在15MPa至40MPa之间时，水泥浆的设计要求更加精细。二、应用、效果及结论除了严格按璧面剪应力设计水泥浆性能外，在提高水泥浆顶替效率方面还必须精心设计入井流体，才能很好解决顶替效率问题。按设计环空返速，紊流接触时间7-10分钟确定前置液用量。占环空高度600-800米，粘度40秒左右，密度低于原井浆0.02-0.05g/cm3适当降低动切力的低粘钻井液，且保证其性能的稳定性和失水量变化不大。以平衡前置液和低粘钻井液液注压力降低为依据，配制密度1.50 g/cm3左右，并使其具有良好的流变性能。玉门油田生产井和部分探井采用两层套管结构，钻头尺寸241.3mm的井眼下177.8mm套管，215.9mm的井眼，下177.8mm和139.7mm复合套管，转换位置在3000-3300米之间。应用璧面剪应力设计水泥浆性能以来，油层段封固的优质段和合格段所占比例明显提高。表中列举部分井固井参数、固井质量分析情况。通过研究与应用得出以下结论：应用璧面剪应力设计水泥浆性能能够方便地了解水泥浆顶替效率和确定固井施工参数。对于玉门油田完钻井深在4500-5000米油层固井而言，璧面剪应力设计最佳范围是15-30Pa。当璧面剪应力值大于40Pa以后，从顶替效率和力的角度讲，应该说是增大了，但施工结果不理想，应当避免，原因有待进一步研究。利用壁面剪应力设计水泥浆性能，在一定的范围内，注替排量波动对顶替效率的影响不大，实际上是降低了对井眼条件的要求，提高了井眼直径在较大变化范围的顶替效率。为确保水泥浆的顶替效率，必须从套管柱居中、水泥浆性能和入井流体等全面设计。表7 固井施工参数表井号固井井深(m)冲 洗 液漂注水泥浆常 规替 浆数量1(m3