固井质量及相关研究

大庆石油学院本科生毕业设计(论文)PAGE大庆石油学院本科生毕业设计(论文)摘要在固井施工过程中，固井注水泥的高低直接影响到固井质量的好坏，没有良好的固井注水泥效率，采取其它任何措施都不会对固井质量起到很好作用。固井质量差，直接影响的到油气井寿命和采收率，严重的直接导致油井报废。影响顶替效率的因素复杂多变，本文针对影响固井注水泥各个因素包括井身质量、水泥浆和泥浆的流变性能、紊流接触时间、环空顶替流态等主要因素开展深入研究，得出一些结论和认识，结合大庆油田深井固井顶替效率低的实际，通过对现场的实测数据进行单一影响因素和多方面影响因素综合分析，在深井固井施工设计和现场技术制定等方面拓展研究。并编制平衡固井注水泥软件，它对固井注水泥有一定帮助。关键词：井身质量；固井；固井质量；井身结构AbstractInthewellcementationconstructionprocess,displacingefficiencytheheightdirectlytoaffectthecementjobquality,notgooddisplacingefficiency,takesotheranymeasuresallnottobeabletoplayverywelltothewellcementationqualityrole.cementjobqualitybad,directinfluencetooilgaswelllifeandrecoveryratio,itisseriousdirectlycausestheoilwelltodiscard.Theinfluencecomplexdisplacingefficiencythefactortobechangeable,thisarticledisplacingefficiencyeachfactorinviewoftheinfluenceincludingwellborequality,thecementmortarandthemudchangestheperformance,theturbulentflowcontactduration,thelinkspatiallyreplacesthefluidstateandsoontheprimaryfactordevelopmentthoroughresearch,drawssomeconclusionsandtheunderstanding,unifiestheDaqingOilFielddeepwellcementationtodisplacingtheefficiencylowreality,throughcarriesonthesoleinfluencefactorandthevariousinfluencefactorgeneralizedanalysistothescenemeasureddata,gradestheaspectinthedeepwellcementationexecutiveprojectandthescenetechnologysystemtodeveloptheresearch.AndtaketheXudeep8wellsastheexampleelaboratedhowconstructsintheactualsceneconsideredmanyinfluencesfactorenhancesdisplacingefficiency,theguaranteecementjobquality.Andorganizationalbalancewellcementationcementingsoftware,Ithascertainhelptothewellcementationcementing.Keywords：Wellborequality；Deepwell；cementjobquality；Thedrivepipecomesbetween前言在石油固井过程中，固井作业被认为是连接钻井工程与采油工艺的纽带，而在固井作业时一次注水泥其主要目的之一就是提高横截面与封固段注水泥的顶替效率，使一次注水泥达到“替净”，提供优质的固井质量。半个世纪以来顶替效率与注水泥机理，在国内外进行过系统的研究，并得出一些可行的重要结论，但如何从理论上定量计算一次注水泥顶替效率及现场注水泥作业和顶替效率等方面的问题，仍需要进一步的研究与探索，为固井施工现场提供如何考虑的理论依据。目前，钻井技术发展迅速，深井、复杂井、特殊工艺井的钻井工艺技术日趋成熟，固井技术需要配套发展。为了满足油田勘探、开发需要，实现原油硬稳定，天然气快发展的战略需要，这就要求我们必须提高固井质量。影响固井质量因素有很多，要得到良好的固井质量最重要的是提高注水泥的顶替效率，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。但顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素。所以说顶替效率对固井质量有决定性的影响，一旦顶替效率不高，井壁残存泥饼或环空泥浆窜槽将直接形成环空窜流通道，从而引发环空窜流，导致固井作业失败。根据系统工程的概念，顶替效率与所有参与注水泥顶替过程的因素，包括套管居中度、水泥浆与泥浆的流态、紊流接触时间、泥浆触变性以及水泥浆和泥浆的密度有关，并受其影响、控制。为此本项目针对大庆油田徐家围子地区的深井固井展开了理论与实际相结合的深入研究，以提高顶替效率为手段，以确保固井质量为目标，进一步研究固井顶替机理以及如何具体提高顶替效率的技术措施，为大庆油田深井固井施工设计及措施制定提供依据。目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章 概述 11.1固井注水泥的意义 11.2国内外固井注水泥发展现状 11.3研究内容 3第2章影响固井注水泥效率的因素以及各因素之间的关系 52.1固井注水泥效率的定义 52.2固井中水泥浆顶替泥浆的运动规律研究 62.3井身质量对固井注水泥效率的影响 92.4泥浆与水泥浆的流变性能 19第3章平衡固井注水泥软件设计 253.1Delphi7.0简介 253.2数据库简介 273.3软件设计 273.3.5注水泥设计 30结论 31参考文献 32致谢 33PAGE33概述1.1固井注水泥的意义目前，钻井技术发展迅速，深井、复杂井、特殊工艺井的钻井工艺技术日趋成熟，固井技术需要配套发展。为了满足油田勘探、开发需要，实现原油硬稳定，天然气快发展的战略需要，这就要求我们必须提高固井质量。影响固井质量因素有很多，要得到良好的固井质量最重要的是提高注水泥的顶替效率，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。但顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素。所以说顶替效率对固井质量有决定性的影响，一旦顶替效率不高，井壁残存泥饼或环空泥浆窜槽将直接形成环空窜流通道，从而引发环空窜流，导致固井作业失败。根据系统工程的概念，顶替效率与所有参与注水泥顶替过程的因素，包括套管居中度、水泥浆与泥浆的流态、紊流接触时间、泥浆触变性以及水泥浆和泥浆的密度有关，并受其影响、控制。为此本项目针对大庆油田徐家围子地区的深井固井展开了理论与实际相结合的深入研究，以提高顶替效率为手段，以确保固井质量为目标，进一步研究固井顶替机理以及如何具体提高顶替效率的技术措施，为大庆油田深井固井施工设计及措施制定提供依据。1.2国内外固井注水泥发展现状目前国外BJ、福拉斯马斯特、道威尔、哈里伯顿和诺斯科等五大能源技术服务公司都生产基本水泥，我国只生产一类油井水泥（波特兰水泥）。基本水泥共有十三类：波特兰水泥、高铝水泥、市售低密度水泥、市售膨胀水泥、微细波特兰水泥、微细波特兰水泥和微细高炉矿渣混合物、高细度水泥、高炉矿渣、微细高炉矿渣、波特兰水泥和高炉矿渣的混合物、可储存的液体水泥、酸溶水泥、合成树脂水泥。美国壳牌石油公司及几个其它石油公司的一批科研开拓者，在多功能钻井液（UF）性能、胶凝浆特性、泥饼固化、界面胶结等方面作了大量的实验（剪切胶结，激活剂的扩散实验，水平井大型井筒顶替模拟试验），研制出新型“钻井”固井液技术，只是在原有钻井液配方的基础上，添加不多的高炉淬厂渣或其它可水化材料，基本上不影响钻井液的其它性能。新型“钻井”固井液技术采用UF钻井、MTC固井提高了钻井液和固井液的相溶性，有效地解决了传统固井水泥浆与钻井液的不相溶问题，从而实现了第一、二界面的良好分隔和胶结强度，特别是提高第二界面的胶结质量，减少和阻止油气、水流体的层间窜通，而且由于激活剂的扩散和渗透，使泥饼形成了固化的致密泥浆，阻止循环漏失和水泥浆液柱回落。新型“钻井”固井液与普通油井水泥浆相比，调节性能的外加剂价廉，而且具有低失水、强度发展快、沉降稳定性好、耐污染等特点，新型“钻井”固井液技术淡化了顶替机理和顶替技术，解决了废弃钻井液排放造成的环境保护问题。

美国和加拿大用新型“钻井”固井液技术在4个油田进行了23口井的施工作业，以解决各油田存在的固井循环漏失及地层胶结不好问题。美国联合太平洋能源公司在开采了56年的老油田斯特霍顿油田应用使用多种油井水泥及外加剂始终没有解决第二界面胶结不好问题，而使页岩坍塌，导致水窜和油气窜发生，应用新型“钻井”固井液技术，解决此问题，提高了固井质量。在油田完井过程中，影响油井固井质量的首要因素是顶替效率，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。顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素，受到井身质量、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。因此，半个多世纪以来，注水泥顶替机理研究一直是国内外固井界重点研究的课题。1940年,P.H.Jones和D.Berdine对注水泥顶替机理进行了开创性的研究。他们着重提出,泥浆、水泥浆都是非牛顿液体,需要一定的压降才能达到一定的流速。如果套管偏心,就极易在宽间隙处流动而窄间隙处形成窜槽。因此扶正套管是减少窜槽的有力措施。1948年,G.C.Howard和J.B.Clark进行了注水泥顶替模拟实验,首先认识到泥浆性能的重要性,提高水泥浆返速及降低泥浆粘度,对提高水泥浆的顶替效率有重要作用等。1949年,W.D.Owsley进一步指出,提高井眼规则度和套管居中度,使用紊流顶替等,有利于提高顶替效率。1964年Brice和Holmes提出水泥浆紊流接触封固层的时间不低于10min能有效提高顶替效率。1967年,Mclean等指出,降低泥浆静切力对水泥浆的顶替效果有较好的影响,另外,他们还提出了水泥浆临界动切力的概念,当水泥浆的动切力大于该值时,顶替效果是明显的；并认为水泥浆与泥浆的比重差引起的浮力有助于提高水泥浆的顶替效率。1969年,Parker等指出,采用返回速度低于0.5m/s的塞流顶替,可以改善井径扩大处残留泥浆的顶替作用。1979年,1980年和1982年Hault、R.J.Crook等连续发表文章,他们在试验的基础上,进一步总结出泥饼性能和最大静切力是影响顶替效率的两个最主要的因素,特别强调不流动的泥饼和因触变性停滞在井壁的泥浆,是难以顶替干净的。并指出高的上返速度,即使未达到紊流总比低返速下的顶替效率好。ZurdoNorel等人进行了长达300m的全尺寸水平井注水泥模拟实验,研究了流态、套管偏心、井眼形状对顶替效率的影响。1984年,国内开始了注水泥顶替研究。西南石油学院在国内建立了环空顶替动态模拟实验装置,之后大庆石油管理局钻井研究所也建立了注水泥顶替实验装置。通过大量实验研究表明：套管的居中度、水泥浆流态、紊流接触时间、泥浆的触变性和水泥浆与泥浆的密度差,是影响水泥浆顶替效率的重要因素。其中,套管居中度、紊流流态及紊流接触时间是最主要的因素；固井界于20世纪80年代开始加强对隔离液的研究,提出隔离液能在合理的泵速下进入紊流而不产生过大的摩阻压降，可以加重而使其密度大于泥浆但小于水泥浆,且没有过多的固相沉降，具有低失水，给套管和地层创造水湿环境；隔离液能与水泥浆和泥浆相容。1991年,Jakobsen等人建立了荧光示踪法动态注水泥模拟实验装置。国内西南石油学院根据该方法的原理建立了类似的实验装置,并对更多的因素进行了理论和实验研究,成果有:增大水泥浆与泥浆密度差,增大泥浆流性指数,减小水泥浆流性指数,减小泥浆稠度系数,增大水泥浆稠度系数,增大流量,减小套管偏心度,都有利于提高顶替效率；并提出活动套管所诱导的回流与剪切流场是提高注水泥顶替效率的有利因素。根据以上所述，不同研究者，经过研究得到不同的结果，这除了其实验条件，设备等因素不同，一方面是由于注水泥顶替效率测量上的差异，一般在注水泥后，将凝固后的试件切割成若干段进行分析，还有研究者，采用电阻率法，荧光示踪法，确定顶替效率大小；另一方面在研究影响顶替效率的各种因素时，很难固定其他因素，孤立的研究某一因素。因此，影响幅度和所得结论难免具有一定的片面性。60多年以来，科研工作者对顶替效率室内研究已做了大量工作，对其影响固井顶替效率的主要因素基本已取得大致相同的结论，但对现场实际固井顶替效率研究较少。而现场工程技术人员在固井施工时则非常关心固井实际的顶替效率能达到多少，本题目就是基于此思想从各个方面对影响深井固井顶替效率的因素进行分析，根据现场的实际数据进行分析与研究，得到一些结论，进而来指导现场的施工。1.3研究内容研究可施工井套损段的应力状态研究分析变形、外漏、错断等几种典型井的套损应力状态，建立套损应力状态数学模型，用于指导修井方法的优选和压裂方法的确定。优选和研究适宜的修井方法以对套管产生较低的伤害为目标，结合理论分析，优选和研究适宜的修井方法，为实施压裂施工提供基本条件。研究多层压裂方法根据套损井的损坏程度和修复情况，结合油层的地质情况，研究可对套损段进行分卡、合卡、平衡保护，并能实施多个层段压裂的工艺方法。研制压裂管柱及配套工具按照套损井压裂对管柱的要求，以压裂不引起2次套变为目标，进行压裂管柱及配套工具研制，管柱的组成工具可多级下井，实现管柱下得去、起得出，遇卡管柱事故能分体。第2章影响固井注水泥效率的因素以及各因素之间的关系2.1固井注水泥效率的定义提高顶替效率防止环空混窜一直是石油固井工程中最重要的技术问题。确定一种流体对另一种流体的顶替能力时，最常见的参数为顶替效率。我们常把水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度，称为固井注水泥效率。注水泥浆段注水泥浆段任一截面当时，水泥浆全部顶替了泥浆，注水泥质量优良；当时，水泥浆顶替了部分泥浆，愈低注水泥质量愈不好，实际上顶替效率反应了注水泥段或截面上水泥浆与泥浆的分配情况。保证环行空间的密封质量，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该满足以下基本要求：（1）水泥浆井段的环形空间，泥浆应该全部被水泥浆顶替干净，无窜槽显现存在；（2）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。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。根据多年来国内外对水泥浆顶替效率的研究，可以得出影响水泥浆顶替效率的六种因素：（1）套管在井内居中情况；（2）流体在环空间的流动状态；（3）紊流时液体流过封隔层位所接触的时间；（4）水泥浆与钻井液的触变性；（5）钻井液与水泥浆的流变性能；（6）水泥浆与钻井液的的密度差。2.2固井中水泥浆顶替泥浆的运动规律研究在固井工程中，水泥浆对泥浆的顶替，可以看成是宾汉流体在偏心环空中的轴向层流顶替。在研究两种宾汉流体顶替的轴向速度时，仅是将单相流动速度简单地叠加，其实质是假设压士梯度沿径向为常数，研究宾汉流体在偏心环空中的顶替规律时，假设顶替液沿流道中心流动，而被顶替液(泥浆)沿壁面附近流动，这实际上是研究了两种宾汉流体的“环空”流动。显然，这种流动与实际顶替情况相差甚远。许多学者经过研究已经证明，对于非牛顿流体在偏心环空中的流动，可以用变高度的平板流模型来近似的进行研究。当内管外径和外管内径的比值大于0.3时，用变高度的平板流模型代替偏心环空中流动，具有满意的精确度。当环空内径与外径比值大于0.6时，可以用平板流模型精确模拟偏心环空中的流动。在固井工程中，一般情况下都能满足上述内外管径比条件，即完全可用平板流模型研究水泥浆的顶替过程。2.2.1宾汉流体在偏心环空中顶替的数学模型对于宾汉流体在偏心环空中顶替，现将偏心环空作出图2-1：图2-1偏心环空中顶替模型由几何关系有：（2-1）式中：——环空间隙宽度的二分之一，m；——套管偏心距，m；——井眼半径，m；——套管外半径，m；——周向角，弧度。由流体力学理论知，宾汉流体在偏心环空中流动的平衡微分方程是：（2-2）式中:——流体密度，kg/m3；——轴向流速，m/s；——轴向坐标，m；——重力加速度，m/s2。由平板流模型，以及水泥浆和泥浆的本构方程可以得到水泥浆对泥浆的顶替模型为：（2-3）式中：——环空出口压力，Pa；——环空进口压力，Pa；——环空长度，m；——径向等速区宽度的二分之一，m；——在t=0时的b，m。式（2-3）中，径向等速区宽度的一半b，可由等速区的平衡方程得出：（2-4）为某一值下的等速区内水泥浆与泥浆界面的高度，即（2-5）式（2—5）中，令，，则（2-6）这是大家熟悉的宾汉流体单相流动时的流核宽度的一半。式（2-3）中的初始条件是考虑水泥浆未进入环空之前，环空中仅充满泥浆，属于单一流体偏心环空轴向流动。由此确定了式（2-3）中的速度初始条件。式（2-3）中的由式（2-6）计算。从理论上讲，在上述边界条件与初始条件下可以求解顶替数学模型式（2-3），但由于该模型是关于水泥浆与泥浆的界面位置函数的三阶非线性偏微分方程，求解十分困难，下面求该模型的数值解。2.2.2顶替模型数值解注水泥的目的是要封固目的层段并要求较好的水泥环质量，它最终体现在水泥浆顶替泥浆的程度，即顶替效率。剖面顶替效率（2-7）整体顶替效率（2-8）式中：——流量，m3/s；——有效顶替时间，即从水泥浆进入环空开始计算的时间s；——环空横截面积，m2。反映了某一（）值下水泥浆顶替泥浆的程度，显然，完全取决于该剖面下的界面位置分布状态。反映了整个井内水泥浆对泥浆顶替程度。不难证明，对同心环空而言，整体顶替效率与剖面顶替效率是一致的；而对偏心环空，整体顶替效率比剖面顶替效率更重要。下面是用逐步逼近的方法求解式（2-3）的几个典型算例。已知,mm，mm,mm,s,；；其它参数见表2-1。表2-1宾汉流体流变参数对顶替效率的影响算例g/cm3g/cm3PaPamPasmPasm311.001.0050.051.5573.720.91.0050.051.5575.075.476.355.331.001.0050.051.5576.075.476.355.341.001.001.651.50.050.051.5573．576.080.045.451.001.001.51.650.050.051.5574.777.381.755.361.0001.0060.051.5572.674.778.342.471.001.0050.061.5574.476.981.355.381.001.0050.051.8673.075.178.850.1由算例1和2可知，减小泥浆密度，其整体顶替效率增加。由算例1和3可知，增大水泥浆密度，其整体顶替效率增加。又算例1和4可知，增大水泥浆动切应力，其整体顶替效率下降。剖面顶替效率也下降。由算例1和5可知，增大水泥浆动切应力，其整体顶替效率增加，剖面顶替效率也增加。由算例1和6可知，增大泥浆塑性粘度也下降。由算例1和7可知，增大水泥浆塑性粘度，其整体顶替效率增加，剖面顶替效率增大，由算例1和8可知，增大流量Q，其整体顶替效率增加，而剖面顶替效率等下降。这是因为流量增大，压力梯度增大，造成等速区宽度减小（从式（2-4），（2-6）得到证明），所以剖面顶替效率下降。但由于流量使得宽间隙与窄间隙处的流速差别减小，因而整体顶替效率增加。由算例1—3的剖面顶替效率增减可以解释如下；由于密度差的增大，浮力效应增大，而窄间隙处的浮力效应比宽间隙处的大的多，这加速了窄间隙处的流动，从而使窄间隙处的等速式宽度减小。因此，窄间隙处的剖面顶替效率下降。又因为流量恒定，所以相对而言，宽间隙处的流速将会下降，致使宽间隙处的等速式宽度增大，所以宽间隙处的剖面顶替效率增大。2.3井身质量对固井注水泥效率的影响井身质量决定了套管在井内的居中情况，井身质量是由井径大小、井径规则度、井径扩大率及全角变化率等因素具体评价。井径大小、井眼的规则程度与井斜角是影响固井质量的主要因素。如果井眼太大固井施工过程中各种流体不易达到紊流，即不易驱替净环空泥浆；井眼太小或井斜角大易使套管靠壁，套管周围不易形成均匀水泥环。井眼的横剖面呈不规则的椭圆形或“糖葫芦”形，纵剖面呈“锯齿形”。如果还存在几个“大肚子”冲蚀井段，不论顶替排量多大，都很难将其中的泥浆驱替干净。另外弯曲井眼中套管不易居中，极大地改变了顶替过程中环形空间的流速分布，增加了驱替窄边泥浆的难度。而这些残留的泥浆往往和水泥浆相混.严重地影响了水泥浆的流变性和胶结强度。井眼不规则易造成顶替死角，施工中形成混浆带。这对注水泥的顶替效率有很大影响。2.3.1井径扩大率与井径规则度对固井注水泥效率的影响井径扩大率和井径规则度是影响井身质量的重要因素。井径的好坏作为评价井身质量的一种手段，在固井时应用比较广泛。但是通过理论研究和现场的实际报告表明，用井径扩大率来衡量井眼是否规则，这种方法比较单一，而且无法体现井径变化程度给固井质量带来的影响，它只是单方面反映井眼尺寸对井身质量的影响。我们引进影响井身质量的又一个概念，即井径规则度，它是反应任意井段乃至全井井径规则程度的物理量，井径规则度等于所求井段井径的标准方差。它是通过现场实际测出的井径数据，然后计算出全井以及连续若干井段的井径变化程度及井径扩大率，以此来评价井身质量，进而确定井径对固井质量的影响。针对井径扩大会给钻井作业及以后的开发增加难度，及在钻井过程中，井径扩大使钻屑难以携带，卡钻遇阻，长段划眼；从固井实际现场来看，井径扩大致使固井时水泥浆返速低，出现窜槽，封固质量差等。井径不规则，井壁稳定性差，顶替效率低。我们应该在钻井过程中尽可能把井打直，为完井提供良好的井身质量，为固井质量的提高奠定良好的基础。下面就大庆油田徐家围子地区16口深层气井的平均井径扩大率和井径规则度对顶替效率的影响进行分析:表2-2井径扩大率对顶替效率影响井号平均井径扩大率%顶替效率%徐深86.997.16徐深928.383.88续表2-2徐深36.986.26徐深6038.693.62徐深8014.296.5徐深90215.872.18徐深90118.780.99徐深1112.486徐深30119.188.03徐深1021.169.19汪深10113.884.08升深2-713.482.8升深2-122483.2升深2-619.587.6汪深90512.992.54升深2-2515.587.8根据上表可以作出井径扩大率与固井效率的散点图，如图2-2：图2-2井径扩大率与顶替效率关系从散点图2-2可以看出，随着井径扩大率的增大，水泥浆的顶替效率在逐渐下降，在井径扩大率小于10%的范围内，顶替效率基本都在90%以上，其顶替效率达到良好。而在10%到20%的范围内，顶替效率呈下降趋势。总体来说，顶替效率的高低与井径扩大率成反比的关系。在固井施工时，要得到良好的水泥浆顶替效率，应该把井径扩大率控制在10%以内，这样才能保证固井的质量良好。另外，由于影响顶替效率的因素是多方面的，所以当井径扩大率大于10%以上时，应该尽量控制好影响顶替效率的其它各方面的因素，使其同样能够得到较高的顶替效率。表2-3井径规则度对顶替效率影响井号井径规则度%顶替效率%徐深88.5497.16徐深917.5983.88徐深311.1686.26徐深6035.4193.62徐深8014.1396.5徐深9029.4472.18徐深90111.3480.99徐深1110.1186徐深30112.1488.03徐深1024.1269.19汪深10111.2184.08升深2-712.3282.8升深2-129.6283.2升深2-69.1487.6汪深9055.3292.54升深2-2510.4487.8根据表2-3可以作出井径规则度与顶替效率的散点图，如图2-3：图2-3井径规则度与固井效率关系从散点图2-3可以看出，随着井径规则度的增大，水泥浆的顶替效率逐渐下降。也就是说井身越不规则，油井的顶替效率越差，得不到良好的固井质量。所以说，在固井施工时应该尽量控制油井的井径规则度，使其井径规则度小于12%，最好低于10%，这样才能提高油井固井时的顶替效率，得到良好的固井质量。表2-4井径扩大率、井径规则度与固井效率关系井号井径规则度%平均井径扩大率%顶替效率%徐深810.416.997.16徐深917.5928.383.88徐深311.166.986.26徐深6035.418.693.62徐深8014.1314.396.5徐深9029.4415.872.18徐深90111.3418.780.99徐深1110.1112.486徐深30112.1419.188.03徐深1024.1221.169.19汪深10111.2113.884.08升深2-712.3213.482.8升深2-129.622483.2升深2-69.1419.587.6汪深9055.3212.992.54升深2-2510.4415.587.8井径扩大率与井径规则度对固井效率的影响很重要。当井径规则的情况下，说明该井打的比较直，没有出现锯齿状，井径扩大率也很理想，这时的顶替效率很高；当井径扩大率较小时，说明该井的井眼较小，没有出现“大肚子”的地方，井径规则度一般都很理想，使该井的顶替效率达到理想值。但不是绝对的。因为影响顶替效率的因素是多方面的，单一的因素不是起决定作用的，要想使固井的质量良好，就得在固井施工时考虑多方面的影响因素，尽量做到使这些因素对固井效率的影响降低到最小，确保固井质量良好。2.3.2扶正器安放位置的设计固井施工时在套管上加扶正器，是对套管偏心程度有所约束，进而影响水泥浆的顶替效率。为了研究常规扶正器对水泥浆顶替效率的影响，在非渗透性地层中进行了一系列的试验，试验中采用的水泥浆能在循环时出现固相沉降。并且还采用了前置液。试验中扶正器放置的位置分成3类：（1）扶正器放置在套管的正中；（2）扶正器放置在套管端部起的1/3和2/3处；（3）扶正器放置在套管端部起的1/3处。试验结果表明：（1）套管下半部分的顶替效率要比以前采用同样水泥浆但没有使用扶正器的试验高得多；（2）扶正器两端的水泥浆顶替效率都得到了改善，由此断定扶正器确实有助于提高水泥浆顶替效率；（3）扶正器的弓形显然能干扰周围水泥浆的流动方式，从而改善水泥浆顶替效率。然而，扶正器这种作用仅限于其周围1～2m之内。扶正器除了能改善套管的居中度外，还可以减少下套管的摩擦阻力。扶正器的选择取决于井眼状况及扶正器的受力情况，大斜度井，水平井中常使用的套管扶正器有两种类型：一种是弹性扶正器，一种是刚性扶正器。弹性扶正器适合于井径大而不规则的井眼；刚性扶正器适合于井眼轨迹规则，井径均匀的井眼，不适合有“狗腿”或井径扩大的井段。刚性扶正器的外径与井眼之间要有一定的间隙，一般比井眼直径小10～15mm。下入套管时，为了获得好的套管居中，使用扶正器的数量、安放位置，大多采用计算机进行设计计算，从而得到最佳的扶正器使用数量和安装间距。关于套管扶正器安装间距计算方法应按SY/T5334-88标准进行计算。另外，为了使设计计算方便，现场施工采用下面的公式：（2-9）式中：——扶正器间距，m；——套管弯曲挠度，cm；——套管单位长度重量，kg/m；——套管外径，cm；——套管内径，cm；——井斜角，（）。在大庆地区的深井固井作业中，通常在主力油层井段，一根套管加1只扶正器；在非主力油层井段，每两根套管加一个扶正器，这样可以很好的将套管居中度控制在67%以上，有利于水泥浆的顶替，获得较高的顶替效率，保证深井的固井质量良好。2.3.3套管居中度下入的套管在井内的居中情况是影响注水泥顶替效率的一个很重要的因素，我们通常把套管的圆心偏离井筒圆心的程度称为套管的偏心度，可以用偏心度(e)表示。套管偏心是注水泥时引起泥浆窜槽的主要原因，它可以引起环形空间间隙的不对称变化，进而使液体的流速、流量以及流态在不同间隙中发生变化。从而影响水泥浆的顶替质量，即顶替效率。所以我们在下入套管时，应该尽量使套管居于井筒的中心部位，减小偏心度，为固井的后期工作做好准备，以提高其顶替效率。套管在井内居中时，由于同心环形空间四周的间隙均等，液体流动阻力在各个方向完全一样。液体流动时，环形空间的液体就会以相同的速度全部流动，不存在滞流区，顶替效率的高、低主要取决于顶替时的流态（层流、塞流、紊流）。由于套管居中，整个环形四周阻力相同，不会出现环形某一边泥浆没有被替走的情况，由于顶替时水泥浆的流态不同在井壁和套管外壁附近却有可能残余一部分泥浆，其滞留泥浆的多少或厚度决定于流态。根据现场数据和试验数据及资料表明，不论是层流顶替、塞流顶替还是紊流顶替，套管居中的情况下，水泥浆的顶替效率都比较高，都在90%以上，其中紊流顶替最好，塞流顶替次之，层流顶替最差。如果井眼偏斜，套管偏离井眼中心，环形空间各方向的间隙大小均不相等，因此环形空间各方向开始流动的阻力也不相同，这样就会造成环形空间各方向泥浆被顶替的情况不一样。由于套管偏心，各方向间隙的阻力梯度也不一样。因此就可能出现宽间隙处的泥浆开始流动了，而窄间隙处的泥浆却滞留在原位置，不能流动。下面根据模拟实验，进一步来说明两相液体的顶替规律及其有关因素对顶替效率的影响，从而使理论机理研究更好的应用现场实际。表2-5套管居中时水泥浆的顶替效率流态实验次数水泥浆与钻井液的性能差返回速度m/s水泥浆雷诺数Re%塞流40.20.66301109140.10.25408098.8紊流40.20.610020013100.71.122001000094层流100.26301005300.20.6600100092总计18次平均值94表2-6套管偏心度为0.58时水泥浆的顶替效率间隙位置实验次数水泥浆与钻井液的性能差返回速度m/s水泥浆雷诺数Re%宽58290.20.85010031423一般>350097.6中201000350.30.610080094.5290.050.151050.5窄总计58次平均值80.3表2-7流量对水泥浆顶替效率的影响间隙位置mm实验次数环形空间流量L/s返回速度m/s顶替效率%窄（18.9）4164.0168.3737140.40.839.43从表2-5至表2-7可知：（1）偏心环形空间的水泥浆顶替效率远低于套管居中时的水泥浆顶替效率；（2）在偏心环形空间内，不同间隙的水泥浆，其顶替情况不完全一样，水泥浆在窄间隙的顶替效率比宽间隙和中间间隙低40%左右；（3）水泥浆在宽间隙的雷诺数一般都大于3500，顶替效率较高；而中间间隙的雷诺数一般都较小，但是水泥键的顶替效率仍然较高，这说明宽间隙的紊流挠动已经影响和扩大到中间间隙，从而加速了钻井液的流动，到对窄间隙范围的影响却较小。如果在继续增大宽间隙的紊流程度，窄间隙的钻井液有可能被顶替干净；（4）套管居中时，液体的流态对顶替效率虽然有影响，但是却不是很明显.在套管偏心时，流量和流态对窄间隙水泥浆的顶替效率不尽相同，低速塞流最好，高速次之，中速最差。偏心是造成环空流体流动状态和速度分布不均匀的根本原因，套管居中将能从根本上解决顶替效率问题，为此根据偏心影响机理，应该采取以下措施：（1）采用旋转套管工艺，旋转套管的目的不仅仅是为了增加液体对壁面的剪切力，更重要的是它可以将窄间隙的壁面移到宽间隙处，使套管壁上滞留的泥浆及时被冲洗带走；（2）合理设计顶替返速，应根据偏心环空速度分布情况，以使窄间隙处冲洗液也达到紊流流动为标准；（3）处理好泥浆，使泥浆粘度尽可能低，加大冲洗液的用量及提高环空顶替速度，均会对偏心环空顶替有所改善。套管居中是提高顶替效率的最好方法之一，在徐家围子地区，井深都在3500m以上，最深的徐深3井井深达到4763.82m，这么长的井段，套管偏心是不可避免的，因此在封固段以内采用加密加放弹性限位扶正器的方法，在大肚子井眼处加放刚性旋流扶正器，在保证套管居中度的情况下，以保证把死泥浆循环出来。通过现场的实际数据表明，合理使用扶正器，提高套管居中度是提高顶替效率、防止泥浆窜槽以及由此而引发的环空窜流的有效途径。2.3.4活动套管对固井注水泥效率的影响活动套管能改善环空流场，消除滞留，提高顶替效率，下面我们利用流体力学理论及幂律流体在楔形区域中的流动方程，分析了上下活动套管时水泥浆及泥浆在偏心环空中形成的流场，并研究了上下活动套管对顶替效率的影响。现在用平板流模型研究上下活动套管在偏心环空中产生的流场。这时U表示上下活动套管的速度，h仍然表示环空间隙宽度。上下活动套管会使井底压力有所增减，井底压力的变化值就是所谓的波动压力。上提与下放堵口套管诱导的流场为：（2-10）（2-11）式中表示波动压力，即由于上提套管造成的井底压力降低值或下放套管引起的井底压力升高值,显然。当上提套管时，取“+”号；当下放套管时，取“-”号。令可得领速度点的坐标，即（2-12）由下式确定：（2-13）由下式确定：（2-14）联合求解（2-12）-（2-14）式，就可以确定,,。于是，上提下放堵口套管的流场就可以由（2-10），（2-11）式完全确定。由（2-10），（2-11）式可以看出，上下活动套管使环空内流体处于剪切状态。正是这种剪切作用消除了泥浆形成胶凝结构的可能性，使滞留泥浆处于剪切运动状态。这就是上下活动套管能消除滞留，提高顶替效率的机理。下面通过实验数据来说明活动套管对顶替效率的影响，见表2-8表2-8活动套管对注水泥效率的影响实验序号流动状态活动套管顶替效率%69.6mm82.5mm95.2mm1层流未活动602紊流未活动663层流上下活动1.5774紊流上下活动1.5795层流未活动6347376紊流未活动6963557层流上下活动1.57876688紊流上下活动1.58785679紊流上下活动1.5908780从表2-8中可知，顶替效率随井眼尺寸增大而减小，活动套管比不活动套管的顶替效率高。在扩大井段中，使用上下活动套管可获得更高的顶替效率。总的来说，活动套管能有效的提高顶替效率，保证固井质量良好。2.4泥浆与水泥浆的流变性能泥浆的流变性是指在外力作用下，泥浆发生流动和变形的特征，其中流动性是主要方面。该特性通常用泥浆的流变曲线和塑性粘度、动切力、静切力、表面粘度等流变参数来进行描述的。泥浆的流变性是泥浆的一项基本性能，它起到携带岩屑保证井底和井眼的洁净，悬浮岩屑和重晶石，提高机械钻速和保持井眼规则及井下安全的作用。如果泥浆中有堵漏剂或钻井液滤失大，易在井壁形成较为坚固的泥饼，不易被冲洗掉，影响第一界面胶结质量。如果泥浆被油污染或混有大量润滑剂等会使套管表而形成一层用一般冲洗液和隔离液都难以冲洗掉的薄膜，从而影响套管与水泥环间声波的耦合，显示为第一界面胶结差。泥浆中固相沉降的能力与泥浆的低剪切粘度(屈服值和胶凝强度)有关。研究证明，低的泥浆胶凝强度有助于垂直井身中的泥浆驱替，但是国外研究表明，在斜直井身中，如果泥浆的胶凝强度太低，固相的沉降将会严重影响泥浆的驱替。泥浆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：泥浆的流动性能，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，滞留在边壁的泥浆会多，泥浆的窜槽愈严重；动力：水泥浆与泥浆流动的压力梯度，活动套管引起的牵引力，水泥浆与泥浆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，减少泥浆阻力，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。2.4.1水泥浆的流态水泥浆在用来顶替泥浆的过程中可能发生紊流、塞流、层流三种流态，每一种流态情况下，水泥浆顶替泥浆的程度都是不同的，所的到的顶替效率也是不一样的。所以说，应用不同的流态来驱替泥浆是固井作业中的重点，下面就分别阐述一下各个流态下的顶替理论，用于指导固井的现场施工。（1）紊流顶替理论该理论认为，当流体达到紊流，流体流速剖面分布平缓，这样有利于顶替液对被顶替液的轴向均匀顶替，而不发生顶替液的舌进现象。该顶替方式曾一度被认为是最有效的顶替。因此，设计者往往首先按紊流顶替进行设计;但水泥浆因其粘度大，形成紊流时的压降大，这往往受到地层承压能力和机泵能力的限制，且紊流边界层流速很低，驱动能力弱；尤其对于不规则井眼，往往在局部形成回流，造成泥浆滞留，造成第一界面水泥胶结质量差。（2）塞流顶替理论塞流顶替理论认为，塞流运动的其中一大特点是流体流速剖面非常平缓，顶替液对被顶替液都进行塞流状态流动时，二者间不发生互相掺混，有利于提高顶替效率。这项技术多应用于井壁疏松地层和井下压力安个窗口窄的封固段固井。但因顶替液往往受其流变性能的可调性限制，要形成宽流核、高流速的塞流顶替。而低速塞流顶替往往造成驱动力弱，尤其是对边壁的高粘附的泥浆、虚泥饼更是无能为力；小流核、高流速的塞流顶替往往造成顶替液的舌进，不利于顶替。（3）层流顶替理论层流顶替技术因其易造成顶替液发生舌进现象，使顶替液与被顶替液之间相互掺混。为了克服这一缺点，理论界提出使用有效层流顶替技术。所谓有效层流顶替是指，利用顶替液与被顶替液的流变性差异和密度级差，使顶替液与被顶替液之间互不掺混，从而形成均匀顶替。这种顶替理论逐渐被更多的设计者和作业者接受和采用。但是要达到有效层流顶替，必须套管居中度高，而且同样存在一维顶替的缺点，即对边壁的高粘附泥浆及虚泥饼清除效果差，对于变径、不规则井眼造成的回流也是无能为力。2.4.2水泥浆性能部分井注入的水泥浆密度波动大，密度低(1.80g/cm3,),稳定性差，所形成的水泥石强度低、不均匀；或水泥浆候凝期析出的自由水较多，影响声幅整体连续性。水泥浆密度低，极易与泥浆相混形成混浆带，易形成串槽，影响固井质量。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0.6～0.8之间，稠度系数在0.1～0.3之间，水泥浆流态如表2-9。表2-9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/min水泥浆流态215.9139.72.0323737732560233034603230紊流215.9139.71.8279333252560233034603230过渡215.9139.71.5216426722560233034603230层流215.9139.71.0164212262560233034603230层流215.9139.72.0273536192560233034603230过渡215.9139.71.8236031892560233034603230过渡215.9139.71.5182825622560233034603230层流215.9139.71.0103615752560233034603230层流215.9139.72.0473247952560233034603230紊流215.9139.71.8413841702560233034603230紊流215.9139.71.5325033512560233034603230紊流215.9139.71.0206027252560233034603230过渡从表2-9中可以看出，在不考虑井眼扩大的情况下有：（1）Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm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2.0m3/min时才能达到紊流状态；（2）Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm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1.0m3/min左右时，水泥浆的流动状态以层流和过渡状态出现；（3）Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm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。所以，在油井进行固井作业时，为了实现“高效顶替，整体压力平衡”的固井目的，应该对水泥浆性能做如下的基本要求：（1）够混配成设计要求的水泥浆密度，且不沉降，且具有较低的初始稠度，良好的流动性能，浆体均质，不起泡；（2）适当的流变性。水泥浆的流变性是平衡压力固井设计中水泥浆性能调节的重点内容，调节的方法通常是加如外加剂；（3）在注水泥，侯凝和凝固各过程中，水泥浆均应达到规定的性能指标，并保持基本的水泥物理性质；（4）能够提供足够大的套管、水泥环与地层间的胶结强度；（5）具有高早期强度且早期强度能够获得迅速发展。有长期强度的稳定性和超110摄氏度以上时的稳定性；（6）应具有较低的水泥浆失水量和固化后的低渗透性；（7）易于混拌与泵送，具有规定的细度，良好的分散性及较小的摩阻力；（8）具有抗腐蚀性能；（9）经射孔水泥应小于最小破裂程度，具有一定的塑性；（10）在设计的温度和压力条件下，具有需要的稠化时间和抗压强度。2.4.3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：（2-15）式中：——环空流动的壁面剪应力Pa；——井眼内径mm；——套管外径mm；——水泥浆流动的摩擦阻力Pa；——水泥浆封固段长度m。从公式（2-15）不难发现，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（2-15）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，是一个与流动速度和水泥浆流变参数有关的量；降低泥浆粘切对于提高顶替效率非常重要；当与泥浆胶凝强度接近时，接触时间对清除泥饼至关重要；用前置液稀释泥浆，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，是基于以下的己几方面原因：（1）只有流动才能产生直接作用于井壁并清除胶凝泥浆的动力：流动的壁面剪应力；（2）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；（3）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。根据大庆地区近两年来多数深井的数据和资料分析，初步获得的以下结论：（1）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；（2）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；（3）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。2.4.4油气层固井流变学设计嘉华G(HSR)加砂水泥浆性能,如表2-10：表2-10水泥浆性能水泥减阻剂%粘度计读数θ600θ300θ200θ100θ6θ3嘉华G(HSR)加砂0.501911551261008560（2-16）流体的流态表现为幂律塑性模式。第3章平衡固井注水泥软件设计3.1Delphi7.0简介Delphi是著名的Borland（现在已和Inprise合并）公司开发的可视化软件开发工具。Delphi被称为第四代编程语言，它具有简单、高效、功能强大的特点。和VC相比，Delphi更简单、更易于掌握，而在功能上却丝毫不逊色；和VB相比，Delphi则功能更强大、更实用。可以说Delphi同时兼备了VC功能强大和VB简单易学的特点。Delphi具有以下的特性：基于窗体和面向对象的方法，高速的编译器，强大的数据库支持，与Windows编程紧密结合，强大而成熟的组件技术。但最重要的还是ObjectPascal语言，是Dephi的根本。ObjectPascal语言是在Pascal语言的基础上发展起来的，简单易学。Delphi提供了各种开发工具，包括集成环境、图像编辑（ImageEditor），以及各种开发数据库的应用程序，如DesktopDataBaseExpert等。除此之外，还允许用户挂接其它的应用程序开发工具，如Borland公司的资源编辑器（ResourseWorkshop）。在Delphi众多的优势当中，它在数据库方面的特长显得尤为突出：适应于多种数据库结构，从客户机／服务机模式到多层数据结构模式；高效率的数据库管理系统和新一代更先进的数据库引擎；最新的资料分析手段和提供大量的企业组件。Delphi发展至今，从Delphi1.0、Delphi2.0到现在的Delphi7.0，不断添加和改进各种特性，功能越来越强大。Delphi7.0添加了对IDE（集成开发环境）的很多改进新特性，扩展了数据库支持（ADO和InterBase数据库），带有Internet支持的MIDAS改进版，TeamSouse版本控制工具，转换功能，框架概念以及很多的新组件与新特性。Delphi7.0功能十分完善和强大。1.支持XML标准，在Web上快速提交商业信息。Delphi简化了资料分布、优化了资料交换过程。对XML的支持，使开发人员快速构建的系统具有弹性和可扩展性，以适应Internet电子商务带来的新技术浪潮。2.利用InternetExpress构建高速Internet应用。Delphi5使开发人员能够用DHTML和XML开发超“薄”（ultra-thin）客户端，并在Internet上快速分发标准Web特征的客户端应用程序。InternetExpress包括WebClientPage向导、MIDASPageProducer和WebBroker，用于构建分布式DHTML和XML应用程序以适应众多客户端和大量资料的需要。3.利用Microsoft的ActiveXDataObject（ADO）和OLEDB技术，Delphi7.0能够快速访问关系型和非关系型数据库，其中包括电子邮件和文件系统。开发人员可以对Internet信息进行直接访问，帮助用户更好地进行商业决策。TeamSource增强了整个开发队伍的工作效率。4.Delphi7.0使整个开发团队能够更协调、更快速地工作。TeamSource革新了管理源代码的方法。TeamSource建立在已有的源代码管理和版本管理之上，并通过一个高效的工作流模式对其功能进行扩展，简化了大型、分散的开发团队的源代码管理。5.MIDAS扩展Internet应用。提交适应大交易量及多用户数的应用系统。建立Internet应用可以简化对Internet或Intranet上众多的浏览器客户端或Windows客户端的管理。MIDAS支持所有的分布式计算标准，如CORBA、COM和MTS，并能将原有系统与电子商务和Internet应用平滑地集成在一起。6.InterBaseExpress构建卓越的关键应用系统。Delphi7.0使Delphi和InterBase更紧密地结合，即将高效率、高性能的开发工具与快速、低维护量和优化配置的中小型关系型数据库等技术融于一体。利用InterBaseExpress组件，VARs、Sls和ISVs能够快速地交付和分发高效的应用系统。7.BorlandTranslationSuite将Delphi7.0应用程序快速地本地化。在可视化地开发不同地域的应用程序的同时，Delphi还可以管理资源文件的转换，并将转换信息保存在一个库（repository），加速了国际化开发。8.利用Delphi的专业IDE构建强大、坚固的应用程序。Delphi的视觉化开发环境使开发人员只要在面板上选择相应组件就能够快速建立应用程序和开发原型。Delphi7.0最新ProjectBrowsing和DataModuleview帮助程序员更好地理解代码和资料，从而大大提高开发效率。ToDoList功能和新增开发向导，如ControlpanelWizard，加快了程序编写速度。9.VisualComponentLibrary增强面向对象开发的威力。开发人员可以创建、定制和重用自己的组件，也可以从Delphi的VisualComponentLibrary中的200多个组件里选适用的组件择。用最新的Frames功能开发者能够可视化地为商业逻辑创建组件。开发人员能够开放地访问VCL源代码，包括新增的DecisionCube组件和附加的