固井技术原理-郭小阳-西南石油大学

研讨报告主讲人：刘崇建郭小阳1主要研讨内容：一、非牛顿流体及其在偏心环空中的流态判别1．偏心环空中幂律流体的判别方法2．幂律流体的流态判别方法二、提高水泥浆顶替效率的主要方法

从滞留泥浆的阻力和水泥浆驱动力的相互关系出发，建立水泥浆顶替泥浆的力学模型，达到提高水泥浆顶替效率的目的。三、水泥浆失重及其防气窜性能设计四、非牛顿流体流变性及其水泥浆稠度的测量方法1．水泥浆触变性的测量2．应用漏斗粘度计测量非牛顿流体的流变性3．不同剪切速率情况下水泥浆的稠化时间五、合理的环空间隙确定及其小间隙顶替效率的研究1．环空间隙的确定方法2．小间隙顶替效率的实验研究2

一、非牛顿流体及其在偏心环空中的流态判别牛顿液体的稳定性问题，已经有了较好的解决方法；而非牛顿流体的稳定性问题，却一直在不断的研究之中，尚无公认的理想判别方法。牛顿液体的稳定性判别，一般采用雷诺数Re的方法，Re≤2100，液体流动为层流；Re>3000，液体流动为紊流，Re在2100~3000这个范围属于液体流动的不稳定状态，一般被确定为紊流状态。牛顿液体的稳定性判别，其最大特点是Re的临界值与液体性质无关。非牛顿流体稳定性的判别，却与流体性质有关，不同流变性能的流体，其是不一样的。目前，采用实验和统计的方法，确定出不同流变参数与的关系，再根据相关公式，对非牛顿流体进行流态判别。这种方法虽与实际相符，但具体使用却不太方便。能否找出一种非牛顿流体的判别方法，其流态判别的临界准数，不受其流变参数的影响而为某一固定数值。围绕这个问题，不少研究者已作了大量工作[1～9]，取得了较好的成果，但有些问题还不甚清楚，特别是非牛顿流体各种稳定性观点的含义及其在环形空间内的判别，有必要系统地进行介绍和继续研究。

3（一）非牛顿流体稳定性研究概况1．局部稳定性理论Ryan&Johason[1]提出的稳定性参数Z值的表达式为：

（1）Z值的基本含义为任一层流体在单位体积内，其动量矩对时间的变化率与边壁剪切应力之比。Hanks[3]提出的稳定性参数K为任一层流体在单位体积内，其动量对时间的变化率与压力梯度之比，其表达式样为：

（2）式（1）与（2）相比，其相互关系为Z=2K，即稳定性参数K的临界值为404。说明Z值与K值在判别流态上无本质上的区别。42．整体稳定性理论该理论考虑的是液体在整个流道中的稳定性问题。（1）M一T稳定性参数M一T稳定性参数用X表示，由Mishra&Tripathi[4]在1970年提出的。其表达式为：

（3）式（4）的基本含义为单位体积内流体的动能与管壁剪切应力之比。园管和环形空间表达式分别为：（4）（5）

53．涡流模型岳湘安等[7]从流体稳定的根本原因是由于涡流的产生而引起，并提出了判别流体流态的又一稳定性参数Y值。Y值采用流体动量矩对时间的变化率与管壁粘滞性所耗散的能量之比来描述，其表达式为：

园管和环形空间表达式分别为：

（6）

（7）6（二）非牛顿流体的稳定性及其流态判别根据前面所阐述的基本概念分别将塑性流体、幂律流体在管内和环空的Z、X和Y值的表达式推导归纳如下：Z值塑性流体在管内和环空的表达式分别为：幂律流体在管内和环空的表达式分别为：7X值塑性流体在管内和环空的表达式分别为：幂律流体在管内和环空的表达式分别为：8Y值塑性流体在管内和环空的表达式分别为：幂律流体在管内和环空的表达式分别为：9（三）理论结果与实验验证现将稳定性参数Z、X、Y所计算的临界雷诺数与Dodge-Metzner[9]的实验数据和文献[10]所提供的幂律流体实验曲线以及Froishteter&Vinogradov[5]所提供的宾汉流体实验曲线绘于图1~4中，经分析比较可知：10图1幂律流体管内Rec与流性指数的关系曲线

图2幂律流体环形空间Rec与流性指数的关系曲线

图3塑性流体管内Rec与流性指数的关系曲线

图4塑性流体环形空间Rec与流性指数的关系曲线

111．实验数据表明，随着流体的非牛顿性增强，临界雷诺数愈大，流体不易形成紊流；2．Z值法不能完全反映非牛顿流体的流动特性，其临界雷诺数并不随流体的非牛顿性增强而增大，出现了极大值情况，即流体在园管或环形空间内流动时，临界雷诺数的极大值在流性指数n为0.4和0.7出现。之后，n值减小，临界雷诺数随之减小，n=0时，0，这显然与实际不符；3．X和Y值较好地反映了非牛顿流体的流态变化情况，所计算的临界雷诺数随非牛顿性增强而单调增加，并在n=0或α时，趋于某一定值。对于塑性流体式幂律流体的管内流动，X和Y值法的分别为7680和7087.5；而在环形空间流动时，X和Y值法的则分别为4200和3240。总的看来，按X值所计算的小于Y值法计算的；4．从引入的实验数据比较（图1、3）,Y值判别法比X值判别法更精确，如与精确度较高，经统计而得的=3470-1370n进行比较，流性指数在0.4以下，X判别法更合理。12二、提高水泥浆顶替效率的主要方法小井眼内液体的流动和顶替特点与一般井眼的情况并不完全一样，其主要表现为：

（1）套管偏心使窄边间隙变得更小，所形成的钻井液滞留区，不易被水泥浆顶替干净；

（2）流动阻力大，排量小（比一般井眼小2/3），不易实现水泥浆的紊流或塞流顶替；

（3）水泥环薄，特别在偏心情况下，窄边部份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，有必要研究小井眼中水泥浆的顶替规律，建立提高小井眼顶替效率的合理方法。131）套管偏心情况

图1速度剖面14

表1为不同窄间隙宽度ymin时，宽窄间隙的速度比。

15当窄间隙度小到7mmc以下时，其平均速度接近于零，形成了钻井液滞留区，降低了水泥浆的顶替效率。对于小井眼来，套管更易偏心，形成钻井液滞留区的可能性比一般井眼大。因此，小井眼的居中中度应比一般要求严格，推荐为85%以上，此时宽窄间隙速度比约为1.3左右。从图1和表1可知：16

2）液体流变性能的合理测定

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（1）81/2″以下的井眼，环空剪切速率都大于500S-1。计算水泥浆在小间隙的流变参数应以剪切速率为1000S-1和以下测量的数据进行计算，否则会带来计算值偏大的误差；（2）剪切速率随液体流性指数n值的减小而增大，因此，采用牛顿液体剪切速率计算非牛顿液体流变参数，同样会带来计算偏大的误差。从表2可知：183）紊流接触时间

图2顶替效率试验19

（1）增加水泥浆通过某位置的接触时间，对偏心环形空间的顶替效率有明显的作用；（2）当水泥浆处于层流时，这种作用，对窄间隙钻井液的顶替效果，并不明显；（3）既使水泥浆处于紊流流态，Re=2300时，水泥浆在窄间隙的顶替效率仍不理想。仅达到70%左右；（4）当Re>2800时，其接触时间约为3~7min，水泥浆在窄间隙的顶替效率将会大大提高，最后达到100%。从图2可知：20

4）钻井液的触变性

图3钻井液触变性能的影响要求：固井时应调节钻井液的触变性，使10min的静切力应小于2Pa。21

5）水泥浆驱动力与钻井液剪切阻力对顶替效率的影响

偏心环空压降公式为：22

（2）实验分析

表3列出了12次实验数据，说明影响水泥浆顶替效果驱动力与阻力的相互关系。

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（1）在套管偏心度较严重的情况下（e>58%），在宽间隙和中间间隙中，水泥浆顶替效率较高一般在90%以上，而窄间间隙的顶替效率却不很理想，试验9~12，其顶替效率在14%以下；（2）水泥浆流态、塑性粘度对水泥浆的顶替效率影响不明显；（3）水泥浆和钻井液的压力梯度比（a=Pc/Pm）、动切力之比（τ0c/τ0m），与顶替效率有明显关系。当a>3，b>2，水泥浆在窄间隙的顶替效率仍然较好，一般在70％以上。由表3可知：

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水泥浆和钻井液的压力梯度、动切力之比反映了环形空间各个位置x水泥浆驱动剪切力与钻井液剪切阻力的关系，即

由于边壁的钻井液相对于中央部分的钻井液不易顶替干净，因此所要求的a值应比b大，即c=a/b>1，c值的大小与井壁状态、泥饼质量、钻井液的触变性和套管居中度有关，泥饼愈厚，触变性强，偏心度大，a值愈大。25图4为两种液体不同a、b值的情况下，剪切应力在环空中的分布图。

图4水泥浆驱动力与钻井液阻力的关系图26

(1)当τwcx>τwmx时，水泥浆顶替效果最佳；(2)当τwcx=τwmx时，水泥浆顶替效果较好；(3)当τwcx>τwmx，τ0cx<τ0mx时，环空内部份有窜槽现象，顶替效果不好；(4)当τwcx<τwmx时，水泥浆顶替效果最差。分析图4可知：27（3）理论设计

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实

例：

已知井径D=15.24cm，套管外径d=12.7cm，水泥浆流变参数τ0c=2Pa，ηsc=0.04Pa.s，环空返速Van=100cm/s。

表5要求的钻井液最大塑性粘度ηsm（Pa.s）求解：当套管居中，时，钻井液的最大动切力τ0m和最大塑性粘度ηsm?

由式，（Pa.s）

按上述条件，分别列出D×d组合为15.24cm×12.7cm；16.46cm×12.7cm，偏心度为0、0.3、0.5、1.0情况下，所要求的钻井液最大塑性粘度ηsm，见表5。

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表5要求的钻井液最大塑性粘度ηsm（Pa.s）井眼组合（D×d）cm套管偏心度，%0305010015.24×12.70.012280.012230.012140.0117416.46×12.70.011770.011700.011570.01097注按a=3，b=2进行ηsm设计

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小结1．保证井身质量，使套管居中，是提注水泥顶替效率的主要因素，一般井套管偏心度要求在33%以下，而小井眼要求更为严格，应在15%以下；2．钻井液的触变性对水泥效率有明显的影响，在固井时应尽量减小钻井液10min的静切力，在2Pa以下；3．合理加入冲洗液和隔离液，增加紊流或塞流接触时间3～7min，对提高窄间隙水泥浆的顶替效率有明显作用，如能提高其紊程度，这种作用尤为明显；4．为提高小井眼注水泥流变学的设计精度，在测量和计算水泥浆流变参数时，应采用剪切速率1000S和相关的数据进行计算，并要考虑液体流变性能对剪切速率的影响;5．紊流顶替和塞流顶替不是提高水泥浆顶替效率的唯一因素，而合理地控制水泥浆和钻井液的压力梯度比和动切力比在2～3和1.3～2，对提高小井眼偏心环空的顶替效率，却具有明显的效果；6．水泥浆与钻井液的压力梯度比和动切力比，随套管偏心度的减小而减小，不同情况的具体数值，应由实验和现场统计确定。

31高压油气井固井作业中，油、气、水窜问题虽然已经研究多年[1、3、4]，但至今仍未完全解决。解决这项问题的关键技术，是如何系统的设计出一套防气窜水泥浆体系及环空中合理的组成。浆体的组成及防气窜水泥浆体系，应满足以下基本要求：1．

水泥浆的浆体组成，不仅要满足良好的顶替效率外，还要保证水泥浆动态过程的压力平衡及水泥环的整体密封质量；2．

设计的水泥浆在凝结过程中，应能防止和补偿水泥浆失重而引起的浆柱压力降低问题。水泥浆柱凝结过程降至水柱的时间是危险的时刻，应特别注意控制该时刻的压力平衡问题。三、水泥浆失重及其防气窜性能设计32(一)水泥浆体系及性能设计

这里所考虑的是水泥浆的特殊性质。一般工程施工性能，则按油井水泥API时规范的要求及现场实际需要进行设计。1．防气窜性能设计（1）根据地层孔隙压力梯度Gf和地层破裂压力梯度（或漏失压力）GL，确定水泥浆密度ρc,Gf<ρc<GL。ρc可由多段不同水泥浆密度组成，其当量密度ρc=（ρc1H1+ρc2H2）/L。ρc1、ρc2分别为井段H1和H2的水泥浆密度；L=H1+H2。（2）根据井况及水泥浆柱压力平衡关系，计算气窜潜力系数GFP[2、6、8]，估计气窜可能性。33GFP是由哈里伯顿公司（HS）在1984年提出的。他们应用水泥浆过渡时间的概念，采用水泥浆胶凝强度τcgs=240Pa(2.4g/cm2)时，浆柱压力的最大降低值Δpmax(Mpa)与井内浆柱的过平衡压力pOBP(Mpa)之比来描述气窜的危险性。即

34很显然，pOBP愈大，Δpmax愈小，GFP愈小，气窜危险性愈小。pOBP=0，说明浆柱压力与地层孔隙压力平衡，气窜危险性增加；pOBP为负，井内将会发生气窜，设计时必须避免这种情况。

GFP大小与气窜的可能性及防止气窜的方法如表1。根据GFP值，选用不同水泥浆类型，设计水泥浆性能及防气窜措施。（3）根据GFP值，选用不同水泥浆类型，设计水泥浆性能及防气窜措施。（4）具体程序如表1所示。

35表1防气窜设计程序GFP1～4.54.6～7.9＞7.9气窜可能性气窜可能性小气窜可能性中等气窜危险性大防止气窜的水泥浆类型及性能设计类型低失水水泥浆胶凝延迟水泥，触变性水泥，不渗透水泥可压缩水泥A≤0.15≤0.11≤0.125≤0.15≤0.11≤0.125≤0.15析水率%＜0.500失水量[5]ml/30min≤100≤100≤100其它措施双凝可不考虑可不考虑考虑其一应考虑可不考虑考虑其一应考虑憋回压

361)水泥浆稠度阻力系数A值[7]的计算

t100BC、t30BC分别为水泥浆稠度达到100BC

和30BC的时间（min）。A值反映了水泥浆从液态到固态的阻力变化过程，A值愈小，阻力变化愈大，防气窜能力愈强；反之，则阻力变化愈小，防气窜能力较差。2）双凝水泥浆缓凝段与速凝段,长度比为2:1；初凝时间差（Δts）或稠化时间差（ΔTB）大于或等于≥2:00～2:30，即Δts（或ΔTB）≥2:00～2:30。373)环空憋压环空憋压一般选择在水泥浆注替到预定位置后，开始候凝15～60min时进行，具体方法如于：

a.作近似的水泥浆失重曲线（图1）；

图1水泥浆失重近似计算38a.

计算水泥浆原始压力降至水柱压力的失重速率GP；

b.

环空憋压在水泥浆候凝15、30、45、60min进行，其憋压值分别为ΔP=15GP(Mpa)。39

环空浆柱从上到下的组成一般为：被顶替液为流动性能好的钻井液+顶替液包括紊流冲洗液+塞流隔离液+先导稀水泥浆+尾随主体水泥浆。作用：（1）较好地清除套管和井壁的泥浆糊和泥饼，提高水泥浆的顶替效率外；（2）浆体注替过程，静动压力之和必须大于地层压力，小于地层漏失压力；（3）在水泥浆候凝过程中，应防止和补偿因水泥浆失重而造成浆柱压力降低所引起的不平衡关系。（二）尾管注水泥环空浆柱组成40冲洗液是一种含有表面活性剂和钻井液稀释剂的低粘度水基液体，有时用清水+0.3%的缓凝剂配成。其主要特点为：（1）较低的基浆密度，其流变性接近牛顿液体，一般小于0.015Pa·s并有侵蚀泥饼的作用；（2）在环空中的雷诺数大于3000；（3）提高顶替效率需要冲洗液的接触时间为3～7min。Re=2100～3500，接触时间为7min；Re=4000～8000，接触时间为5min；Re=2>8000，接触时间为3min。套管居中时，接触时间为3min；套管偏心度为15%时，接触时间为5min；套管偏心度为>15%时，接触时间为7min。1.冲洗液41

塞流隔离液具有柱塞流动的特点，对刮切井壁及套管壁的泥浆糊特别有效果。可采用粘土、水泥浆降失水剂和缓凝剂配成，其主要特点为：（1）具有良好的触变性和悬浮能力，密度可调；（2）具有较宽的平板型层流特点，τ0/ηs

较大，核隙比α≥0.8。2．塞流隔离液

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实现塞流顶替，必须按环空返速和液体流变参数的合理匹配。按塑性液体推导变化，当核隙比α≥0.8时，环空返速计算可表示如下：

（3） 塞流隔离液用量应满足150～200m左右。431）先导稀水泥浆（1）先导稀水泥浆用量一般为当量于裸眼井段平均井径环空长度150～