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1、提高油气层固井水泥浆顶替效率的研究与应用寇明富1孙梦慈1 殷洋溢2 于文华1段保平2朱敬祖1周芝琴2(1玉门油田分公司勘探事业部2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。要实现最终提交合格的 固井质量，需要从入井流体的整体设计考虑。通过玉门油田固井实践证实，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，就能够获得令 人满意的顶替结果。主题词：壁面剪应力固井顶替效率深井一、引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，其他任何措施都 不会对固井质量起到很好作用(如防止窜
2、槽)。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，除了采取加入套管扶正器、在套管串上加泥饼刷、活动套管等 实用技术外，技术措施的主要理论基础是保持两相流界面的平整。虽然普遍的共识是紊流顶 替固井效果最好，但由于受井眼条件、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。二、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，实际上充满的过程 也就是水泥浆顶替钻井
3、液的过程。水泥浆顶替钻井液的结果应满足以下基本要求：(1)注水泥井段的环形空间内，钻井液应全部被水泥浆顶替干净，无窜槽现象存在； (2)水泥浆返高和套管内水泥塞的高度等其他质量要求必须符合设计要求。1影响顶替效率的因素有效地驱替钻井液以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。通过国内外研究已证实影响注水泥顶替效率主要因素有g作者简介：寇明富，高级主管，高级工程师，19跖年毕业于西南石油学院开发系钻井专业，现为玉仃油田分公司勘探部筒井监督。地址：(735200)甘肃玉门市。电话：09373924463。Email：KouI哟!63com。i 329-2
4、004年固井技术研讨会论文集 施工井的地质和油藏条件、井眼几何尺寸、套管的居中度、各种流体的流变特性、各种流体在环空中的流动状况、各种流体的性质差异等。2水泥浆流动的壁面剪应力1)环空中流动的水泥浆流态 以紊流顶替为基础的顶替技术一般要求水泥浆的流变参数为：流性指数在O608之间，稠度系数在O103之间。在不同顶替排量下，不同尺寸环空内的水泥浆流态见表1。表1不同注水泥排量下。水泥浆的流态钻头尺寸 套管尺寸 注水泥排量冠ePL，Repu R,ra 水泥浆流态mm mm m3min24131778 2O 32373773 256023303460一3230 紊流24131778 18279333
5、25 256023303460一3230 过渡24131778 1521642672 25602330孓啪一3230层流24131778 101642122625602330姗一3230层流21591397 20 27353619 2560。2330 341603230过渡21591397 1823603189 256023303460一3230 过渡21591397 151828256225602330姗一3230层流21591397 1O1036157525602330姗一3230层流21591778 20 47324795 2560一233034603230 紊流21591778 184
6、1384170 256023303460一3230 紊流21591778 153250335125602330姗一3230紊流21591778 1O 20602725 2560一2330姗3230过渡从表1中可以看出，在不考虑井眼扩大的情况下有：(1)4,2413mm井眼下4,1778mm套管和犯159ram井眼下4,1397mm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2Om3min时才能达到紊流状态； (2)4,159mm井眼下4,1778ram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10 m3rain左右时，水泥浆的流动状态以层流和过渡状态出现。(3)犯
7、159ram井眼下4,1397mm套管，排量从10m3rain升至2Om3nfin，水泥浆的流动状态是层流或过渡流态。2)水泥浆流动的壁面剪应力虽然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，受套管居中度、循环压耗和环空间隙等因素的影响，油气层固井中水泥浆在环 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：330提高油气层固井水泥浆顶替效率的研究与应用丁。=000025(DbD。)p己式中r二环空流
8、动的壁面剪应力，Pa；Dh井眼内径，miniD。套管外径，mm；p水泥浆流动的摩擦阻力压降，Pa；。卜水泥浆封固段长度，nl。从公式不难发现，L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L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，丁。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；当下。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。刘爱平等人通过20口井的资料分析，获得的以下结论： (1)壁面剪应力是影响固
9、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。3)壁面剪应力的取值范围通过对2003年施工的12口井油层固井，优质井El数7口，优质率583。按水泥浆流动 的壁面剪应力大小进行分析，有如下特点和结论：(1)壁面剪应力在1530Pa之间施工的5口井，优质率100；壁面剪应力在3040Pa之间施工的4口井，优质率
10、为50；壁面剪应力在以上的施工4口井，优质率为0，固井合格率80。(2)壁面剪应力在1530Pa之间施工效果最好，当超过30Pa以后，随着数值得增大，固 井封固质量变差。这与表2、表3不一致，在查明原因前，在玉门地区固井应避免壁面剪应力 大于40Pa。表2水泥浆性能及壁面剪应力6速粘度计读数 环空壁面剪 井号同井质量 初始稠度Bc60030020010063应力，PaQ220 优质15 10174 53 10 8 2568Q22l 合格30 145 106 90 75 48 38 3624Q224 合格30 300 290 265 243 115 85 13984Q2一19 不合格 25 23
11、7 188 157 62 49 7877Q223 优质 27 155 120 95 76 55 38 3030Q222 优质12 13l88 7l 54 33 29 185533l一2004年固井技术研讨会论文集续表6速粘度计读数 环空壁面剪 井号固井质量 初始稠度，Bc6 3002001006 3应力，Pa9225 优质 15 220 15413510072 573693Q226 优质 15 180 161 120 85 62 4l 2805Q227 合格 16 108 90 78 67 23 15 3293 窿1lO 合格 20 290 224 196 175 115 96 “230 窿1
12、11 优质 18 156 132 98 80 53 35 2704 窿113 优质 20 185 156 130 98 4l 30 2913表3固井质量统计分析表环空壁面剪 施工情况 固井质量应力。Pa口数百分率，优质 百分率，合格百分率，不合格 百分率，15-30 5 417 5 loo3040 4 333 2 50 2 5040以上 3 25O2 667 l333合计 12 lO7584 4333 l833油气层固井流变学设计。(1)嘉华G(HSR)加砂水泥性能(见表4)。裹4水泥浆性能粘度计读数 水泥 减阻剂。0too氏岛嘉华G(HSR)加砂050191 155 126 100 8560=订0200-0=100=警篇-O472流体的流态表现为幂律塑性模式。n=3322池(筹)=。柏K=(F)紫-658(2)水泥浆流态及特性(见表5)。-332-提高油气层固井水泥浆顶替效率的研究与应用表5环空水泥浆流态及流动的璧面剪应力排量管内压耗 环空压耗 环空流动壁面 钻头。mm 套管，一一rain R叽 R,ana R,n2环空流态 MPhMPh 剪应力，PI2413 1778 20384 2793 369l层流5292 5236
