提高顶替效率技术

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1、吴波吴波提高水泥浆提高水泥浆顶替效率技术顶替效率技术二二二二一四年十二月一四年十二月一四年十二月一四年十二月概概 述述 影影响响水水泥泥环环封封固固质质量量的的首首要要因因素素是是提提高高顶顶替替效效率率，没没有有良良好好的的顶顶替替效效率率，其其他他任任何何措措施施都都不不会会对对固固井井质质量量起起到到很很好好作作用用（如如防防止止窜窜槽槽、降降低低水水泥泥石石渗渗透透率率、提提高高水水泥泥石石强强度度和和韧韧性性等等）。顶顶替替效效率率是是固固井井施施工工过过程程中中最最难难控控制制的的因因素素，受受到到井井眼眼条条件件、套套管管居居中中度度、水水泥泥浆浆性性能能、钻钻井井液液性性能能、

2、浆浆体体结结构构设设计计、施施工工参参数数、接接触触时时间间等等多多方方面面因因素素的的影影响响。其其提提高高顶顶替替效效率率的的措措施施除除了了加加入入扶扶正正器器、活活动动套套管管、使使用用泥泥饼饼刷刷等等实实用用技技术术外外，还还进进行行了了利利用用壁壁面面剪剪应应力力提高水泥浆顶替效率方面的理论研究。提高水泥浆顶替效率方面的理论研究。目目 录录一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识二、影响水泥浆顶替效率二、影响水泥浆顶替效率主要因素主要因素三、提高水泥浆顶替效率三、提高水泥浆顶替效率技术措施技术措施一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（一一）顶顶替替效效率率：水水泥泥浆浆在在环环

3、形形空空间间顶顶替替钻钻井液的程度。井液的程度。1 1、体体积积顶顶替替效效率率：环环形形空空间间封封固固段段水水泥泥浆浆体体积与环形空间体积之比。积与环形空间体积之比。2 2、截截面面顶顶替替效效率率：环环空空截截面面水水泥泥浆浆面面积积与与环环空空截截面面面面积积之之比比。（体体积积顶顶替替效效率率不不能能反反映映截截面窜槽情况）面窜槽情况）一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（二二）流流态态：流流体体在在管管内内流流动动的的形形态态。管管内内的的流流态态可可按按照照雷雷诺诺数数的的大大小小划划分分为为层层流流、塞塞流流、紊紊流还有两个过度流态。流还有两个过度流态。1 1、塞流：塞流：

4、在流体力学中，塞流是管道中流体流动在流体力学中，塞流是管道中流体流动速度分布的一个简单的模型。在塞流中，流体的速度分布的一个简单的模型。在塞流中，流体的速度在与管道轴线垂直的任何截面上被假定为一速度在与管道轴线垂直的任何截面上被假定为一常数，在管道内壁附近处没有边界层。常数，在管道内壁附近处没有边界层。一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态流体在管内流动的形态2 2、层流、层流：层流是流体的一种流动状态。流体分层流动，层流是流体的一种流动状态。流体分层流动，互不混杂互不混杂,液体质点的运动轨迹是直线或是有规则的平滑液体质点的运动轨迹是直线或是有规则

5、的平滑曲线。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。曲线。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。塞流塞流过渡过渡层流层流过渡过渡紊流紊流一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态流体在管内流动的形态3 3、紊流、紊流：液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流。混乱的形态叫做紊流。（当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为紊流）。区别区别：层流时流体无纵向运动；紊层流时流体无纵向运动；紊流时流体有纵向运动。一般判定用流时流体有纵向运动。一般判定用雷诺数。小于雷诺数。小于20

6、00为层流为层流;20004000过渡流过渡流;大于大于4000紊流紊流。一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态。流体在管内流动的形态。4 4、过过渡渡流流：增增加加流流速速，流流体体的的流流线线开开始始出出现现波波浪浪状状的的摆摆动动，摆摆动动的的频频率率及及振振幅幅随随流流速速的的增增加加而而增增加，此种流况称为过渡流；加，此种流况称为过渡流；一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（三）雷诺数：（三）雷诺数：雷诺数是流体惯性力与黏性力雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲量。记作比值的量度，它是一个无量纲量。记作Re。雷诺。雷诺

7、数的定义式为：数的定义式为：式中式中、分别为液体的密度、动力粘滞系数、运动粘滞系数；分别为液体的密度、动力粘滞系数、运动粘滞系数；、L为流动的特征速度和特征长度。为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时雷诺数小时,粘性效应在整粘性效应在整个流场中起主要作用个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大时，流动为层流。雷诺数大时，紊动混掺起决定作用，流动为紊流。紊动混掺起决定作用，流动为紊流。： 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识（三）雷诺数：（三）雷诺数：雷诺数小，意味着流体流动时各质雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁点间的粘性力占主要地位，流体各质点

8、平行于管路内壁有规则地流动，呈层流状态。雷诺数大，意味着惯性力有规则地流动，呈层流状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流状态。在不同的流动状态下，占主要地位，流体呈紊流状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律流速的分布等都是不同的，因而管道流体的运动规律流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速内流体的平均流速与最大流速与最大流速max的比值也是不同的。的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。： 目目 录录二、影响水泥浆顶替效率主要因素二、影响水泥浆顶替效率主要因素 1 1、返速（流态）、返速（流态） 2 2、井身

9、质量、井身质量 3 3、套管偏心、套管偏心 4 4、钻井液性能、钻井液性能 5 5、前置液设计、前置液设计 6 6、水泥浆性能、水泥浆性能 7 7、封固段长度、封固段长度 8 8、固井施工、固井施工 一、影响顶替效率主要因素一、影响顶替效率主要因素（一）返速（流态）（一）返速（流态）对固井质量影响对固井质量影响 顶替的最佳流态是紊流，其次是塞流。由于井顶替的最佳流态是紊流，其次是塞流。由于井眼和施工条件的限制，现场不得不采用层流顶替。眼和施工条件的限制，现场不得不采用层流顶替。 采用雷诺数来判断流体流态，临界雷诺数是随采用雷诺数来判断流体流态，临界雷诺数是随流体的流变性能而变化的。流体的流变性

10、能而变化的。根据流变模式确定临界根据流变模式确定临界流速，常用宾汉模式和幂律模式。流速，常用宾汉模式和幂律模式。1 1、顶替钻井液流态要求、顶替钻井液流态要求 塞流要求：塞流要求：VVcpg VVcpg ( (平均流速小于等于塞流临界流速）平均流速小于等于塞流临界流速） 紊流要求：紊流要求：VVc VVc ( (平均流速大于临界流速）平均流速大于临界流速） 或或 NReNRec( (雷诺数大于临界雷诺数）雷诺数大于临界雷诺数）一、影响顶替效率主要因素一、影响顶替效率主要因素（一）返速（流态）（一）返速（流态）对固井质量影响对固井质量影响2 2、顶替水泥浆流态要求、顶替水泥浆流态要求 水泥浆也和

11、钻井液一样是非牛顿流体（水泥浆也和钻井液一样是非牛顿流体（流变性复杂、流变性复杂、含有固体颗粒含有固体颗粒），适用宾汉和幂律模式。），适用宾汉和幂律模式。 在井内条件许可的情况下，降低钻井液和水泥浆的在井内条件许可的情况下，降低钻井液和水泥浆的粘度，以便在中等排量下就能达到紊流。粘度，以便在中等排量下就能达到紊流。3 3、紊流比塞流的优点、紊流比塞流的优点： 紊流具有径向分速，能产生阻力和牵引力，从而加紊流具有径向分速，能产生阻力和牵引力，从而加大了从井内替走滞留钻井液的可能性，减少了钻井液对大了从井内替走滞留钻井液的可能性，减少了钻井液对水泥浆的污染，也提高了水泥浆与地层的胶结性能。水泥浆的

12、污染，也提高了水泥浆与地层的胶结性能。一、影响顶替效率主要因素一、影响顶替效率主要因素（二）（二）井身井身质量质量对对顶替效率顶替效率的影响主要的影响主要：1、井径扩大率井径扩大率；2、井径变化率井径变化率；3、井眼轨迹。、井眼轨迹。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素1、井径扩大率是、井径扩大率是提高顶替效率提高顶替效率的的关键关键井井径径扩扩大大率率越越大大，替替速速就就难难以以达达到到紊紊流流，井井径径扩扩大大率率越小，环空间隙就越越小，环空间隙就越小小，水泥环，水泥环越薄，越薄，强度就越差。强度就越差。统统计计：井井径径扩扩大大率率在在8%15%之之间间的的井井，固固井井优

13、优质质率率较较高高；井井径径扩扩大大率率超超过过15%时时，井井径径扩扩大大率率越越大大，优优质质率率越低。当井径扩大率小于越低。当井径扩大率小于8%时，固井优质率仍然较低。时，固井优质率仍然较低。井眼对顶替效率的影响井眼对顶替效率的影响二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素2、井径变化率、井径变化率：指相邻井段内井径变指相邻井段内井径变化程度大小的物理量化程度大小的物理量井径变化率越大，井壁井径变化率越大，井壁存有存有大肚子井眼大肚子井眼（或糖葫芦井眼）（或糖葫芦井眼），顶替过程中顶替过程中大井眼滞留大井眼滞留的钻井液或泥饼很难替净，的钻井液或泥饼很难替净，水泥浆与地层无水泥浆与地

14、层无法胶结，法胶结，固井质量就很难保证固井质量就很难保证；在顶替过程在顶替过程中，排量的非均匀性，即使这此滞留死泥浆中，排量的非均匀性，即使这此滞留死泥浆被驱替出去，也容易造成混浆现象。被驱替出去，也容易造成混浆现象。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素3、井眼轨迹井眼轨迹井井眼眼轨轨迹迹就就是是包包含含井井深深、井井斜斜角角和和井井斜斜方方位位角角等等参参数数的空间曲线，也就是一口井的实钻轴线的空间曲线，也就是一口井的实钻轴线井井斜斜角角和和方方位位角角是是随随井井深深变变化化的的。用用井井斜斜变变化化率率、井井斜斜方方位位变变化化率率反反映映随随井井深深变变化化的的程程度度。井

15、井眼眼曲曲率率即即全全角角变变化化率率，即即单单位位长长度度狗狗腿腿角角的的大大小小。狗狗腿腿角角越越大大，井井眼眼方方向向变变化化越越快快，井眼弯曲越厉害，井眼弯曲越厉害，套管难以居中，固井质量就难以保证。套管难以居中，固井质量就难以保证。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（三）套管偏心（三）套管偏心套套管管在在井井眼眼环环空空截截面面偏偏向向井井壁壁一一侧侧或或距距一一侧侧井井壁壁较较近近。宽宽间间隙隙流流动动阻阻力力较较小小，流流速速较较高高；窄窄间间隙隙流流动动阻阻力力较较大大，顶顶替替界界面面靠靠后后，并并且且随随着着偏偏心心度度的的增增大大这这种种现现象象越越明明显显

16、，从从而而顶替效率变得更差顶替效率变得更差。偏心度对顶替效率影响的关系曲线偏心度对顶替效率影响的关系曲线二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能（四）钻井液性能1、稠稠度度系系数数对对顶顶替替效效率的影响率的影响稠稠度度系系数数是是：反反映映介介质质的的稀稀稠稠程程度度，即即反反映映介介质的可泵性和直观流动性。质的可泵性和直观流动性。钻钻井井液液稠稠度度系系数数增增加加，雷雷诺诺数数减减小小，粘粘滞滞应应力力增增加加，流流速速剖剖面面变变得得尖尖锐锐，顶替效率降低。顶替效率降低。实实验验得得知知：当当稠稠度度系系数数在在0.10.3Pa.sn之之间间时时，顶顶替替效效率

17、率随随稠稠度度系系数数增增加加而而减减少少；在在0.36Pa.sn之之间间时时，顶顶替替效效率率随随稠稠度度系系数数增增加加而而保保持持不变。不变。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能（四）钻井液性能2、流流性性指指数数对对顶顶替替效率的影响效率的影响流流性性指指数数反反映映了了介介质质内内部部结构力的大小。结构力的大小。在在0.10.5之之间间时时，顶顶替替效效率率随随着着流流性性指指数数的的增增大大而而增增大大；而而流流性性指指数数在在0.50.9之之间间时时，顶顶替替效效率率随随着着流流性性指指数数的的增加而基本保持不变。增加而基本保持不变。二、影响顶替效率主

18、要因素二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能（四）钻井液性能3、塑塑性性粘粘度度对对顶顶替效率的影响替效率的影响塑塑性性粘粘度度反反应应流流体体在在流流动动时时，固固体体颗颗粒粒、液液相相间间及及颗颗粒粒与与液液相相间间内内摩摩擦擦力力的大小。的大小。在在 0.010.05Pa.s之之 间间 时时 ，顶顶替替效效率率随随着着塑塑性性粘粘度度的的增加而降低。增加而降低。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能（四）钻井液性能4、动动切切力力对对顶顶替替效效率的影响率的影响动动切切力力是是指指流流体体在在流流动动时，需要克服的动态结构力。时，需要克服的动态结构力。在在24

19、Pa之之间间时时，顶顶替替效效率率随随着着动动切切力力的的增增大大而而增增大大；在在642Pa时时，顶顶替替效效率率随随着着动切力增大而保持不变。动切力增大而保持不变。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（五）前置液性能（五）前置液性能 1 1、概念：、概念：钻井液与水泥浆接触污染将危及施工安全并影钻井液与水泥浆接触污染将危及施工安全并影响固井质量，在水泥浆之前，注入一种液体，将水泥浆和钻响固井质量，在水泥浆之前，注入一种液体，将水泥浆和钻井液隔开，这种液体称为前置液。井液隔开，这种液体称为前置液。包括：冲洗液和隔离液。包括：冲洗液和隔离液。 2 2、作用：、作用：隔开钻井液和水泥

20、浆，防止污染；相容性好，隔开钻井液和水泥浆，防止污染；相容性好，稀释钻井液，降低钻井液粘度和切力，提高顶替效率；冲洗稀释钻井液，降低钻井液粘度和切力，提高顶替效率；冲洗井壁和套管壁，提高界面胶结强度；不使水泥浆变稠、絮凝、井壁和套管壁，提高界面胶结强度；不使水泥浆变稠、絮凝、闪凝；具有一定悬浮力，防止冲蚀物堆积发生憋泵事故。闪凝；具有一定悬浮力，防止冲蚀物堆积发生憋泵事故。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（五）前置液性能（五）前置液性能 3 3、冲洗液：、冲洗液：稀释钻井液，冲洗井壁和套管壁，提高钻稀释钻井液，冲洗井壁和套管壁，提高钻井液顶替效率和水泥环的界面胶结强度。井液顶替

21、效率和水泥环的界面胶结强度。具有较低的基浆具有较低的基浆密度；具有很低黏度；很低紊流临界返速；一定活性。密度；具有很低黏度；很低紊流临界返速；一定活性。 4 4、隔离液：、隔离液：隔开钻井液和水泥浆，防止污染；不使水隔开钻井液和水泥浆，防止污染；不使水泥浆变稠、絮凝、闪凝；悬浮固相颗粒，可以加重，平衡泥浆变稠、絮凝、闪凝；悬浮固相颗粒，可以加重，平衡环空液柱压力。环空液柱压力。有紊流和塞流型。有紊流和塞流型。密度可调；悬浮性好；密度可调；悬浮性好；失水量控制要小；数量要足。失水量控制要小；数量要足。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能（六）水泥浆性能 1、稠稠度度系

22、系数数对对顶顶替替效效率率的的影影响响：当当稠稠度度系系数数在在0.10.6Pa.sn之之间间时时，顶顶替替效效率率随随稠稠度度系系数数增增加加而而增增大大；在在0.65Pa.sn之之间间时时，顶顶替替效效率率随随稠稠度度系系数数增增加加而而保保持持不变。不变。水泥浆的稠度系数对顶替效率影响的关系曲线二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能（六）水泥浆性能2、流流性性指指数数对对顶顶替替效效率率的的影影响响：在在0.10.5之之间间时时，顶顶替替效效率率随随着着流流性性指指数数的的增增大大而而减减小小；在在0.50.9之之间间时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变

23、。时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能（六）水泥浆性能3、塑塑性性粘粘度度对对顶替效率的影响顶替效率的影响在在0.010.06Pa.s之之间间时时，顶顶替替效效率率随随着着塑塑性性粘粘度度的的增增加加而而增大增大。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能（六）水泥浆性能4、动动切切力力对对顶顶替替效效率率的影响的影响在在18Pa之之间间时时，顶顶替替效效率率随随着着动动切切力力的的增增大大而而增增大大；在在852Pa时时，顶顶替替效效率率随随着着动动切切力力的的增增大大而而保保持持不不变变。总总的

24、的来来说说，水水泥泥浆浆的的动动切切力力对对顶顶替替效率影响不大。效率影响不大。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能（六）水泥浆性能5、密密度度差差对对顶顶替替效效率率的的影响影响水水泥泥浆浆与与钻钻井井液液的的密密度度差差影影响响顶顶替替效效率率。当当水水泥泥浆浆密密度度大大于于钻钻井井液液密密度度时时，钻钻井井液液将将受受到到水水泥泥浆浆的的浮浮力力作作用用，特特别别是是对对于于滞滞留留的的钻钻井井液液，将将有有助助于于提提高高壁壁面面的的顶顶替替效效率率；反反之之，密密度度差差产产生生重重力力作作用用，将将产产生生掺掺混混或或污污染染，阻阻碍碍有有效效顶顶替替

25、，亦即顶替效率降低。亦即顶替效率降低。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素实验证明：实验证明：1、增大水泥浆与钻井液的密度差，顶替效率增加；增大水泥浆与钻井液的密度差，顶替效率增加；2、增大钻井液流性指数，减小水泥浆流性指数，顶增大钻井液流性指数，减小水泥浆流性指数，顶替效率增加；替效率增加；3、增大水泥浆稠度系数，减小钻井液稠度系数，顶增大水泥浆稠度系数，减小钻井液稠度系数，顶替效率增加；替效率增加；4、增大水泥浆动切力，减小钻井液动切力，增大水泥浆动切力，减小钻井液动切力，体积体积顶顶替效率和替效率和截面截面顶替效率顶替效率都都增加；增加；5、增大水泥浆塑性粘度，减小钻井液塑性

26、粘度，增大水泥浆塑性粘度，减小钻井液塑性粘度，体体积积顶替效率和顶替效率和截面截面顶替效率顶替效率都都增加；增加；6、增大流量，顶替效率增加。增大流量，顶替效率增加。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（七）封固段长度（七）封固段长度水水泥泥封封固固段段长长度度对对环环空空顶顶替替效效率率影影响响较较大大，封封固固段段越越长长，水水泥泥浆浆流流经经的的井井段段越越长长，受受到到井井眼眼扩扩大大率率和和大大肚肚子子井井眼眼、糖糖葫葫芦芦井井眼眼、顶顶替替排排量量（返返速速）等等因因素素影影响响，水水泥泥浆浆与与钻钻井井液液掺掺混混的的长长度度越越长长。当当套套管管偏偏心心严严重重时时

27、，窄间隙严重滞后，窜槽严重，顶替效率更低。窄间隙严重滞后，窜槽严重，顶替效率更低。封封固固段段越越长长，后后期期施施工工压压力力升升高高，注注替替排排量量下下降降，顶替效率降低顶替效率降低。封封固固段段越越长长，由由于于前前置置液液数数量量和和性性能能的的限限制制，发发生生掺掺混混后后失失去去冲冲刷刷和和隔隔离离作作用用，顶顶替替效效率率降降低低，也也难难以以保保证施工安全，更容易失重，难以保证封固质量。证施工安全，更容易失重，难以保证封固质量。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（八八）固固井井施施工工：固固井井施施工工是是落落实实固固井井设设计计，提提高高顶顶替替效率、保证固井

28、质量的关键环节。效率、保证固井质量的关键环节。固固井井施施工工是是一一次次性性工工程程，各各种种影影响响提提高高顶顶替替效效率率的的因因素素需需要要落落实实，比比如如：钻钻井井液液性性能能、洗洗井井排排量量与与循循环环周周、井井筒筒净净化化与与异异常常情情况况；固固井井工工艺艺流流程程及及其其衔衔接接、设设备备配配备备及及操操作作水水平平；前前置置液液配配制制与与性性能能、水水泥泥浆浆密密度度与与排排量量、浆浆体体结结构构与与数数量量、复复杂杂情情况况与与处处理理措措施施、顶顶替替排排量量及及返返速速等等等等。其其中中：1、循循环环排排量量关关系系到到注注替替排排量量大大小小的的确确定定；2、

29、注注替替排排量量影影响响施施工工安安全全和和水水泥泥浆浆上上返返速速度度大大小小。3、复复杂杂情情况况的的处处理理（异异常常高高压压或或井井漏漏等）影响到顶替效率。等）影响到顶替效率。二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素（八）固井施工（八）固井施工在在一一定定条条件件下下，不不可可能能让让每每个个因因素素都都能能达达到到最最佳佳。一一定定程程度度，某某一一个个因因素素可可以以抵抵消消其其它它因因素素的的作作用用。任任何何情情况况下下最最重要的因素是：重要的因素是：套管扶正、活动套管和调整钻井液性能。套管扶正、活动套管和调整钻井液性能。 1 1、注重井筒质量、注重井筒质量 2 2、套

30、管扶正，提高居中度、套管扶正，提高居中度 3 3、活动套管、活动套管 4 4、优选钻井液体系和流变参数、优选钻井液体系和流变参数 5 5、前置液设计、前置液设计 6 6、水泥浆流变设计、水泥浆流变设计 7 7、选择提高顶替效率的工具附件、选择提高顶替效率的工具附件 8 8、选择提高顶替效率的固井工艺、选择提高顶替效率的固井工艺 9 9、固井、固井关键环节的控制关键环节的控制 10 10、复合顶替技术、复合顶替技术三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（一）注重井筒质量（一）注重井筒质量1、良好的、良好的井筒质量井筒质量是提高水泥浆顶替效率的基础是提高水泥浆顶替效率的基础，从，从钻井开始就要优

31、选钻井液体系，优化钻井液性能，合理选择钻井开始就要优选钻井液体系，优化钻井液性能，合理选择钻井参数，保证良好的井身质量，钻井参数，保证良好的井身质量，合理的井径变化率，合理的井径变化率，避免避免井径井径扩大率扩大率超标，避免出现超标，避免出现“大肚子大肚子”、“糖葫芦糖葫芦”井眼；井眼；避免出现较大的避免出现较大的“狗腿狗腿”具有平滑的井眼轨迹。具有平滑的井眼轨迹。2、下套管前通井时，要合理配置钻具结构，调整好钻、下套管前通井时，要合理配置钻具结构，调整好钻井液性能，彻底清除井内岩屑和井壁虚泥饼，对缩径井段应井液性能，彻底清除井内岩屑和井壁虚泥饼，对缩径井段应划眼处理，确保划眼处理，确保下套管

32、顺畅和下套管顺畅和施工排量满足顶替效率施工排量满足顶替效率要求。要求。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（一）注重井筒质量（一）注重井筒质量3、下套管过程要按照、下套管过程要按照下套管作业规程下套管作业规程操作，涂好操作，涂好螺纹密封脂，按规定扭矩上好螺纹；按工艺要求的特殊工具螺纹密封脂，按规定扭矩上好螺纹；按工艺要求的特殊工具附件之外要附件之外要定位安装定位安装套管扶正器、螺旋发生器、刮泥器等附套管扶正器、螺旋发生器、刮泥器等附件，为活动套管、提高顶替效率做好准备。件，为活动套管、提高顶替效率做好准备。4、下完套管后下完套管后，调整钻井液性能，提高排量清除，调整钻井液性能，提高排量清除

33、井内井内岩屑和下套管过程中刮落得泥岩屑和下套管过程中刮落得泥饼；在保证井下安全的情况下饼；在保证井下安全的情况下按照流变学紊流要求，适当按照流变学紊流要求，适当降低钻井液粘度和切力，调整好降低钻井液粘度和切力，调整好钻井液流型，为注替过程中提高顶替效率提供良好的条件钻井液流型，为注替过程中提高顶替效率提供良好的条件。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（二）套管扶正，提高居中度（二）套管扶正，提高居中度 套管居中是实施一切提高顶替效率、保证固井质量措施套管居中是实施一切提高顶替效率、保证固井质量措施的首要条件。即使的首要条件。即使是直是直井，不井，不加加扶正器套管扶正器套管在井内也不会居在

34、井内也不会居中。对于斜井、方位变化大、狗腿严重、大位移、水平井更中。对于斜井、方位变化大、狗腿严重、大位移、水平井更难以难以居中。即使居中。即使加加放套管扶正器，环空也总存在宽窄间隙，放套管扶正器，环空也总存在宽窄间隙，很难形成均匀的水泥环很难形成均匀的水泥环。套管扶正器的作用就是尽可能地最。套管扶正器的作用就是尽可能地最大提高套管在井眼中的居中度。根据大量实验证明：要保证大提高套管在井眼中的居中度。根据大量实验证明：要保证良好的水泥封固质量，套管居中度不低于良好的水泥封固质量，套管居中度不低于67%67%。套管扶正器套管扶正器很多种类，为提高顶替效率，选用旋流扶正器。很多种类，为提高顶替效率

35、，选用旋流扶正器。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（二）套管扶正，提高居中度（二）套管扶正，提高居中度 模拟周向速度在出口端分布模拟周向速度在出口端分布井眼井眼套管套管三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（三）活动套管（三）活动套管活动套管是消除液体结构内应力，提高顶替效率的活动套管是消除液体结构内应力，提高顶替效率的好办法。通过上下活动和旋转，破坏好办法。通过上下活动和旋转，破坏滞留带滞留带钻井液、拖钻井液、拖曳窄间隙死浆；特别是装有刮泥器并活动套管可以刮除曳窄间隙死浆；特别是装有刮泥器并活动套管可以刮除虚泥饼、清除死浆带，显著改善大井径部位的顶替效率，虚泥饼、清除死浆带，显著改

36、善大井径部位的顶替效率，提高第二界面的水泥胶结质量。提高第二界面的水泥胶结质量。1、上下提放、上下提放2、旋转套管、旋转套管三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（三）活动套管（三）活动套管上下活动上下活动 上下提放活动活动套管，可动态套管，可动态上改变环空宽、窄间隙处的流动上改变环空宽、窄间隙处的流动状况状况。 1 1、可以消除钻井液形成的胶、可以消除钻井液形成的胶凝结构凝结构。 2 2、使滞留钻井液处于、使滞留钻井液处于剪切状剪切状态，态，消除钻井液滞留。消除钻井液滞留。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术上下活动套管平板模型上下活动套管平板模型（三）活动套管（三）活动套管-旋转套管

37、（尾管）旋转套管（尾管） 旋转套管：当旋转套管：当旋转套管：当旋转套管：当环空窄间隙处有滞留环空窄间隙处有滞留环空窄间隙处有滞留环空窄间隙处有滞留( ( ( (或流动较慢或流动较慢或流动较慢或流动较慢) ) ) )的钻井的钻井的钻井的钻井液时液时液时液时, , , ,旋转套管可依靠套管壁拖曳力将窄间隙的钻井液带入旋转套管可依靠套管壁拖曳力将窄间隙的钻井液带入旋转套管可依靠套管壁拖曳力将窄间隙的钻井液带入旋转套管可依靠套管壁拖曳力将窄间隙的钻井液带入到宽间隙处到宽间隙处到宽间隙处到宽间隙处, , , ,从而被流动的水泥浆顶替走从而被流动的水泥浆顶替走从而被流动的水泥浆顶替走从而被流动的水泥浆顶替

38、走, , , ,提高顶替效率提高顶替效率提高顶替效率提高顶替效率。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术套管不动套管不动开始转动开始转动拖曳效应拖曳效应旋转套管提高顶替效率原理旋转套管提高顶替效率原理旋转套管提高顶替效率原理旋转套管提高顶替效率原理三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（四四）优优选选钻钻井井液液体体系系和和流流变变参数参数 钻钻井井液液体体系系和和流流变变参参数数对对于于井井身身质质量量非非常常重重要要。性性能能不不好好，井井壁壁坍坍塌塌严严重重，造造成成井井径径扩扩大大率率超超标标、糖糖葫葫芦芦井井眼眼、较较厚厚的的虚虚泥泥饼饼等等，不不能能保保证证水水泥泥较较好好地地

39、胶胶结结（特特别别是是二二界界面面质质量量）。不不重重视视下下套套管管后后的的性性能能调调整整，不不系系统统的的处处理理完完钻钻性性能能，往往往往造造成成套套管管下下不不到到底底、井井壁壁跨跨塌塌、开开泵泵困困难难、大大量量出出砂砂、蹩蹩泵泵事事故故，不不仅仅不不能能提提高高顶顶替替效效率，固井质量也难以保证。率，固井质量也难以保证。 按按照照流流变变学学计计算算，在在满满足足钻钻井井施施工工要要求求条条件件下下，选选择择容容易易达达到到紊紊流流的的类类型型和和流流变变参参数数。保保证证井井身身质质量量，满满足足提提高高顶顶替替效效率的要求。率的要求。泥饼虚厚：泥饼虚厚：油气及高价离子污油气及

40、高价离子污染，流动性差，井壁冲洗不干染，流动性差，井壁冲洗不干净；第一、二界面水泥胶结差。净；第一、二界面水泥胶结差。虚泥饼影响固井第二界面胶结虚泥饼影响固井第二界面胶结三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（五）前置液（五）前置液设计设计 1 1、与与钻钻井井液液和和水水泥泥浆浆相相溶溶性性要要好好。施施工工之之前前做做好好相相溶溶性试验，保证注替过程有良好的流动性。性试验，保证注替过程有良好的流动性。 2 2、紊流顶替要考虑接触时间。、紊流顶替要考虑接触时间。一般要求大于一般要求大于1010分钟。分钟。 3 3、满足提高顶替效率的要求。、满足提高顶替效率的要求。有效冲刷驱替界面油污、有效

41、冲刷驱替界面油污、泥饼，具有一定的活性；要求前置液胶凝强度大于钻井液泥饼，具有一定的活性；要求前置液胶凝强度大于钻井液而小于水泥浆；要有较低的临界流速。而小于水泥浆；要有较低的临界流速。 4 4、满足固井设计压稳的要求。、满足固井设计压稳的要求。密度、用量、高度和性密度、用量、高度和性能在设计时要考虑注替过程中压稳固井的需要。能在设计时要考虑注替过程中压稳固井的需要。 5 5、考虑地层的适应性。、考虑地层的适应性。要考虑敏感、易漏、坍塌地层要考虑敏感、易漏、坍塌地层和界面特征，选择类型和数量。和界面特征，选择类型和数量。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流

42、变设计 水水泥泥浆浆流流变变设设计计：合合理理确确定定水水泥泥浆浆流流变变参参数数，准准确确计计算算摩摩阻阻和和施施工工压压力力，为为科科学学调调整整水水泥泥浆浆配配方方和和选选择择适适应应的的固固井井方方案案提提供供依依据据。设设计计不不合合理理将将导导致致顶顶替替效效率率第第，施施工工泵泵压压高高给给固固井井质质量量和和施施工工安安全全带带来来隐隐患患。水水泥泥浆浆流流变变设设计计包括：流变模式选择、流变参数计算、顶替流态设计。包括：流变模式选择、流变参数计算、顶替流态设计。 1 1、测量旋转粘度计六转读数，计算剪切速率和剪切应力；、测量旋转粘度计六转读数，计算剪切速率和剪切应力； 2 2

43、、流变模式选择：根据计算公式计算的系数，判别模式。、流变模式选择：根据计算公式计算的系数，判别模式。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计：水泥浆流变设计： 3 3、流变方程：、流变方程：a a 宾汉模式流变方程：宾汉模式流变方程： 水泥浆塑性粘度计算：水泥浆塑性粘度计算： b b 幂律模式流变方程：幂律模式流变方程： 水泥浆稠度系数计算公式：水泥浆稠度系数计算公式：三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计：水泥浆流变设计： 4 4、水泥浆流变性设计：水泥浆返速和流变性能应满足以

44、下公式、水泥浆流变性设计：水泥浆返速和流变性能应满足以下公式 宾汉流体：宾汉流体： 幂律流体：幂律流体： 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。 临界流速计算：临界流速计算： 宾汉流体：宾汉流体：1 1、塞流临界流速。管内：、塞流临界流速。管内： 环空：环空： 2 2、紊流临界流速。管内：、紊流临界流速。管内： 环空：环空： 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。 幂律流体

45、幂律流体 1 1、紊流临界雷诺数计算公式：、紊流临界雷诺数计算公式：NRec=3470-1370n 2 2、确定临界流速、确定临界流速: : 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算：流动摩阻压降计算： 宾汉流体宾汉流体 1 1、平均流速计算：管内：、平均流速计算：管内：V=40Q/Di2 环空：环空：V=40Q/（Dw2-De2） 2 2、雷诺数计算：、雷诺数计算： 塞流与层流：管内：塞流与层流：管内：NRe=10DiV/(+0Di/600v) 环空：环空：NRe=10(Dw-De)V/(+0（Dw-De）/800v)紊流：紊流：管内

46、：管内：NRe=10DiV/环空：环空：NRe=10(Dw-De)V/ 3 3、范宁摩阻系数计算：、范宁摩阻系数计算： 紊流：紊流：=0.057/NRe0.2 塞流与层流塞流与层流 管内：管内：=16/NRe 环空：环空：=24NRe 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算：流动摩阻压降计算： 幂律流体幂律流体 1 1、平均流速计算：管内：、平均流速计算：管内：V=40Q/Di2 环空：环空：V=40Q/（Dw2-De2） 2 2、雷诺数计算：、雷诺数计算： 管内：管内：NRe=8*103V2-nDin/800nK(3n+1)/4n)

47、n) 环空：环空：NRe=12*103V2-n(Dw-De)n/1200nK(2n+1)/3n)n3 3、范宁摩阻系数计算：、范宁摩阻系数计算： 塞流与层流塞流与层流 管内：管内：=16/NRe 环空：环空：=24NRe 紊流：紊流：=a/Nreb a=(lgn+2.5)/50b=(1.4-lgn)/7三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算：流动摩阻压降计算： 宾汉（幂律）流体流动摩阻计算：宾汉（幂律）流体流动摩阻计算： 管内：管内：P=0.2fLv2/Di 环空：环空：P=0.2fLv2/（Dw-De）最终顶替井口泵压计算：最终顶替

48、井口泵压计算：泵压等于环空与管内静液压力差和沿程流动摩阻压降之和泵压等于环空与管内静液压力差和沿程流动摩阻压降之和公式：公式：Pp=(Pha-Php)+(Pfa+Pfp)其中：其中：Pha-环空静液压力，环空静液压力，MpaPhp-管内静液压力，管内静液压力，MpaPfa-管内流动摩阻压降，管内流动摩阻压降，MPaPfp-环空流动摩阻压降，环空流动摩阻压降，MPa三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（七七）选择提高顶替效率的工具附件）选择提高顶替效率的工具附件 1 1、旋流扶正器、旋流扶正器（螺旋扶正器、导流片扶正器）（螺旋扶正器、导流片扶正器） 2 2、旋流发生器、旋流发生器 3 3、液

49、压扶正器、液压扶正器 4 4、泥饼刷、泥饼刷（刮泥器）（刮泥器） 5 5、套管居中器、套管居中器 6 6、井下、井下振振动发生器生器（脉冲、涡轮、机械、水力）三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（八）选择提高顶替效率的固井工艺（八）选择提高顶替效率的固井工艺 1 1、分分级级固固井井：长长封封固固段段、高高压压井井、漏漏失失井井、水水平平井井、多套压力层系固井、复杂条件完井。多套压力层系固井、复杂条件完井。 2 2、尾尾管管固固井井及及其其回回接接：深深井井、高高压压井井、长长封封固固段段井、复杂井况固井。井、复杂井况固井。 3 3、旋旋转转（套套管管）尾尾管管工工艺艺：深深井井、窄窄间间

50、隙隙固固井井、高压井。高压井。 4 4、内插固井工艺：、内插固井工艺：适用大内径套管固井。适用大内径套管固井。 5 5、振动固井工艺：、振动固井工艺：一般适用常规浅井。一般适用常规浅井。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术振动固井振动固井：在洗井、注水泥、顶替和候凝过程中在洗井、注水泥、顶替和候凝过程中, , 采用机械振动、液压或脉冲、水力冲击等手段采用机械振动、液压或脉冲、水力冲击等手段, , 产生产生振动和水力冲击波作用于套管、钻井液和固井液来提振动和水力冲击波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一项技术。振动波破坏颗粒间以及分子高固井质量的一项技术。振动波破坏颗粒间以及分子间的

51、结构，提高顶替效率，改善水泥浆胶结质量。间的结构，提高顶替效率，改善水泥浆胶结质量。套管内部谐振器脉冲发生器套管底部偏心振动器自激震荡脉冲发生器机械阻断式脉冲发生器偏心振动器 阀门阻断式动态动态振动振动器器三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术振动固井技术振动固井技术宽频多级脉冲波震荡发生器旋转阻断式水力脉冲发生器低低频水力水力振振动涡轮式井下振式井下振动三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（九）固井关键环节的控制（九）固井关键环节的控制 1 1、施工方案及固井工艺的确定；、施工方案及固井工艺的确定； 2 2、水水泥泥浆浆体体系系设设计计及及有有关

52、关实实验验（包包括括：前前置置液液、水泥浆配方优选、外加剂筛选水泥浆配方优选、外加剂筛选）；）； 3 3、水水泥泥干干混混及及工工艺艺准准备备（包包括括：注注水水泥泥装装备备、工具附件、施工人员工具附件、施工人员）；）； 4 4、水泥浆流变学设计；、水泥浆流变学设计；三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（九）固井关键环节的控制（九）固井关键环节的控制 5 5、施工参数优化设计；、施工参数优化设计； 6 6、施施工工前前的的准准备备与与检检查查（钻钻井井液液流流变变性性、排排量量与循环周、前置液配制、施工装备检查与调试与循环周、前置液配制、施工装备检查与调试）；）； 7 7、施施工工过过程程

53、参参数数控控制制（不不同同浆浆体体注注入入排排量量、密密度与数量；顶替液性能、排量与返速度与数量；顶替液性能、排量与返速）；）； 8 8、操作水平与施工连续性；、操作水平与施工连续性； 9 9、异常情况处理。、异常情况处理。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（十）复合顶替技术（十）复合顶替技术 针针对对不不规规则则井井眼眼顶顶替替效效率率低低的的问问题题，提提出出了了紊紊流流塞流复合顶替技术塞流复合顶替技术。 施施工工过过程程中中根根据据水水泥泥浆浆流流过过不不同同尺尺寸寸井井眼眼的的时时间间，针针对对不不同同目目的的层层的的封封固固要要求求，适适时时调调整整施施工工排排量量，提提高高目

54、目的的层层段段的的顶顶替替效效率率。解解决决井井眼眼不不规规则则的的目目的的层层水水泥胶结问题。泥胶结问题。井井眼眼不不规规则则，大大肚肚子子井井眼眼，采采用用“小小排排量量塞塞流流顶顶替替”驱替效果好。驱替效果好。 井井壁壁稳稳定定，井井径径扩扩大大率率适适中中，循循环环压压力力和和注注替替压压力不高的井，采用紊流顶替顶替效果好。力不高的井，采用紊流顶替顶替效果好。三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术（十）复合顶替技术（十）复合顶替技术 针针对对套套管管偏偏心心不不居居中中窄窄间间隙隙井，可以采用井，可以采用“稠浆慢替稠浆慢替”技术。技术。 套套管管不不居居中中，窄窄边边水水泥泥浆浆流流

55、动动阻阻力力大大，井井壁壁粘粘稠稠钻钻井井液液就就无无法法有有效效驱驱替替。绕绕流流实实验验可可知知，水水泥泥浆浆越越稠稠，井井壁壁水水泥泥浆浆开开始始流流动动所所需需的的排排量量越越小小；层层流流下下，环环空空流流速速越越大大，井井壁壁流流动动速速度度与与环环空空中中间间的的流流速速差差越越大大，绕绕流流越越严严重重。因因此此，在在不不能能采采用用紊紊流流固固井井时时，宜宜用用“稠稠浆浆慢慢替替技技术术”提提高高壁壁面面剪剪切切应应力力，减减少少水水泥浆绕流，提高顶替效率。泥浆绕流，提高顶替效率。拐点绕流拐点绕流边壁绕流边壁绕流结结 束束 语语固固井井质质量量是是一一项项系系统统工工程程，质质量量的的好好坏坏与与完完井井方方式式、井井身身结结构构、井井身身质质量量、钻钻井井液液性性能能、套套管管居居中中度度、固固井井工工艺艺技技术术、水水泥泥浆浆体体系系以以及及井下动态干扰等因素有关。井下动态干扰等因素有关。目目前前，还还有有许许多多技技术术难难题题尚尚未未得得到到较较好好的的解决，技术水平有待于提高。解决，技术水平有待于提高。