注水泥流變學(xué)設(shè)計原理與方法-徐璧華-西南石油大學(xué)

1、注水泥流變學(xué)設(shè)計原理與方法西南石油學(xué)院學(xué)院石油工程學(xué)院 徐璧華流變學(xué)與固井的關(guān)系注水泥時井口壓力是否會過大；排量應(yīng)控制到多大才能保證井下不漏；排量應(yīng)控制到多大才能保證井下不竄；哪種情況下使用大排量或是小排量頂替才能提高頂替效率；關(guān)鍵：確定流體流動時的流動狀態(tài)確定流體流動時的流動阻力主要內(nèi)容流體的特點(diǎn)與類型根本概念流變測量流變模式與流變參數(shù)計算在管內(nèi)或環(huán)空的流動規(guī)律流動計算方法與步驟在固井中影響流變計算的因素 -溫度、間隙等對計算的影響1、根本概念流體流動的特點(diǎn)VxV特點(diǎn)：流動時分層流動、各層的速度不一樣原因：流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力1、根本概念流體流動的特點(diǎn)1、根本概念流體流動的根本概念：剪切速率

2、VxVV xdV dx速度梯度或剪切速率定義：垂直流速方向上的單位距離流速的變化量。單位：S-1如果：各位置剪切速率相同，那么出現(xiàn)情況。1、根本概念流體流動的根本概念：剪切速率剪切速率分布情況：沉砂池：1020 S-1鉆桿環(huán)空：60 100 S-1鉆鋌環(huán)空：160 300 S-1鉆桿內(nèi)：250 500 S-1鉆鋌內(nèi)：700-1400 S-1常規(guī)套管環(huán)空：160 500 S-1小間隙套管環(huán)空：500 1200 S-11、根本概念流體流動的根本概念：剪切應(yīng)力FVF：反映流體內(nèi)摩擦力的大小 V VF S F= SX X 稱為粘度或粘滯系數(shù)定義：單位面積上內(nèi)摩擦力的大小即為剪切應(yīng)力；記為：單位：10達(dá)

3、因/厘米2 =1帕 Pa =1000(mPa)1、根本概念流體流動的根本概念：流變曲線剪切應(yīng)力剪切速率1、根本概念流體流動的根本概念：視粘度V V F/S F S F= S =X X V/X 定義：單位剪切速率速度梯度下的剪切應(yīng)力；單位：10達(dá)因.秒/厘米2=1帕秒 Pa.S=1000mPa.S粘度是流體本身固有的特性，對于水、汽油等流體，其粘度是不隨流速、流道以及速度梯度變化的。這一規(guī)律稱為：牛頓內(nèi)摩擦定律1、根本概念流體流動的根本概念：流體分類牛頓流體：特點(diǎn)：滿足牛頓內(nèi)摩擦定律 =剪切速率剪切應(yīng)力1、根本概念流體流動的根本概念：流體分類非牛頓流體：特點(diǎn)：不滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，視粘度與速梯、

4、時間有關(guān)系。剪切應(yīng)力剪切速率1、根本概念流體流動的根本概念：流體分類按流變性分：粘彈性流體純粘性流體與時間有關(guān)觸變性流體負(fù)觸變性流體與時間無關(guān)有屈服應(yīng)力：塑性流體、屈服假塑性流體無屈服應(yīng)力：牛頓流體、假塑性流體、膨漲性流體 泥漿、水泥漿、隔離液：屈服假塑性假塑性塑性1、根本概念非牛頓流體的流變性能粘度視粘度靜切應(yīng)力動切應(yīng)力觸變性剪切稀釋性2、流變測量測量目的了解流體剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的規(guī)律測量：剪切速率、剪切應(yīng)力測量儀器粘度計旋轉(zhuǎn)粘度計：同軸、錐板毛細(xì)管粘度計 泥漿、水泥漿用：六速、十二速旋轉(zhuǎn)粘度計2、流變測量同軸旋轉(zhuǎn)粘度計測量原理結(jié)構(gòu)：RrVM2、流變測量同軸旋轉(zhuǎn)粘度計測量原理原理：1、

5、測量內(nèi)筒的扭矩M2、計算內(nèi)筒處的剪切應(yīng)力3、計算內(nèi)筒處的剪切速率RrV2、流變測量同軸旋轉(zhuǎn)粘度計測量原理原理：C=.511 (Pa)轉(zhuǎn)速60030020010063剪切速率1022511340.6170.310.225.11切力CCCCCC2、流變測量流變曲線繪制剪切應(yīng)力剪切速率3、流變模式與流變參數(shù)計算流體流變模式概念用于描述流體內(nèi)部剪切應(yīng)力與剪切速率的數(shù)學(xué)方程流變模式是流體內(nèi)部流變規(guī)律的近似反映類型兩參數(shù)模式：冪律、賓漢、 卡森三參數(shù)模式：赫巴、羅斯多參數(shù)模式：3、流變模式與流變參數(shù)計算赫巴模式： 羅斯模式： 卡森模式：多項式模式： 冪律模式： 賓漢模式： 3、流變模式與流變參數(shù)計算流變模

6、式赫巴模式羅斯模式卡森模式多項式模式冪律模式賓漢模式40組水泥漿(API法配)4.9837.50911.946.99113.0323.1632組水泥漿(手?jǐn)嚪ㄅ?4.31110.0822.045.3378.33343.576種泥漿1.4912.5142.219-5.6093.1013、流變模式與流變參數(shù)計算流變模式赫巴模式羅斯模式卡森模式冪律模式賓漢模式10組密度1.162CaCl2重晶石泥漿3.2383.6583.1666.4752.91410組密度1.50 CaCl2重晶石泥漿1.7851.6334.1278.0011.4813、流變模式與流變參數(shù)計算泥漿、水泥漿流變模式的選擇流變曲線觀察

7、法F 比值法誤差統(tǒng)計分析法計算各轉(zhuǎn)速的計算剪切應(yīng)力與實(shí)測值的誤差3、流變模式與流變參數(shù)計算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計算流變參數(shù)的含義反映流體流動規(guī)律的特征參數(shù)，流體一定后在流變模式中是不變的。賓漢模式動切力、塑性粘度冪律模式流性指數(shù)、稠度系數(shù)赫巴模式靜切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)3、流變模式與流變參數(shù)計算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計算流變參數(shù)計算原理使用以測量的速率下的剪切應(yīng)力反推方法：回歸方法：使用全部粘度計測量數(shù)據(jù)解析法：使用兩個速率下的粘度計測量數(shù)據(jù)3、流變模式與流變參數(shù)計算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計算影響因素：計算速率的選擇泥漿：600、300轉(zhuǎn)水泥漿：300、100轉(zhuǎn)為何泥漿與水泥漿不用相同的轉(zhuǎn)

8、速？溫度壓力的影響環(huán)空間隙的影響3、流變模式與流變參數(shù)計算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計算水泥漿泥漿4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.1 泥漿、水泥漿的流動狀態(tài)靜止塞流層流層流紊流低速中速高速4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.2 流態(tài)對頂替與流動的影響有利于頂替的流態(tài)：塞流紊流平板層流流態(tài)與流動的關(guān)系與流速有關(guān)與流體流變性能有關(guān)與流道有關(guān)4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.3 流態(tài)判別方法雷諾數(shù)的概念流體流動中流動能與粘滯力的比值流核概念流態(tài)判別方法塞流：核隙比00.8 或 ReRec層流：界于之間4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界雷諾數(shù)賓漢流體塞流：考慮核隙比大于0.8紊

9、流：通過赫茲數(shù)計算冪律與赫巴流體紊流：Rec=3470-1370n塞流：Rec=1004、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速賓漢流體：塞流臨界流速：環(huán)空返速要求 動塑比要求 4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速賓漢流體：紊流管內(nèi)環(huán)空4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速冪律流體：紊流管內(nèi)環(huán)空4、泥漿、水泥漿在井眼的流動規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速赫巴流體：紊流5、流動計算方法流動計算的目的流動阻力流動摩阻與流體的流態(tài)有關(guān)流動摩阻計算的原理流態(tài)判別流動摩阻系數(shù)流動摩阻壓力5、流動計算方法LVx5、流動計算方法流動摩阻計算的步

10、驟計算管內(nèi)、環(huán)空的流速計算管內(nèi)、環(huán)空的臨界雷諾數(shù)計算管內(nèi)、環(huán)空的流態(tài)（雷諾數(shù)）計算流動摩阻系數(shù)計算流動摩阻壓力5、流動計算方法流動摩阻計算的公式見資料注意點(diǎn)：流變模式的使用紊流與層流時的摩阻系數(shù)計算5、流動計算方法注水泥流動計算的內(nèi)容總結(jié)設(shè)計頂替臨界排量計算流動壓力計算的舉例舉例H=3202mH1=900mDe1=24.45cmDi1=22.44cmL=3200mDe2=17.78cmDi2=15.7cmH0=30mDw1=23cmDw2=24cmHI段II段H1H0井底破裂壓力Pfo=68Mpa井底循環(huán)溫度T=87鉆井液 屬賓漢流體0m=0.86Papmm=1.65g/cm3水泥漿密度1.8

11、5粘度計讀數(shù)：300：59 200：43100：23 6： 133： 8要求：設(shè)計紊流注水泥計算最終頂替泵壓舉例流道流體流速RecRe流態(tài)FPfPfp,Pfa管內(nèi)泥漿1.4541209390紊流0.009151.281.29管內(nèi)水泥1.4522975174紊流0.008070.012環(huán)空水泥1.6822972500紊流0.00941.885.80環(huán)空水泥1.3622972297紊流0.009571.37環(huán)空泥漿1.9023103652紊流0.01112.55最終泵壓：Pp=(Pha-Php)+(Pfp+Pfa)=11.54MPa6、在固井中影響流變計算的因素影響因素套管偏心的影響溫度壓力對流體

12、性能的影響井眼尺寸變化井徑變化不規(guī)那么小間隙與小井眼對計算方法的影響溫度壓力對流變性的影響及考慮方法高溫高壓對流動計算的影響溫度壓力對水泥漿與泥漿流變性能的影響規(guī)律 溫度的影響溫度壓力對水泥漿與泥漿流變性能的影響規(guī)律 壓力的影響高溫高壓對流動計算的影響考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計算 計算模型 b值的計算通過測定具體水泥漿在常溫和某一溫度下的粘度計讀值計算高溫高壓對流動計算的影響高溫高壓對流動計算的影響高溫高壓對流動計算的影響考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計算 流變參數(shù)計算考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計算南海地區(qū)水泥漿溫度計算系數(shù)體系名稱密度測量溫度125剪切應(yīng)力（dyn/cm

13、2）測量溫度75剪切應(yīng)力（dyn/cm2）300轉(zhuǎn)b系數(shù)100轉(zhuǎn)b系數(shù)平均b系數(shù)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)CG71L1.90312.493.3678.5253.30.015510.019970.01774LATAX20002.40214.374.8379.2156.30.011410.014730.01307PCR1002L1.91268.688.0680.3178.30.018590.014120.01635PCR1002L2.40221.172.2466.7180.80.014940.018350.01664高溫高壓對流動計算的影響考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計算南海地區(qū)水泥漿

14、溫度計算系數(shù)體系名稱密度測量溫度125剪切應(yīng)力（dyn/cm2）測量溫度75剪切應(yīng)力（dyn/cm2）300轉(zhuǎn)b系數(shù)100轉(zhuǎn)b系數(shù)平均b系數(shù)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)CG71L1.90312.493.3678.5253.30.015510.019970.01774LATAX20002.40214.374.8379.2156.30.011410.014730.01307PCR1002L1.91268.688.0680.3178.30.018590.014120.01635PCR1002L2.40221.172.2466.7180.80.014940.018350.01664高溫高壓對流動計

15、算的影響考慮溫度后注水泥流動計算方法 使用分段考慮溫度法計算，通過計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。THm圖3-8 按溫度分段示意圖式中： BHCT： 井底循環(huán)溫度； TTOC： 水泥面深度循環(huán)溫度； T： 允許溫度變化范圍； n： 井段可分段數(shù)； Tm： 第m 井段底部的循環(huán)溫度 ； Hm： 第m井底底部深度。 高溫高壓對流動計算的影響注水泥過程小間隙流動計算的修正方法小間隙環(huán)空的流動計算小間隙環(huán)空流變參數(shù)計算 研究了小間隙中計算流變參數(shù)應(yīng)使用的轉(zhuǎn)速：研究說明在小間隙中，應(yīng)使用600轉(zhuǎn)與300轉(zhuǎn)進(jìn)行流變參數(shù)計算研究了小間隙下對套管偏心的考慮方法提出了小間隙下判別流態(tài)的修正方法提出了考慮小間隙的流動摩阻系

16、數(shù)計算方法建立了注水泥過程環(huán)空平衡壓力計算的方法流變參數(shù)計算小間隙條件下偏心的影響小間隙條件下流態(tài)計算的影響摩阻系數(shù)計算模型 小間隙環(huán)空流動計算分析常規(guī)流動計算公式：小間隙條件下偏心的影響偏心效應(yīng)系數(shù)R為偏心環(huán)空壓耗與同心環(huán)空壓耗之比:將同心環(huán)空壓力計算式與偏心環(huán)空壓降計算式帶入后有：(對冪律流體)e 偏心度 e=2/(Dw-Dc) 為偏心距，cm；Dw, Dc 為井眼與套管的直徑，cm 對小間隙環(huán)空情況，一般Dc/Dw均小于1.2如塔里木的幾種典型井身結(jié)構(gòu)，那么 M的值應(yīng)為2，這樣有小間隙環(huán)空流動計算方法研究小間隙環(huán)空流動阻力的計算式可表達(dá)為：準(zhǔn)確計算流動摩阻壓力的關(guān)鍵便是流動摩阻系數(shù)f 確

17、實(shí)定。準(zhǔn)確計算小間隙環(huán)空的流動阻力的核心在 于流態(tài)和摩阻系數(shù)的計算方法。 小間隙環(huán)空對流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)不宜使用與常規(guī)流動計算中標(biāo)準(zhǔn)，即：Rc=3470-1370n 實(shí)際的小間隙頂替過程中，水泥漿雷諾數(shù)一般均在層流或過渡流之間。 有關(guān)研究也說明常規(guī)計算中采用的紊流臨界流量要偏低15%到20%45。大量的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)研究說明，流體在環(huán)空流動的紊流臨界雷諾數(shù)的上限可達(dá)3800，根據(jù)這一分析，可將常規(guī)環(huán)空中對流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)提高15%，作為其小間隙環(huán)空流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)，那么有小間隙環(huán)空流態(tài)的判別與雷諾數(shù)計算、流態(tài)的判別常規(guī)間隙環(huán)空流動計算中：Rec=3470-1470n小間隙環(huán)空流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)為： Rec=4080-1720n 、雷諾數(shù)計算按照液體的流動雷諾數(shù)一般概念有：De當(dāng)量直徑或水力直徑。小間隙環(huán)空流態(tài)的判別與雷諾數(shù)計算借用Crittendon提出的小間隙環(huán)空水力直徑計算公式5，建立小間隙環(huán)空雷諾數(shù)的計算模型：式中： Res 修正的雷諾數(shù) De水力