提高頂替效率技術

1、吳波,提高水泥漿頂替效率技術,二一四年十二月,概述,影響水泥環(huán)封固質量的首要因素是提高頂替效率，沒有良好的頂替效率，其他任何措施都不會對固井質量起到很好作用（如防止竄槽、降低水泥石滲透率、提高水泥石強度和韌性等）。頂替效率是固井施工過程中最難控制的因素，受到井眼條件、套管居中度、水泥漿性能、鉆井液性能、漿體結構設計、施工參數(shù)、接觸時間等多方面因素的影響。其提高頂替效率的措施除了加入扶正器、活動套管、使用泥餅刷等實用技術外，還進行了利用壁面剪應力提高水泥漿頂替效率方面的理論研究。,目錄,一、頂替效率基本知識二、影響水泥漿頂替效率主要因素三、提高水泥漿頂替效率技術措施,一、頂替效率基本知識,（一）

2、頂替效率：水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆井液的程度。1、體積頂替效率：環(huán)形空間封固段水泥漿體積與環(huán)形空間體積之比。2、截面頂替效率：環(huán)空截面水泥漿面積與環(huán)空截面面積之比。（體積頂替效率不能反映截面竄槽情況）,一、頂替效率基本知識,（二）流態(tài)：流體在管內流動的形態(tài)。管內的流態(tài)可按照雷諾數(shù)的大小劃分為層流、塞流、紊流還有兩個過度流態(tài)。1、塞流：在流體力學中，塞流是管道中流體流動速度分布的一個簡單的模型。在塞流中，流體的速度在與管道軸線垂直的任何截面上被假定為一常數(shù)，在管道內壁附近處沒有邊界層。,一、頂替效率基本知識,（二）流態(tài)：流體在管內流動的形態(tài)2、層流：層流是流體的一種流動狀態(tài)。流體分層流動，互不混雜

3、,液體質點的運動軌跡是直線或是有規(guī)則的平滑曲線。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。,一、頂替效率基本知識,（二）流態(tài)：流體在管內流動的形態(tài)3、紊流：液體質點作不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態(tài)叫做紊流。（當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，稱為紊流）。,區(qū)別：層流時流體無縱向運動；紊流時流體有縱向運動。一般判定用雷諾數(shù)。小于2000為層流;20004000過渡流;大于4000紊流。,一、頂替效率基本知識,（二）流態(tài)：流體在管內流動的形態(tài)。4、過渡流：增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；,一、頂替效率

4、基本知識,（三）雷諾數(shù)：雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個無量綱量。記作Re。雷諾數(shù)的定義式為：式中、分別為液體的密度、動力粘滯系數(shù)、運動粘滯系數(shù)；、L為流動的特征速度和特征長度。雷諾數(shù)小時,粘性效應在整個流場中起主要作用,流動為層流。雷諾數(shù)大時，紊動混摻起決定作用，流動為紊流。,：,一、頂替效率基本知識,（三）雷諾數(shù)：雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質點間的粘性力占主要地位，流體各質點平行于管路內壁有規(guī)則地流動，呈層流狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下，流體的運動規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管道內流體的平均流速與最大流速max的比值也是不同

5、的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動特性。,：,目錄,二、影響水泥漿頂替效率主要因素1、返速（流態(tài)）2、井身質量3、套管偏心4、鉆井液性能5、前置液設計6、水泥漿性能7、封固段長度8、固井施工,一、影響頂替效率主要因素,（一）返速（流態(tài)）對固井質量影響頂替的最佳流態(tài)是紊流，其次是塞流。由于井眼和施工條件的限制，現(xiàn)場不得不采用層流頂替。采用雷諾數(shù)來判斷流體流態(tài)，臨界雷諾數(shù)是隨流體的流變性能而變化的。根據(jù)流變模式確定臨界流速，常用賓漢模式和冪律模式。1、頂替鉆井液流態(tài)要求塞流要求：VVcpg(平均流速小于等于塞流臨界流速）紊流要求：VVc(平均流速大于臨界流速）或NReNRec(雷諾數(shù)大于臨界

6、雷諾數(shù)）,一、影響頂替效率主要因素,（一）返速（流態(tài)）對固井質量影響2、頂替水泥漿流態(tài)要求水泥漿也和鉆井液一樣是非牛頓流體（流變性復雜、含有固體顆粒），適用賓漢和冪律模式。在井內條件許可的情況下，降低鉆井液和水泥漿的粘度，以便在中等排量下就能達到紊流。3、紊流比塞流的優(yōu)點：紊流具有徑向分速，能產生阻力和牽引力，從而加大了從井內替走滯留鉆井液的可能性，減少了鉆井液對水泥漿的污染，也提高了水泥漿與地層的膠結性能。,一、影響頂替效率主要因素,（二）井身質量對頂替效率的影響主要：1、井徑擴大率；2、井徑變化率；3、井眼軌跡。,二、影響頂替效率主要因素,1、井徑擴大率是提高頂替效率的關鍵井徑擴大率越大，

7、替速就難以達到紊流，井徑擴大率越小，環(huán)空間隙就越小，水泥環(huán)越薄，強度就越差。統(tǒng)計：井徑擴大率在8%15%之間的井，固井優(yōu)質率較高；井徑擴大率超過15%時，井徑擴大率越大，優(yōu)質率越低。當井徑擴大率小于8%時，固井優(yōu)質率仍然較低。,井眼對頂替效率的影響,二、影響頂替效率主要因素,2、井徑變化率：指相鄰井段內井徑變化程度大小的物理量井徑變化率越大，井壁存有大肚子井眼（或糖葫蘆井眼），頂替過程中大井眼滯留的鉆井液或泥餅很難替凈，水泥漿與地層無法膠結，固井質量就很難保證；在頂替過程中，排量的非均勻性，即使這此滯留死泥漿被驅替出去，也容易造成混漿現(xiàn)象。,二、影響頂替效率主要因素,3、井眼軌跡井眼軌跡就是包

8、含井深、井斜角和井斜方位角等參數(shù)的空間曲線，也就是一口井的實鉆軸線井斜角和方位角是隨井深變化的。用井斜變化率、井斜方位變化率反映隨井深變化的程度。井眼曲率即全角變化率，即單位長度狗腿角的大小。狗腿角越大，井眼方向變化越快，井眼彎曲越厲害，套管難以居中，固井質量就難以保證。,二、影響頂替效率主要因素,（三）套管偏心套管在井眼環(huán)空截面偏向井壁一側或距一側井壁較近。寬間隙流動阻力較小，流速較高；窄間隙流動阻力較大，頂替界面靠后，并且隨著偏心度的增大這種現(xiàn)象越明顯，從而頂替效率變得更差。,偏心度對頂替效率影響的關系曲線,二、影響頂替效率主要因素,（四）鉆井液性能1、稠度系數(shù)對頂替效率的影響稠度系數(shù)是：

9、反映介質的稀稠程度，即反映介質的可泵性和直觀流動性。鉆井液稠度系數(shù)增加，雷諾數(shù)減小，粘滯應力增加，流速剖面變得尖銳，頂替效率降低。,實驗得知：當稠度系數(shù)在0.10.3Pa.sn之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而減少；在0.36Pa.sn之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而保持不變。,二、影響頂替效率主要因素,（四）鉆井液性能2、流性指數(shù)對頂替效率的影響流性指數(shù)反映了介質內部結構力的大小。在0.10.5之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增大而增大；而流性指數(shù)在0.50.9之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增加而基本保持不變。,二、影響頂替效率主要因素,（四）鉆井液性能3、塑性粘度對頂替效率的影響塑性粘度反應流

10、體在流動時，固體顆粒、液相間及顆粒與液相間內摩擦力的大小。在0.010.05Pa.s之間時，頂替效率隨著塑性粘度的增加而降低。,二、影響頂替效率主要因素,（四）鉆井液性能4、動切力對頂替效率的影響動切力是指流體在流動時，需要克服的動態(tài)結構力。在24Pa之間時，頂替效率隨著動切力的增大而增大；在642Pa時，頂替效率隨著動切力增大而保持不變。,二、影響頂替效率主要因素,（五）前置液性能1、概念：鉆井液與水泥漿接觸污染將危及施工安全并影響固井質量，在水泥漿之前，注入一種液體，將水泥漿和鉆井液隔開，這種液體稱為前置液。包括：沖洗液和隔離液。2、作用：隔開鉆井液和水泥漿，防止污染；相容性好，稀釋鉆井液

11、，降低鉆井液粘度和切力，提高頂替效率；沖洗井壁和套管壁，提高界面膠結強度；不使水泥漿變稠、絮凝、閃凝；具有一定懸浮力，防止沖蝕物堆積發(fā)生憋泵事故。,二、影響頂替效率主要因素,（五）前置液性能3、沖洗液：稀釋鉆井液，沖洗井壁和套管壁，提高鉆井液頂替效率和水泥環(huán)的界面膠結強度。具有較低的基漿密度；具有很低黏度；很低紊流臨界返速；一定活性。4、隔離液：隔開鉆井液和水泥漿，防止污染；不使水泥漿變稠、絮凝、閃凝；懸浮固相顆粒，可以加重，平衡環(huán)空液柱壓力。有紊流和塞流型。密度可調；懸浮性好；失水量控制要小；數(shù)量要足。,二、影響頂替效率主要因素,（六）水泥漿性能1、稠度系數(shù)對頂替效率的影響：當稠度系數(shù)在0.

12、10.6Pa.sn之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而增大；在0.65Pa.sn之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而保持不變。,水泥漿的稠度系數(shù)對頂替效率影響的關系曲線,二、影響頂替效率主要因素,（六）水泥漿性能2、流性指數(shù)對頂替效率的影響：在0.10.5之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增大而減??；在0.50.9之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增加而基本保持不變。,二、影響頂替效率主要因素,（六）水泥漿性能3、塑性粘度對頂替效率的影響在0.010.06Pa.s之間時，頂替效率隨著塑性粘度的增加而增大。,二、影響頂替效率主要因素,（六）水泥漿性能4、動切力對頂替效率的影響在18Pa之間時，頂替效率隨著動切力

13、的增大而增大；在852Pa時，頂替效率隨著動切力的增大而保持不變?？偟膩碚f，水泥漿的動切力對頂替效率影響不大。,二、影響頂替效率主要因素,（六）水泥漿性能5、密度差對頂替效率的影響水泥漿與鉆井液的密度差影響頂替效率。當水泥漿密度大于鉆井液密度時，鉆井液將受到水泥漿的浮力作用，特別是對于滯留的鉆井液，將有助于提高壁面的頂替效率；反之，密度差產生重力作用，將產生摻混或污染，阻礙有效頂替，亦即頂替效率降低。,二、影響頂替效率主要因素,實驗證明：1、增大水泥漿與鉆井液的密度差，頂替效率增加；2、增大鉆井液流性指數(shù)，減小水泥漿流性指數(shù)，頂替效率增加；3、增大水泥漿稠度系數(shù)，減小鉆井液稠度系數(shù)，頂替效率增

14、加；4、增大水泥漿動切力，減小鉆井液動切力，體積頂替效率和截面頂替效率都增加；5、增大水泥漿塑性粘度，減小鉆井液塑性粘度，體積頂替效率和截面頂替效率都增加；6、增大流量，頂替效率增加。,二、影響頂替效率主要因素,（七）封固段長度水泥封固段長度對環(huán)空頂替效率影響較大，封固段越長，水泥漿流經的井段越長，受到井眼擴大率和大肚子井眼、糖葫蘆井眼、頂替排量（返速）等因素影響，水泥漿與鉆井液摻混的長度越長。當套管偏心嚴重時，窄間隙嚴重滯后，竄槽嚴重，頂替效率更低。封固段越長，后期施工壓力升高，注替排量下降，頂替效率降低。封固段越長，由于前置液數(shù)量和性能的限制，發(fā)生摻混后失去沖刷和隔離作用，頂替效率降低，也

15、難以保證施工安全，更容易失重，難以保證封固質量。,二、影響頂替效率主要因素,（八）固井施工：固井施工是落實固井設計，提高頂替效率、保證固井質量的關鍵環(huán)節(jié)。固井施工是一次性工程，各種影響提高頂替效率的因素需要落實，比如：鉆井液性能、洗井排量與循環(huán)周、井筒凈化與異常情況；固井工藝流程及其銜接、設備配備及操作水平；前置液配制與性能、水泥漿密度與排量、漿體結構與數(shù)量、復雜情況與處理措施、頂替排量及返速等等。其中：1、循環(huán)排量關系到注替排量大小的確定；2、注替排量影響施工安全和水泥漿上返速度大小。3、復雜情況的處理（異常高壓或井漏等）影響到頂替效率。,二、影響頂替效率主要因素,（八）固井施工在一定條件下

16、，不可能讓每個因素都能達到最佳。一定程度，某一個因素可以抵消其它因素的作用。任何情況下最重要的因素是：套管扶正、活動套管和調整鉆井液性能。,1、注重井筒質量2、套管扶正，提高居中度3、活動套管4、優(yōu)選鉆井液體系和流變參數(shù)5、前置液設計6、水泥漿流變設計7、選擇提高頂替效率的工具附件8、選擇提高頂替效率的固井工藝9、固井關鍵環(huán)節(jié)的控制10、復合頂替技術,三、提高頂替效率技術,（一）注重井筒質量1、良好的井筒質量是提高水泥漿頂替效率的基礎，從鉆井開始就要優(yōu)選鉆井液體系，優(yōu)化鉆井液性能，合理選擇鉆井參數(shù)，保證良好的井身質量，合理的井徑變化率，避免井徑擴大率超標，避免出現(xiàn)“大肚子”、“糖葫蘆”井眼；避

17、免出現(xiàn)較大的“狗腿”具有平滑的井眼軌跡。2、下套管前通井時，要合理配置鉆具結構，調整好鉆井液性能，徹底清除井內巖屑和井壁虛泥餅，對縮徑井段應劃眼處理，確保下套管順暢和施工排量滿足頂替效率要求。,三、提高頂替效率技術,（一）注重井筒質量3、下套管過程要按照下套管作業(yè)規(guī)程操作，涂好螺紋密封脂，按規(guī)定扭矩上好螺紋；按工藝要求的特殊工具附件之外要定位安裝套管扶正器、螺旋發(fā)生器、刮泥器等附件，為活動套管、提高頂替效率做好準備。4、下完套管后，調整鉆井液性能，提高排量清除井內巖屑和下套管過程中刮落得泥餅；在保證井下安全的情況下按照流變學紊流要求，適當降低鉆井液粘度和切力，調整好鉆井液流型，為注替過程中提高

18、頂替效率提供良好的條件。,三、提高頂替效率技術,（二）套管扶正，提高居中度套管居中是實施一切提高頂替效率、保證固井質量措施的首要條件。即使是直井，不加扶正器套管在井內也不會居中。對于斜井、方位變化大、狗腿嚴重、大位移、水平井更難以居中。即使加放套管扶正器，環(huán)空也總存在寬窄間隙，很難形成均勻的水泥環(huán)。套管扶正器的作用就是盡可能地最大提高套管在井眼中的居中度。根據(jù)大量實驗證明：要保證良好的水泥封固質量，套管居中度不低于67%。套管扶正器很多種類，為提高頂替效率，選用旋流扶正器。,三、提高頂替效率技術,（二）套管扶正，提高居中度,模擬周向速度在出口端分布,三、提高頂替效率技術,（三）活動套管活動套管

19、是消除液體結構內應力，提高頂替效率的好辦法。通過上下活動和旋轉，破壞滯留帶鉆井液、拖曳窄間隙死漿；特別是裝有刮泥器并活動套管可以刮除虛泥餅、清除死漿帶，顯著改善大井徑部位的頂替效率，提高第二界面的水泥膠結質量。1、上下提放2、旋轉套管,三、提高頂替效率技術,（三）活動套管上下活動上下提放活動套管，可動態(tài)上改變環(huán)空寬、窄間隙處的流動狀況。1、可以消除鉆井液形成的膠凝結構。2、使滯留鉆井液處于剪切狀態(tài)，消除鉆井液滯留。,三、提高頂替效率技術,上下活動套管平板模型,（三）活動套管-旋轉套管（尾管）旋轉套管：當環(huán)空窄間隙處有滯留(或流動較慢)的鉆井液時,旋轉套管可依靠套管壁拖曳力將窄間隙的鉆井液帶入到

20、寬間隙處,從而被流動的水泥漿頂替走,提高頂替效率。,三、提高頂替效率技術,旋轉套管提高頂替效率原理,三、提高頂替效率技術,（四）優(yōu)選鉆井液體系和流變參數(shù)鉆井液體系和流變參數(shù)對于井身質量非常重要。性能不好，井壁坍塌嚴重，造成井徑擴大率超標、糖葫蘆井眼、較厚的虛泥餅等，不能保證水泥較好地膠結（特別是二界面質量）。不重視下套管后的性能調整，不系統(tǒng)的處理完鉆性能，往往造成套管下不到底、井壁跨塌、開泵困難、大量出砂、蹩泵事故，不僅不能提高頂替效率，固井質量也難以保證。按照流變學計算，在滿足鉆井施工要求條件下，選擇容易達到紊流的類型和流變參數(shù)。保證井身質量，滿足提高頂替效率的要求。,泥餅虛厚：油氣及高價離

21、子污染，流動性差，井壁沖洗不干凈；第一、二界面水泥膠結差。,虛泥餅影響固井第二界面膠結,三、提高頂替效率技術,（五）前置液設計1、與鉆井液和水泥漿相溶性要好。施工之前做好相溶性試驗，保證注替過程有良好的流動性。2、紊流頂替要考慮接觸時間。一般要求大于10分鐘。3、滿足提高頂替效率的要求。有效沖刷驅替界面油污、泥餅，具有一定的活性；要求前置液膠凝強度大于鉆井液而小于水泥漿；要有較低的臨界流速。4、滿足固井設計壓穩(wěn)的要求。密度、用量、高度和性能在設計時要考慮注替過程中壓穩(wěn)固井的需要。5、考慮地層的適應性。要考慮敏感、易漏、坍塌地層和界面特征，選擇類型和數(shù)量。,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變

22、設計水泥漿流變設計：合理確定水泥漿流變參數(shù)，準確計算摩阻和施工壓力，為科學調整水泥漿配方和選擇適應的固井方案提供依據(jù)。設計不合理將導致頂替效率第，施工泵壓高給固井質量和施工安全帶來隱患。水泥漿流變設計包括：流變模式選擇、流變參數(shù)計算、頂替流態(tài)設計。1、測量旋轉粘度計六轉讀數(shù)，計算剪切速率和剪切應力；2、流變模式選擇：根據(jù)計算公式計算的系數(shù)，判別模式。,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計水泥漿流變設計：3、流變方程：a賓漢模式流變方程：水泥漿塑性粘度計算：b冪律模式流變方程：水泥漿稠度系數(shù)計算公式：,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計水泥漿流變設計：4、水泥漿流變性設計：水泥漿返

23、速和流變性能應滿足以下公式賓漢流體：冪律流體：,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計頂替流態(tài)設計：根據(jù)雷諾數(shù)判別流態(tài)。臨界流速計算：賓漢流體：1、塞流臨界流速。管內：環(huán)空：2、紊流臨界流速。管內：環(huán)空：,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計頂替流態(tài)設計：根據(jù)雷諾數(shù)判別流態(tài)。冪律流體1、紊流臨界雷諾數(shù)計算公式：NRec=3470-1370n2、確定臨界流速:,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計流動摩阻壓降計算：賓漢流體1、平均流速計算：管內：V=40Q/Di2環(huán)空：V=40Q/（Dw2-De2）2、雷諾數(shù)計算：塞流與層流：管內：NRe=10DiV/(+0Di/600v)環(huán)空：

24、NRe=10(Dw-De)V/(+0（Dw-De）/800v)紊流：管內：NRe=10DiV/環(huán)空：NRe=10(Dw-De)V/3、范寧摩阻系數(shù)計算：紊流：=0.057/NRe0.2塞流與層流管內：=16/NRe環(huán)空：=24NRe,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計流動摩阻壓降計算：冪律流體1、平均流速計算：管內：V=40Q/Di2環(huán)空：V=40Q/（Dw2-De2）2、雷諾數(shù)計算：管內：NRe=8*103V2-nDin/800nK(3n+1)/4n)n)環(huán)空：NRe=12*103V2-n(Dw-De)n/1200nK(2n+1)/3n)n3、范寧摩阻系數(shù)計算：塞流與層流管內：=16

25、/NRe環(huán)空：=24NRe紊流：=a/Nreba=(lgn+2.5)/50b=(1.4-lgn)/7,三、提高頂替效率技術,（六）水泥漿流變設計流動摩阻壓降計算：賓漢（冪律）流體流動摩阻計算：管內：P=0.2fLv2/Di環(huán)空：P=0.2fLv2/（Dw-De）最終頂替井口泵壓計算：泵壓等于環(huán)空與管內靜液壓力差和沿程流動摩阻壓降之和公式：Pp=(Pha-Php)+(Pfa+Pfp)其中：Pha-環(huán)空靜液壓力，MpaPhp-管內靜液壓力，MpaPfa-管內流動摩阻壓降，MPaPfp-環(huán)空流動摩阻壓降，MPa,三、提高頂替效率技術,（七）選擇提高頂替效率的工具附件1、旋流扶正器（螺旋扶正器、導流片

26、扶正器）2、旋流發(fā)生器3、液壓扶正器4、泥餅刷（刮泥器）5、套管居中器6、井下振動發(fā)生器（脈沖、渦輪、機械、水力）,三、提高頂替效率技術,（八）選擇提高頂替效率的固井工藝1、分級固井：長封固段、高壓井、漏失井、水平井、多套壓力層系固井、復雜條件完井。2、尾管固井及其回接：深井、高壓井、長封固段井、復雜井況固井。3、旋轉（套管）尾管工藝：深井、窄間隙固井、高壓井。4、內插固井工藝：適用大內徑套管固井。5、振動固井工藝：一般適用常規(guī)淺井。,三、提高頂替效率技術,振動固井：在洗井、注水泥、頂替和候凝過程中,采用機械振動、液壓或脈沖、水力沖擊等手段,產生振動和水力沖擊波作用于套管、鉆井液和固井液來提高固井質量的一項技術。振動波破壞顆粒間以及