影響固井注水泥頂替效率的主要問題及其研究進展

在油氣井固井施工中，提高注水泥頂替效率是保證固井質量的關鍵。注水泥頂替效率低的3個原因如下：1）在井眼內，套管嚴重偏心，加之注水泥頂替動力不足，造成環空窄間隙處的鉆井液不能被替走。水泥固化后，部分環空不能被水泥石封固，易成為層間竄流通道。2）環空壁面上形成了鉆井液滯留層，導致水泥固化后壁面存在微裂縫，降低水泥石對套管和井壁的膠結強度，成為層間封隔失效的隱患。3）由于注水泥頂替界面失穩，水泥漿受到污染，改變了水泥漿性能，影響了水泥石的強度和滲透率特征，如果頂替界面進一步失穩，有可能導致環空鉆井液竄槽。因此，通過分析影響注水泥頂替效率的主要原因，對其影響作用分別開展系統的機理研究，進而綜合考慮，從而為提高水泥漿頂替效率、改善固井質量提供依據。

1 套管偏心度

套管偏心在井眼中是非常普遍的現象，尤其是在大斜度井和水平井中。偏心度e是衡量套管居中程度的常用參數。偏心環空各間隙寬度h是周向角準的函數（見圖1）。

式中：ε為偏心距，cm；R為井眼半徑，cm；r為套管外半徑，cm。

環空內，流體流動阻力與環空間隙呈負相關關系。采用流體力學的方法，從推導的牛頓流體環空速度分布方程可以看出：當偏心度為60%時，環空寬窄間隙處的流體速度之比達到16，雷諾數之比達到64。具有屈服特性的非牛頓流體（如鉆井液），有可能停滯在環空最窄間隙處而不能被替出。

為保證固井質量和后續油氣安全生產，要求位于偏心環空最窄間隙處的鉆井液也能夠流動而被替凈。研究表明，當套管偏心度達到某一臨界值后，無論如何調整流體性能，環空窄間隙處的鉆井液也不能被替走，頂替效果都很差。實踐表明，在水平井內，若套管偏心度大于33%，環空窄間隙處的鉆井液則難以被驅替。Wilson等通過室內實驗發現，水平井內套管偏心度不應大于40%。陳家瑯等通過受力分析估算出偏心環空鉆井液能被驅替時的極限最窄間隙，但認為水泥漿和鉆井液的接觸面為規則的圓弧，得出的結果實用性差，沒有得到現場實際應用?？傊?，目前關于偏心環空極限偏心度的研究成果多來自現場經驗總結和實驗結論，缺少具體的計算方法。

環空窄間隙鉆井液能被驅替時的套管極限偏心度，與井斜角、水泥漿與鉆井液的密度差、流速以及水泥漿和鉆井液的屈服應力等因素有關。但目前有關標準只是簡單地規定“套管許可偏心距取值為環空間隙的1/3”，作為套管扶正器安裝間距的原則。采用該標準進行扶正器設計而不考慮工程實際，可能導致扶正器安裝數量不足，難以實現對套管偏心度的控制。

2 環空壁面上鉆井液滯留層

在鉆井結束后，井眼環空內充滿鉆井液。在任意某環空間隙，注水泥頂替從其中間部分開始，逐漸向兩壁面（井壁、套管壁）擴展。若頂替動力與阻力達到力學平衡，水泥漿對鉆井液的驅替范圍逐漸穩定，部分鉆井液就會滯留下來形成滯留層。鉆井過程中，在井壁和套管外壁上也會形成一層致密的鉆井液濾餅，但濾餅不在筆者所指的鉆井液滯留層范圍內（見圖2）。

減小和消除井壁和套管壁上的鉆井液滯留層，是防止水泥固化后壁面出現微裂縫、保證固井質量的關鍵。Beirute等提出壁面切應力是鉆井液滯留層的主要拖曳力，分析了2塊平板間切應力的分布特征；鄧建民只是針對低速塞流直井注水泥頂替的情況，從水泥漿頂替鉆井液受力角度出發，分析了頂替后鉆井液零滯留的條件；馮福平等借助力學平衡條件，計算接觸界面在環空間隙內達到穩定后的位置，卻未考慮兩相流體在接觸界面上的應力耦合。

通過上述分析可得，對鉆井液滯留層的研究主要解決以下三方面的問題：1）分析鉆井液滯留層的形成條件；2）確定滯留層厚度的計算方法；3）探索防止產生鉆井液滯留層的定量關系。但目前關于鉆井液滯留層的研究尚未出現全面細致的定量分析結果，是今后注水泥頂替機理理論研究的一個重要方面。

3 注水泥頂替界面穩定性

水泥漿頂替鉆井液或前置液時，頂替界面一般有穩態、失穩和鉆井液竄槽3種形態。保持注水泥頂替界面穩態，可減小頂替界面在環空的延伸長度，減少鉆井液與水泥漿混摻，避免鉆井液滯留，提高頂替效率。頂替界面形態是多種因素共同作用的結果，目前仍難以實現井眼狀況、流體性能參數和頂替流態對其影響的綜合分析。注水泥頂替界面穩定性機理的研究目的是根據井眼環空的現場實際情況，通過調整鉆井液和水泥漿的性能參數以及設計合理的頂替排量，追求穩態的頂替界面。

3.1 研究方法

目前，關于注水泥頂替界面穩定性機理的研究方法主要有：1）借助相似原理模擬實際井眼環空，采用水泥漿與鉆井液或它們的相似液進行實驗研究，觀察頂替界面；2）借助流體力學軟件（如Fluent），建立環空幾何模型，數值模擬兩相流體之間的頂替界面；3）借助流體力學基本原理或從流體受力角度出發，對固井頂替界面特征進行理論研究。

但是，無論實驗方法還是數值模擬方法，均無法得到各因素對頂替界面影響的綜合作用。對于如何優化流體的流變參數，主要是一些定性的建議，缺少量化的計算方法。此外，在實驗研究中，從長度和環空間隙比值角度考慮，實驗裝置難以做到與實際井眼環空真正的幾何相似，而且按照動力學相似原理要求，所有量綱為1的參數需要與相應的現場數值相匹配，達到這種要求難度很大。軟件數值模擬是注水泥頂替研究的新方法，可直觀得到頂替界面，卻難以實現在全井尺寸上的模擬頂替過程，并且建立的幾何模型比較簡單，不能與真實的井眼條件相符合。

借助流體力學基本原理或從流體受力角度出發理論研究注水泥頂替，可以分析不同因素間的相互作用以及對頂替界面的綜合作用，有利于獲得定量的研究結論，有助于進行注水泥頂替參數的合理調整。因此，研究注水泥頂替機理時，應以理論分析為主，實驗方法和數值模擬方法進行輔助。目前，注水泥頂替界面穩定性的理論研究成果適用范圍有限，考慮因素較少，急需進一步完善適用于不同井斜角的偏心環空中兩相非牛頓流體之間的頂替界面理論模型。

3.2 理論模型

兩相流體間的頂替理論建立在單相流體環空運動規律的基礎之上，且已存在相當數量的關于牛頓流體或非牛頓流體環空運動規律的理論成果。但是，這些研究通常只考慮流體在環空軸線方向上的流動，將流體流動方程簡化為一維方程，然后結合定解條件，對環空速度分布、壓降梯度等進行推導。在此基礎上，考察兩相流體在界面處的速度和應力耦合條件，進一步對注水泥頂替進行分析。該理論的基礎點在于認為環空內的頂替是只發生在環空軸線方向的“一維頂替”。從流體受力角度考慮，在直井或井斜角較小的井眼環空內，流體重力主要分布在井眼軸向方向上，因此適用“一維頂替”理論。而在大斜度井和水平井內，由于重力或密度差影響，流體存在環空周向方向上的流動，周向速度對頂替界面形態的影響作用不能忽略，因此“一維頂替”的理論不符合大斜度井或水平井內的注水泥頂替實際情況。

利用Hele-Shaw模型，Bittleston等對大斜度井內的注水泥層流頂替機理進行了研究。Hele-Shaw模型是一個二維流動模型，研究間隙很小的2塊無窮大平板之間流體的流動特征。從幾何尺寸上考慮，將環空按周向角展開，偏心環空可看作由一系列間隙隨周向角變化的2塊平板組成，環空軸向、周向長度遠遠大于環空間隙寬度。另外，在大斜度井或水平井內，流體的環空徑向速度與軸向速度和周向速度相比，可以忽略。因此，從環空尺寸特征和環空內流體速度特征分析，Hele-Shaw模型非常適合處理大斜度井和水平井環空內的流場問題。為描述注水泥頂替界面，Bittleston等以Hele-Shaw模型為基礎，分析環空內的流函數分布，借助平流擴散方程，用某相流體在混漿段的濃度等值線或界面運動方程來表征頂替界面。

目前，以Hele-Shaw模型為基礎的固井頂替界面理論研究，是關于該課題的最新發展方向，初步實現了規則井眼偏心環空中頂替界面整體形態的預測。利用Hele-Shaw模型，可進一步開展非規則井眼、偏心度與井斜角沿井眼變化、套管旋轉等情況的頂替界面形態預測。國內注水泥頂替界面的理論研究仍以考慮“一維頂替”為主，而借助Hele-Shaw模型進行頂替界面預測并以此優化固井設計的研究剛剛起步。針對固井實際井眼條件與施工工況，開展更加細致的注水泥頂替界面研究，為固井設計提供參考和依據，也是注水泥頂替機理研究的重要內容。

4 研究方向

目前，固井頂替設計的主要依據仍然以現場施工經驗和室內實驗的定性結論為主。關于注水泥頂替機理，在整體上仍缺乏系統的理論研究（尤其是在大斜度井和水平井中）。因此，筆者提出相應的后續研究方向，以為進一步的研究提供參考。1）通過確定套管極限偏心度與流體性能參數、井眼環空條件、流速、井斜角等因素之間的定量關系，建立偏心環空極限偏心度模型。2）建立環空壁面上鉆井液滯留層厚度的計算模型，確定無滯留層形成時流體性能參數之間滿足的定量關系。3）針對固井實際井眼條件與施工工況，借助Hele-Shaw模型開展注水泥頂替界面研究，探索保持頂替界面穩態的定量條件。

利用極限偏心度模型，合理設計扶正器的類型和安放間距，避免由扶正器設計不足或過多造成的下套管偏心嚴重或下套管阻力過大問題，保證套管偏心度在允許的范圍內，做好固井施工前的下套管工作。根據環空壁面上不形成鉆井液滯留層的定量關系，合理調整流體性能參數；在此基礎上，結合井斜角、井眼環空條件和套管偏心真實情況，進一步調整流體性能參數，保證注水泥頂替界面的穩態。二者結合，從而為固井注水泥頂替設計提供理論上的參考與依據。

版權聲明 | 來源：《斷塊油氣田》；作者：李建新等；版權歸原作者所有。

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