提高顶替效率技术.

吴波提高水泥浆顶替效率技术二○一四年十二月概述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（如防止窜槽、降低水泥石渗透率、提高水泥石强度和韧性等）。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、套管居中度、水泥浆性能、钻井液性能、浆体结构设计、施工参数、接触时间等多方面因素的影响。其提高顶替效率的措施除了加入扶正器、活动套管、使用泥饼刷等实用技术外，还进行了利用壁面剪应力提高水泥浆顶替效率方面的理论研究。目录一、顶替效率基本知识二、影响水泥浆顶替效率主要因素三、提高水泥浆顶替效率技术措施一、顶替效率基本知识（一）顶替效率：水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度。1、体积顶替效率：环形空间封固段水泥浆体积与环形空间体积之比。2、截面顶替效率：环空截面水泥浆面积与环空截面面积之比。（体积顶替效率不能反映截面窜槽情况）一、顶替效率基本知识（二）流态：流体在管内流动的形态。管内的流态可按照雷诺数的大小划分为层流、塞流、紊流还有两个过度流态。1、塞流：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。一、顶替效率基本知识（二）流态：流体在管内流动的形态2、层流：层流是流体的一种流动状态。流体分层流动，互不混杂,液体质点的运动轨迹是直线或是有规则的平滑曲线。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。塞流过渡层流过渡紊流一、顶替效率基本知识（二）流态：流体在管内流动的形态3、紊流：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。（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：层流时流体无纵向运动；紊流时流体有纵向运动。一般判定用雷诺数。小于2000为层流;2000~4000过渡流;大于4000紊流。一、顶替效率基本知识（二）流态：流体在管内流动的形态。4、过渡流：增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；一、顶替效率基本知识（三）雷诺数：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Re。雷诺数的定义式为：式中ρ、μ、υ分别为液体的密度、动力粘滞系数、运动粘滞系数；υ、L为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大时，紊动混掺起决定作用，流动为紊流。：一、顶替效率基本知识（三）雷诺数：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，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υ与最大流速υmax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。：目录二、影响水泥浆顶替效率主要因素1、返速（流态）2、井身质量3、套管偏心4、钻井液性能5、前置液设计6、水泥浆性能7、封固段长度8、固井施工一、影响顶替效率主要因素（一）返速（流态）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，临界雷诺数是随流体的流变性能而变化的。根据流变模式确定临界流速，常用宾汉模式和幂律模式。1、顶替钻井液流态要求塞流要求：V≤Vcpg(平均流速小于等于塞流临界流速）紊流要求：V≥Vc(平均流速大于临界流速）或NRe≥NRec(雷诺数大于临界雷诺数）一、影响顶替效率主要因素（一）返速（流态）对固井质量影响2、顶替水泥浆流态要求水泥浆也和钻井液一样是非牛顿流体（流变性复杂、含有固体颗粒），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粘度，以便在中等排量下就能达到紊流。3、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。一、影响顶替效率主要因素（二）井身质量对顶替效率的影响主要：1、井径扩大率；2、井径变化率；3、井眼轨迹。二、影响顶替效率主要因素1、井径扩大率是提高顶替效率的关键井径扩大率越大，替速就难以达到紊流，井径扩大率越小，环空间隙就越小，水泥环越薄，强度就越差。统计：井径扩大率在8%~15%之间的井，固井优质率较高；井径扩大率超过15%时，井径扩大率越大，优质率越低。当井径扩大率小于8%时，固井优质率仍然较低。井眼对顶替效率的影响二、影响顶替效率主要因素2、井径变化率：指相邻井段内井径变化程度大小的物理量井径变化率越大，井壁存有大肚子井眼（或糖葫芦井眼），顶替过程中大井眼滞留的钻井液或泥饼很难替净，水泥浆与地层无法胶结，固井质量就很难保证；在顶替过程中，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。二、影响顶替效率主要因素3、井眼轨迹井眼轨迹就是包含井深、井斜角和井斜方位角等参数的空间曲线，也就是一口井的实钻轴线井斜角和方位角是随井深变化的。用井斜变化率、井斜方位变化率反映随井深变化的程度。井眼曲率即全角变化率，即单位长度狗腿角的大小。狗腿角越大，井眼方向变化越快，井眼弯曲越厉害，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（三）套管偏心套管在井眼环空截面偏向井壁一侧或距一侧井壁较近。宽间隙流动阻力较小，流速较高；窄间隙流动阻力较大，顶替界面靠后，并且随着偏心度的增大这种现象越明显，从而顶替效率变得更差。86878889909192930.10.20.30.40.50.60.7偏心度顶替效率(%)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（四）钻井液性能1、稠度系数对顶替效率的影响稠度系数是：反映介质的稀稠程度，即反映介质的可泵性和直观流动性。钻井液稠度系数增加，雷诺数减小，粘滞应力增加，流速剖面变得尖锐，顶替效率降低。8283848586878889909100.10.20.30.40.50.60.70.80.91钻井液的稠度系数(Pa·sn)顶替效率(%)实验得知：当稠度系数在0.1~0.3Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而减少；在0.3~6Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而保持不变。二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能2、流性指数对顶替效率的影响流性指数反映了介质内部结构力的大小。在0.1~0.5之间时，顶替效率随着流性指数的增大而增大；而流性指数在0.5~0.9之间时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变。747576777879808182838400.10.20.30.40.50.60.70.80.91钻井液的流性指数顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能3、塑性粘度对顶替效率的影响塑性粘度反应流体在流动时，固体颗粒、液相间及颗粒与液相间内摩擦力的大小。在0.01~0.05Pa.s之间时，顶替效率随着塑性粘度的增加而降低。707274767880828486889000.010.020.030.040.050.06钻井液的塑性粘度(Pa·s)顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素（四）钻井液性能4、动切力对顶替效率的影响动切力是指流体在流动时，需要克服的动态结构力。在2~4Pa之间时，顶替效率随着动切力的增大而增大；在6~42Pa时，顶替效率随着动切力增大而保持不变。86878889909192939402468101214钻井液的动切力(Pa)顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素（五）前置液性能1、概念：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，将水泥浆和钻井液隔开，这种液体称为前置液。包括：冲洗液和隔离液。2、作用：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。二、影响顶替效率主要因素（五）前置液性能3、冲洗液：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。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。4、隔离液：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，平衡环空液柱压力。有紊流和塞流型。密度可调；悬浮性好；失水量控制要小；数量要足。二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能1、稠度系数对顶替效率的影响：当稠度系数在0.1~0.6Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而增大；在0.6~5Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而保持不变。757677787980818283840123456水泥浆的稠度系数(Pa·sn)顶替效率(%)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（六）水泥浆性能2、流性指数对顶替效率的影响：在0.1~0.5之间时，顶替效率随着流性指数的增大而减小；在0.5~0.9之间时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变。828486889092949600.10.20.30.40.50.60.70.80.91水泥浆的流性指数顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能3、塑性粘度对顶替效率的影响在0.01~0.06Pa.s之间时，顶替效率随着塑性粘度的增加而增大。8787.187.287.387.487.587.687.700.010.020.030.040.050.060.07水泥浆的塑性粘度(Pa·s)顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能4、动切力对顶替效率的影响在1~8Pa之间时，顶替效率随着动切力的增大而增大；在8~52Pa时，顶替效率随着动切力的增大而保持不变。总的来说，水泥浆的动切力对顶替效率影响不大。87.0887.08587.0987.09587.187.10587.1187.11587.1202468101214水泥浆的动切力(Pa)顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素（六）水泥浆性能5、密度差对顶替效率的影响水泥浆与钻井液的密度差影响顶替效率。当水泥浆密度大于钻井液密度时，钻井液将受到水泥浆的浮力作用，特别是对于滞留的钻井液，将有助于提高壁面的顶替效率；反之，密度差产生重力作用，将产生掺混或污染，阻碍有效顶替，亦即顶替效率降低。808182838485868788020040060080010001200密度差(kg/m3)顶替效率(%)二、影响顶替效率主要因素实验证明：1、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，顶替效率增加；4、增大水泥浆动切力，减小钻井液动切力，体积顶替效率和截面顶替效率都增加；5、增大水泥浆塑性粘度，减小钻井液塑性粘度，体积顶替效率和截面顶替效率都增加；6、增大流量，顶替效率增加。二、影响顶替效率主要因素（七）封固段长度水泥封固段长度对环空顶替效率影响较大，封固段越长，水泥浆流经的井段越长，受到井眼扩大率和大肚子井眼、糖葫芦井眼、顶替排量（返速）等因素影响，水泥浆与钻井液掺混的长度越长。当套管偏心严重时，窄间隙严重滞后，窜槽严重，顶替效率更低。封固段越长，后期施工压力升高，注替排量下降，顶替效率降低。封固段越长，由于前置液数量和性能的限制，发生掺混后失去冲刷和隔离作用，顶替效率降低，也难以保证施工安全，更容易失重，难以保证封固质量。二、影响顶替效率主要因素（八）固井施工：固井施工是落实固井设计，提高顶替效率、保证固井质量的关键环节。固井施工是一次性工程，各种影响提高顶替效率的因素需要落实，比如：钻井液性能、洗井排量与循环周、井筒净化与异常情况；固井工艺流程及其衔接、设备配备及操作水平；前置液配制与性能、水泥浆密度与排量、浆体结构与数量、复杂情况与处理措施、顶替排量及返速等等。其中：1、循环排量关系