正密度差对水平井偏心环空顶替影响规律研究

在地层压力许可的条件下,固井顶替流体之间的密度差可以提高水平井顶替效率。本文基于计算流体相关理论与方法,建立水平井偏心环空浆体顶替模型,数值模拟正密度差对水平井顶替的影响规律。数值实验结果表明：正密度差顶替条件下,重力作用使宽边高密度流体在顶替界面附近向下方低速的窄边流动,提高了窄边的流量,克服了水平井偏心度的影响,提高了窄边的顶替效率;重力作用超过宽窄边效应的影响,形成分层的顶替界面,顶替界面长度随顶替时间增加而增长,但增长的越来越缓慢,有利于提高水平井的顶替效率;顶替界面长度随密度差增大而增大,适当降低顶替流体与被顶替流体之间的正密度差,有利于减小顶替界面长度提高顶替效率。以上研究结果揭示了正密度差顶替克服水平井偏心度影响提高水平井顶替效率的机理与规律,对提高水平井固井顶替效率具有理论指导意义。     

前置液流变性对顶替界面稳定性影响的数值模拟

借助计算流体力学(CFD)软件FLUENT6.20,对环空井筒内水泥浆顶替过程进行了数值模拟,模拟环空井筒外径0.24 m、内径0.18 m、高8 m.在顶替速度为0.4 m/s、偏心度为0.4的条件下,计算得到了顶替界面形状以及前置液流变参数屈服应力、稠度系数和流性指数对顶替界面稳定性及顶替效率的影响规律,并对数值模拟结果进行了实验验证.数值模拟结果表明,降低前置液的屈服应力、稠度系数及流性指数有助于提高水泥浆和前置液之间界面的稳定性和顶替效率.固井设计时要考虑界面的稳定性,对前置液流变参数进行调整.     

前置液流变性对顶替界面稳定性影响的数值模拟

借助计算流体力学（CFD）软件FLUENT6．20，对环空井筒内水泥浆顶替过程进行了数值模拟，模拟环空井筒外径0．24m、内径0．18m、高8m。在顶替速度为0．4m／s、偏心度为0.4的条件下，计算得到了顶替界面形状以及前置液流变参数屈服应力、稠度系数和流性指数对顶替界面稳定性及顶替效率的影响规律，并对数值模拟结果进行了实验验证。数值模拟结果表明，降低前置液的屈服应力、稠度系数及流性指数有助于提高水泥浆和前置液之间界面的稳定性和顶替效率。固井设计时要考虑界面的稳定性，对前置液流变参数进行调整。     

密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究

水平封固段的固井顶替效果是影响水平井固井质量的关键问题,居中度和密度差是影响水平段固井顶替效果的重要参数。本文基于国家超级计算中心天河一号大规模集群计算平台,采用Fluent软件对300 m长水平段偏心环空进行1 000 s的隔离液顶替界面的数值模拟实验,研究居中度和密度差对隔离液与钻井液顶替界面的影响规律。研究结果表明,在扶正器扶正条件和密度差设计许可时,尽量提高水平段套管居中度与密度差,可以达到理想顶替效果与固井质量。当井眼条件差、扶正器下入困难时,采用大密度差的浆体设计,可以大幅改善偏心环空窄边钻井液滞留,提高隔离液顶替效率与固井质量。当钻井条件限制无法采用合理的密度差设计时,提高水平段扶正器的扶正效果,可以大幅改善偏心环空窄边钻井液滞留,提高隔离液顶替效率与固井质量。本文研究结论对固井顶替施工具有重要理论与实践指导意义。     

大位移井旋转套管固井顶替模拟分析

旋转套管固井可以改变顶替过程中流体的流场,增加周向的旋流和回流作用,更好地保障顶替界面稳定性,提高固井顶替效率。借助计算流体力学软件对大位移井旋转套管固井顶替进行数值模拟,并得到不同井斜角和井径扩大率条件下的最低套管旋转转速。结果表明:同一套管旋转速度,切向速度随着无量纲环空半径的增加而降低,随着井斜角的增加,截面旋流数在不同位置处各异,但总体趋于减小,套管旋转固井顶替效率明显改善,井斜角越大,改善效果越好;偏心度越大,环空同一位置处旋流数越大,窄间隙的旋流数明显高于宽间隙的旋流数,在偏心度大于0.4以后,顶替效率增加效果明显;环空截面同一位置处,井径扩大率越大,其产生的旋流数越大,旋流程度增强,有利于水泥浆固井顶替;采用旋转套管固井能有效改善复杂井眼条件下大位移井固井顶替质量和顶替效率。     

水平井偏心环空低速顶替运移机制研究

水平井固井顶替过程中,受限于现场设备,难以实现紊流顶替,而在层流流速区间内,两相流体在偏心环空中运移机制复杂。基于计算流体动力学方法,建立几何模型和数值模型,采用流体体积法对两相流体顶替界面进行追踪,研究了不同顶替流速下水平井偏心环空流体运移机制。结果表明,（1）低偏心度下,1倍隔离液用量能够实现90%顶替效率,而当偏心度大于0.5时,顶替效率相对较低,即使增加隔离液用量,也未能提高顶替效率;（2）针对套管严重偏心情况,将流速由1.0 m/s降低到0.2 m/s,有助于界面平稳发展,并多置换出6.8%钻井液,解决窄边滞留,宽边指进问题;（3）水平井偏心环空固井注替过程存在偏心效应、重力效应、黏滞效应等多方面影响,这些因素相互制约、相互作用,因此,针对现场实际井况,合理设计固井工艺参数,不仅能提高固井质量,还能起到降本增效的作用。     

大位移井套管屈曲固井顶替影响分析

应用流体动力学理论,对大位移井套管屈曲固井顶替影响规律进行了模拟分析.计算结果表明:随着井斜角的增加,顶替效率趋于减小,螺旋屈曲的顶替效率整体低于正弦屈曲;顶替效率随着顶替速度的增加而增大最终达到紊流顶替趋于稳定;套管旋转,增加了水泥浆的切向流速,带动了局部滞留在井底的水泥浆,顶替效率增加;提出了大位移套管屈曲提高固井顶替效率方法.     

小井眼局部反循环及工具的研制应用

通过对中原油田近几年大修作业井的分析统计,随着油气水井年限的延长,套管损坏井逐渐增多出现了不同类型套管损坏类型,严重威胁着油田的正常生产。但是随着技术的发展,套管补贴、小井眼侧钻、修套下4"套管等工艺技术推广应用,使一批老井恢复了正常使用,施工作业过程中处理卡钻事故时,由于受井眼、工具外径的限制,经常出现卡钻事故,甚至使井下事故进一步复杂。该工具避免了卡钻事故,解决小井眼井段在套磨铣工艺中易卡钻的难题。     

井下叶栅偏心块质量优化技术研究

井下叶栅转动使得套管串产生偏心公转振动,套管偏心公转改变了井内环空流体的运动状态,使井内流体产生周向流动实现紊流顶替,改善了窄边顶替效率和固井质量。建立了偏心叶栅作用下井下套管串偏心公转振幅计算模型,分析了不同公转振幅条件下环空流体的旋流速度,在此基础上根据偏心块质量与套管公转振幅之间的关系,对不同井深处实现环空紊流顶替的偏心块质量进行了优化,从而为不同井深处井下偏心叶栅结构的优化设计提供必要的依据。     

注水泥固井顶替的极限偏心度计算

固井水泥浆顶替钻井液时,当套管偏心达到某一临界值后,注水泥顶替效率很难得到改善.为确定这一偏心度临界值,在环空间隙内水泥浆顶替钻井液速度分布的基础上,参考水泥浆开始顶替各间隙处钻井液时的压力梯度条件,建立了偏心环空极限最窄间隙以及极限偏心度模型;给出了偏心环空窄间隙处钻井液零滞留时,水泥浆与钻井液性能参数之间所满足的定量关系.对模型分析并揭示了如下规律:井斜角愈大,偏心环空所允许的极限偏心度愈小;提高水泥浆的屈服应力,降低钻井液的屈服应力,增加钻井液与水泥浆的密度差可以使允许的极限偏心度更大.偏心环空极限最窄间隙以及极限偏心度模型,可根据环空套管偏心实际情况,为水泥浆和钻井液调整性能参数提供理论依据;也可用于指导大斜度井和水平井下套管时扶正器的安放设计.     

顶替速度对粘砂套管水泥环胶结强度影响研究

套管粘砂增加了管壁的粗糙度,造成部分钻井液滞留在砂粒间无法顶替,降低了水泥浆的顶替效率和粘砂套管的胶结强度。通过分析幂律水泥浆在套管-井壁环空中轴向紊流流场,计算粘砂套管水泥浆的顶替效率,并在此基础上建立考虑钻井液滞留的粘砂套管胶结强度计算模型。研究结果表明:随着水泥浆顶替速度增大,粘砂套管顶替效率逐渐增大,顶替速度为2.9m/s时,粘砂套管胶结强度达到最大值;粘砂套管破坏位置主要发生在胶结剂-砂粒界面,砂粒粒径4～6mm和6～8mm粘砂套管的胶结强度分别为1.509MPa和2.480MPa。     

水泥浆胶凝期间套管柱受力和形变规律

套管柱注水泥结束后 ,由于水化热的作用使水泥浆在胶凝过程中产生升温现象 ,并随之失重。温度、压力的共同作用会使套管柱发生很大的形变。随着水泥的固化 ,这种形变也会被固结在水泥封固段内 ,影响其使用性能。在调研大量资料的基础上 ,利用数值计算方法得到了水泥胶凝过程中温度变化的动态数据。对某油田实测数据进行了统计分析 ,得出了水泥浆失重时的压力计算公式。根据有限元理论 ,推导出套管段长度与温度、压力、水泥及套管表面剪切应力之间的关系式。在此基础上 ,计算得到了水泥浆胶凝过程中套管的动态变化。     

断层滑移条件下页岩气井套管变形影响因素分析

目前,中国四川盆地页岩气区水平井多级压裂过程中的套管变形问题日益突出,导致桥塞无法顺利下入,丢段现象突出,严重影响页岩气的高效开发.研究表明,断层滑移剪切套管是造成套管变形失效的主要因素之一,而断层滑移对套管变形量的影响规律有待进一步理清.为研究上述问题,建立了断层界面滑移下的井筒变形数值模型,分析了断层滑移条件下套管变形量及相关影响因素.结果表明:地层滑移量与套管变形量间基本呈线性正关系;断层夹角即滑移界面与井筒的夹角对套管变形量影响明显,当夹角为90°时套管变形量最大;低弹性模量水泥环对套管的保护更为有利;通过优选与井眼相配合的套管尺寸有利于缓解套管变形问题.断层滑移条件下套管变形量的计算模型对于中国页岩气井套管变形问题的缓解可以奠定理论基础.     

套管扶正器间距计算

套管居中是提高固井质量的必要前提和重要条件。本文对斜直、弯曲和变方位弯曲三种井眼条件下装有扶正器的套管柱进行了力学分析,精确考虑了静水压力的作用,研究了套管自身弯曲和套管扶正器受压缩二种变形。用最小势能原理,推导出上述三种情况下套管偏心距的计算式及套管扶正器间距的计算式。     

页岩气钻水平井段岩屑床破坏及岩屑运移机理研究

针对页岩气开采成本高,以及清水钻井在垂直井段具有成本低和机械钻速快的优点,且页岩气清水钻井岩屑运移规律尚认识不清。基于流体力学基本控制方程和湍流输运方程,建立了三维井眼环空岩屑运移模型。使用全隐式多网格耦合求解技术进行数值计算。利用该模型开展清水钻水平井段岩屑运移可行性研究,以及钻井液排量、岩屑床高度、岩屑粒径、清水黏度和钻柱转速对岩屑运移规律的影响研究。研究表明,在水平井段清水钻井液携岩是可行的,数值计算结果对比,得出钻井液排量、岩屑床高度和岩屑粒径是影响清水携岩能力的敏感参数。建议钻井过程岩屑床厚度不要超过井眼直径的10%,岩屑颗粒直径为5 mm左右,根据钻井需要选用合适的钻井液排量、钻井液黏度和钻柱转速。清水钻井岩屑运移机理研究可为页岩气安全高效开采提供技术支撑,同时将加快页岩气工程的开发进程。     

钻井液润湿性对固井Ⅰ、Ⅱ界面胶结质量的影响

利用自行设计的HmP岩心滤失简易装置,近似模拟井下条件形成泥拼,并考察不清洗、清洗、清除并清洗3种情况下岩心与水泥装的剪切胶结强度;同时,用金属棒模拟套管进行相应实验。研究表明:钻井液润湿性对固井I、Ⅱ界面胶结强度的影响非常大,与水基钻井液相比,油基钻井液形成的界面胶结强度降低了近15%。因此,在设计前里液时合理使用润湿反转别很有必要。