深井固井变排量减轻U型管效应理论研究

深井固井过程中U型管效应的存在,使得流体的返出排量不等于注入排量,特别是当水泥浆返出套管鞋一定体积后,环空返速显著降低,从而严重影响了顶替效率.为了减轻U型管效应的影响,提出了一套变排量顶替技术设计方案,通过与固定排量顶替时相比,真空段存在时间缩短13.8%,U型管效应期间的最低环空返速提高15.73%,整体顶替效率提高了5%左右,从而为深井注水泥设计提供了参考依据.     

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.     

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。     

侧钻小井眼固井顶替效率数值模拟

保证小井眼固井质量的关键是如何用固井液把环空中的钻井液及井壁泥饼顶替干净。小井眼本身井况的复杂性（如井眼不规则、套管偏心）、顶替液与被顶替液的流体性质以及固井施工参数都是影响小井眼固井顶替效率的主要因素,因此需要开展相关研究,以认识各因素对固井质量的影响规律,并对固井参数进行优化。本文首先基于计算流体力学相关理论与方法,建立了侧钻小井眼固井顶替数值模型,分析了固井顶替过程中顶替液与被顶替液之间的两相界面变化特征,揭示了小井眼固井的顶替机理;其次,基于小井眼固井顶替数值模型,模拟了幂律流体在小井眼固井顶替过程中顶替界面的发展过程,得到了顶替界面长度与顶替效率随顶替时间的变化规律。根据数值模拟结果分析了顶替液与被顶替液流性指数与稠度系数、顶替液与被顶替液之间的密度差、套管偏心度和固井顶替排量对顶替界面长度与顶替效率的影响规律。研究结果指导了长庆苏里格气田首口侧钻水平井固井施工成功。     

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。     

提高注水泥质量的综合因素

分析现场固井实例说明,提高固井质量是一项系统工程,围绕水泥浆特性、浆体压力平衡、流态、井身质量、套管居中及水泥浆与泥浆流变性能等方面,拟定固井工艺措施,是提高水泥浆顶替效率,防止水泥浆窜槽,保证水泥石密封质量的较好方法。文中还对水泥石的的声幅测井及变密度测井进行了对比和分析,初步得出了声幅值的变化幅度与两个交界面的质量并不完全吻合。     

MTC技术钻井液研究

MTC技术是把钻井液转化成水泥浆用来固井,可改善水泥环的层间封隔能力、提高环空内泥浆的顶替效率、降低固井成本、减轻废弃钻井液对环境的污染,且能提高固井质量,是现阶段固井的前沿技术,具有较强的实用性和广泛的推广使用价值。     

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。     

宾汉非牛顿稠油微观驱替特征

利用加入毛管力修正项的Ｂｕｋｌｅｙ－Ｌｅｖｅｒｅｔｔｅ偏微分方程，对水驱宾汉型稠油进行了数值求解，并研究了毛管力和重力对水驱宾汉稠油的影响．结果表明，含水饱和度和驱替效率不仅与相对渗透率有关．还要受到稠油内在的宾汉非牛顿特征的影响．毛管力在水驱宾汉稠油低速渗流时对驱替的影响较为显著，其影响程度与稠油的非牛顿性有关．在油田开发实践中，水驱稠油低速渗流时．要充分考虑和利用毛管力进行驱油．     

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。     

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。     

内管轴向运动对环空内宾汉流体流动规律的影响

为了分析内管的运动对宾汉流体在环空内流动规律的影响，将宾汉流体的本构方程和运动方程相结合，利用因次分析的方法，得到了宾汉流体在内管作轴向运动时环空内的速度分布。在此基础上分析和讨论了内管运动对宾汉流体在环空内流动时的柱塞尺寸、速度分布、平均速度、柱塞速度、摩擦系数和流量等的影响。结果表明，内管的运动对柱塞大小没有影响，但会影响到柱塞位置，同时内管的运动速度和方向将改变环空的平均速度、柱塞速度、摩擦系数及流量，并使内侧速梯区的速度分布曲线产生移位。     

内管轴向运动对环空内宾汉流体流动规律的影响

为了分析内管的运动对宾汉流体在环空内流动规律的影响,将宾汉流体的本构方程和运动方程相结合,利用因次分析的方法,得到了宾汉流体在内管作轴向运动时环空内的速度分布。在此基础上分析和讨论了内管运动对宾汉流体在环空内流动时的柱塞尺寸、速度分布、平均速度、柱塞速度、摩擦系数和流量等的影响。结果表明,内管的运动对柱塞大小没有影响,但会影响到柱塞位置,同时内管的运动速度和方向将改变环空的平均速度、柱塞速度、摩擦系数及流量,并使内侧速梯区的速度分布曲线产生移位。     

固井注水泥时确定流体准确位置的方法研究

流体的位置直接影响着循环摩阻、静液柱压力等参数计算,因此准确的预测注入井筒内流体的位置是十分重要的.固井注水泥施工过程中,由于管串组合、井身结构以及施工排量等的变化都会影响流体在井内的位置.针对注水泥施工过程中流体流动特点和井内体积组成等对注水泥作业的影响进行系统研究.采用分段式体积计算方法较为精确的确定注入井筒内各段体积流体的种类、位置,能更好的预测井内动压力的变化情况,更加准确地计算注水泥施工动态参数,对提高固井质量,确保施工过程的安全具有重要的现实意义.