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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

高密度钻井液条件下的顶替效率

顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素,提高注水泥的顶替效率能有效驱替钻井液、清除钻井液虚泥饼,从而提高水泥胶结质量和水泥环密封性能。是防止油、气、水窜的前提。随着开采工艺的发展,对固井顶替效率提出了更高的要求：影响顶替效率的因素复杂多变,本文针对影响顶替效率几大重点因素展开深入研究,结合大庆油田近几年来使用越来越多的高密度钻井液引起的固井顶替效率低的实际,通过对现场的实测数据进行综合分析,为大庆油田高密度钻井液井的固井施工设计及提高顶替效率措施提供依据。     

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。     

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。     

深水井精细控压下套管研究

深水窄压力窗口地层给下套管带来了巨大挑战,下套管时产生的波动压力将导致井筒压力超过压力窗口上限而出现井漏,大大增加了作业时间,采用传统方法下套管时为了防止波动压力过大而超过安全压力窗口只能降低下套管速度,这样虽然在一定程度上减小漏失风险但增大了作业成本,且这种方式不一定有效。因此,针对深水窄安全压力窗口地层下套管漏失风险问题,基于动态波动压力建立了深水窄安全压力窗口井筒压力控制模型;并在此基础上提出深水精细控压下套管方法。利用建立的模型分析井筒压力影响因素发现,井筒压力随着套管下入深度、最大下入速度、钻井液密度以及钻井液的屈服值、黏度的增大而增大。计算表明,深水精细控压下套管不但降低了漏失风险,还缩短了作业时间,降低了作业成本。     

一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解

为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises应力的影响.研究结果表明:...     

温-压耦合作用下水泥环参数对套管应力影响

套管应力的准确计算是保证井筒完整性的重要基础;但现有理论直接将地应力加载到模型中,计算所得的位移场包含了地层在原始构造应力下所产生的位移;而此位移并非是钻开井眼后所产生的,这样就会对套管应力的计算产生影响。在原有模型基础之上,消除了原始构造应力所产生的位移,建立井筒组合体温-压耦合模型。根据弹性理论,由界面应力、位移连续性条件,推导了组合体在温度和压力共同作用下的应力解析解。研究了水泥环弹性模量、泊松比和厚度对套管应力的影响规律。结果表明,对于低弹性模量的地层,现有模型的套管应力计算值远远高;对于高弹性模量地层会低。对于不同水泥环泊松比,现有模型计算值低。水泥环厚度较小时,现有模型计算值偏高;较大时则偏低。由此可见现有模型存在一定的差异,尤其是对于低弹性模量地层,需要对现有模型进行修正,才能为水泥环参数设计提供正确的理论指导。     

分支井筒稳定的塑性力学模型及分析

针对分支井钻进过程中普遍存在的井壁稳定问题,建立考虑地层、水泥环、套管和支井井筒的分支井稳定性分析三维弹塑性有限元模型。模型中将水泥环、地层和套管分别视为不同的塑性材料,同时通过建立应力各向异性地层中模型转换方法,消除不同支井方位之间的模型误差。通过弹塑性有限元模拟研究支井方位对分支井稳定性的影响。结果表明:方位角小于15°时,地层与水泥环最大等效应力位于主井筒上,有利于分支井井眼稳定;方位角为75°时,等效应力最大值位于分支井井壁上,不利于井壁稳定;从套管侧窗变形的角度来看,分支井方位应尽量靠近水平最大地应力方向;当支井方位角大于30°时,主井眼水泥环的破坏可引起支井钻进问题;在分支井井身结构设计中,采用较小方位角,同时避免采用50°~80°的分支井方位角,以保证水泥环-地层-套管-井筒系统的稳定性和安全性。     

基于含可信度地层压力剖面的精细井身结构设计方法

对现有深井井身结构设计中安全密度窗口约束条件进行分析,发现井涌允量、破裂压力安全系数、抽吸压力系数等经验性安全系数的取值较为保守,且没有考虑循环钻进时防漏的约束条件,这对深井尤其是下部安全密度窗口窄的井钻井不利。通过引入含可信度的地层压力剖面以及附加钻井液密度和抽吸压力的计算分析,使安全密度窗口的上下限得以精确确定,在此基础上加入考虑环空压耗当量密度的约束条件,并给出迭代计算方法,解决了环空压耗计算中需要井身结构参数的难题,避免了深井循环钻进过程中的井漏问题,进而形成了一套基于含可信度地层压力剖面的、适用于深井的精细井身结构设计方法,可以有效避免深井中由于钻井液密度设计不合理导致的井下复杂事故的发生,且其设计结果具备一定的风险控制功能,有利于结合现场实际对设计进行风险控制。     

基于分步有限元法的多级压裂过程中套管应力敏感性分析

目前中国四川地区页岩气开发大多采用大排量分段压裂工艺技术,部分页岩气井在施工过程中出现套管变形的现象,导致后续施工改造无法顺利进行,严重影响了页岩气井的正常生产。因此准确了解压裂过程中套管应力的变化规律具有重要意义。区别于传统模型,基于分步有限元方法,考虑了钻井、完井、压裂整个施工过程,构建了页岩各向异性下套管-水泥环-地层组合体有限元分析模型,模拟多级压裂过程中组合体应力以及温度场随时间的变化特征。分析了两种模型下注液温度、套管内压、地应力变化、地层孔隙压力变化、水泥环弹性模量以及地层弹性模量等因素对套管受力状态的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,采用传统模型会低估套管应力的增大程度;(2)大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致套管应力明显升高;(3)地应力分均匀性以及孔隙压力的增大会导致套管应力有所增加;(4)页岩各向异性对套管应力的影响较小,其中地层性质的下降会导致套管损坏的几率增加。因此在今后的页岩气压裂改造过程中,有必要采用分步有限元模型,综合考虑这些影响因素,合理优化相关的压裂作业参数,从而确保后续压裂完井作业的正常进行。     

水平井泡沫携砾石充填数值模拟

在进行疏松砂岩水平井砾石充填完井过程中,以往均采用牛顿流体作为携砂液。泡沫流体作为非牛顿流体,比牛顿流体具有更好的携带性能,并且具有低滤失性。针对水平井砾石充填作业发生提前堵塞和携砂液进入地层问题,借鉴水平管流的固液两相流动机制,建立水平井泡沫携砾石充填两层数学模型,并且对泡沫在水平井中流动的摩阻系数进行讨论。对偏心率、砾石直径、砾石密度及泡沫干度对砾石充填效果的影响进行计算分析,并以充填效率、砂床高度及综合评价指标表征充填效果。结果表明:随偏心率增大,充填评价指标趋于增加,但增加的幅度较小;随砾石直径、砾石密度及泡沫干度的增加,充填指标趋于降低;泡沫作为携砂液进行砾石充填比牛顿流体具有更好的充填效果。     

基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价

油气井工作液密度降低或油气开采必将导致井筒内压降低,使水泥环一界面受到拉伸作用,造成水泥环与套管发生剥离,从而产生微环隙。过去由于没有拉伸胶结强度测量装置和方法,在进行水泥环封隔完整性研究和设计时,均采用水泥环一界面的剪切胶结强度或者水力胶结强度,导致在水泥浆体系优选和封隔完整性设计时存在不足。为此,根据水泥环工作时的受力过程,研制了水泥环一界面拉伸胶结强度测试装置并提出了相应的测量方法,基于该装置进行了水泥浆体系优选及一界面封隔完整性评价。通过对比水泥环一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度,发现前者约是后者的0.37～0.45,采用剪切胶结强度进行水泥浆体系优选或封隔完整性评价可能导致水泥环一界面封隔失效。实验发现,在高压养护条件下胶乳水泥浆体系一界面拉伸胶结强度大于膨胀增韧水泥浆体系和自愈合水泥浆体系一界面拉伸胶结强度。将水泥环一界面拉伸胶结强度作为油气井固井水泥浆实验设计、评价水泥环封隔完整性的重要依据之一,更能保证油气井安全生产运行。     

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.     

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。