提高顶替效率技术

1、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

2、,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

3、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,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;20004000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

4、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、分别为液体的密度、动力粘滞系数、运动粘滞系数；、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与最大流速max的比值也是不同的。因此雷诺

5、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：VVcpg (平均流速小于等于塞流临界流速） 紊流要求：VVc (平均流速大于临界流速） 或 NRe NRe

6、c (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

7、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

8、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,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

9、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,实验得知：当稠度系数在0.10.3Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而减少；在0.36Pa.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0.10.5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0.50.9之间时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变,二、影响顶替效率主要因素,四）钻井液性能 3、塑性粘

10、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0.010.05Pa.s之间时，顶替效率随着塑性粘度的增加而降低,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24Pa之间时，顶替效率随着动切力的增大而增大；在642Pa时，顶替效率随着动切力增大而保持不变,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

11、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

12、数对顶替效率的影响：当稠度系数在0.10.6Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而增大；在0.65Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而保持不变,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0.10.5之间时，顶替效率随着流性指数的增大而减小；在0.50.9之间时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变,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0.010.06Pa.s之间时，顶替效率随着塑性粘度的增加而增大,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

13、18Pa之间时，顶替效率随着动切力的增大而增大；在852Pa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,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,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

14、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，

15、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、循环排量关系到注替排量大小的确定；2、注替排量影响施工安全和水泥浆上返速度大小。3、复杂情况的处理（异常高压或井漏等）影响到顶替效率,二、影响

16、顶替效率主要因素,八）固井施工 在一定条件下，不可能让每个因素都能达到最佳。一定程度，某一个因素可以抵消其它因素的作用。任何情况下最重要的因素是：套管扶正、活动套管和调整钻井液性能,1、注重井筒质量 2、套管扶正，提高居中度 3、活动套管 4、优选钻井液体系和流变参数 5、前置液设计 6、水泥浆流变设计 7、选择提高顶替效率的工具附件 8、选择提高顶替效率的固井工艺 9、固井关键环节的控制 10、复合顶替技术,三、提高顶替效率技术,一）注重井筒质量 1、良好的井筒质量是提高水泥浆顶替效率的基础，从钻井开始就要优选钻井液体系，优化钻井液性能，合理选择钻井参数，保证良好的井身质量，合理的井径变化率

17、，避免井径扩大率超标，避免出现“大肚子”、“糖葫芦”井眼；避免出现较大的“狗腿”具有平滑的井眼轨迹。 2、下套管前通井时，要合理配置钻具结构，调整好钻井液性能，彻底清除井内岩屑和井壁虚泥饼，对缩径井段应划眼处理，确保下套管顺畅和施工排量满足顶替效率要求,三、提高顶替效率技术,一）注重井筒质量 3、下套管过程要按照下套管作业规程操作，涂好螺纹密封脂，按规定扭矩上好螺纹；按工艺要求的特殊工具附件之外要定位安装套管扶正器、螺旋发生器、刮泥器等附件，为活动套管、提高顶替效率做好准备。 4、下完套管后，调整钻井液性能，提高排量清除井内岩屑和下套管过程中刮落得泥饼；在保证井下安全的情况下按照流变学紊流要求

18、，适当降低钻井液粘度和切力，调整好钻井液流型，为注替过程中提高顶替效率提供良好的条件,三、提高顶替效率技术,二）套管扶正，提高居中度 套管居中是实施一切提高顶替效率、保证固井质量措施的首要条件。即使是直井，不加扶正器套管在井内也不会居中。对于斜井、方位变化大、狗腿严重、大位移、水平井更难以居中。即使加放套管扶正器，环空也总存在宽窄间隙，很难形成均匀的水泥环。套管扶正器的作用就是尽可能地最大提高套管在井眼中的居中度。根据大量实验证明：要保证良好的水泥封固质量，套管居中度不低于67%。套管扶正器很多种类，为提高顶替效率，选用旋流扶正器,三、提高顶替效率技术,二）套管扶正，提高居中度,模拟周向速度在

19、出口端分布,三、提高顶替效率技术,三）活动套管 活动套管是消除液体结构内应力，提高顶替效率的好办法。通过上下活动和旋转，破坏滞留带钻井液、拖曳窄间隙死浆；特别是装有刮泥器并活动套管可以刮除虚泥饼、清除死浆带，显著改善大井径部位的顶替效率，提高第二界面的水泥胶结质量。 1、上下提放 2、旋转套管,三、提高顶替效率技术,三）活动套管上下活动 上下提放活动套管，可动态上改变环空宽、窄间隙处的流动状况。 1、可以消除钻井液形成的胶凝结构。 2、使滞留钻井液处于剪切状态，消除钻井液滞留,三、提高顶替效率技术,上下活动套管平板模型,三）活动套管-旋转套管（尾管） 旋转套管：当环空窄间隙处有滞留(或流动较慢

20、)的钻井液时,旋转套管可依靠套管壁拖曳力将窄间隙的钻井液带入到宽间隙处,从而被流动的水泥浆顶替走,提高顶替效率,三、提高顶替效率技术,旋转套管提高顶替效率原理,三、提高顶替效率技术,四）优选钻井液体系和流变参数 钻井液体系和流变参数对于井身质量非常重要。性能不好，井壁坍塌严重，造成井径扩大率超标、糖葫芦井眼、较厚的虚泥饼等，不能保证水泥较好地胶结（特别是二界面质量）。不重视下套管后的性能调整，不系统的处理完钻性能，往往造成套管下不到底、井壁跨塌、开泵困难、大量出砂、蹩泵事故，不仅不能提高顶替效率，固井质量也难以保证。 按照流变学计算，在满足钻井施工要求条件下，选择容易达到紊流的类型和流变参数。

21、保证井身质量，满足提高顶替效率的要求,泥饼虚厚：油气及高价离子污染，流动性差，井壁冲洗不干净；第一、二界面水泥胶结差,虚泥饼影响固井第二界面胶结,三、提高顶替效率技术,五）前置液设计 1、与钻井液和水泥浆相溶性要好。施工之前做好相溶性试验，保证注替过程有良好的流动性。 2、紊流顶替要考虑接触时间。一般要求大于10分钟。 3、满足提高顶替效率的要求。有效冲刷驱替界面油污、泥饼，具有一定的活性；要求前置液胶凝强度大于钻井液而小于水泥浆；要有较低的临界流速。 4、满足固井设计压稳的要求。密度、用量、高度和性能在设计时要考虑注替过程中压稳固井的需要。 5、考虑地层的适应性。要考虑敏感、易漏、坍塌地层和

22、界面特征，选择类型和数量,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计：合理确定水泥浆流变参数，准确计算摩阻和施工压力，为科学调整水泥浆配方和选择适应的固井方案提供依据。设计不合理将导致顶替效率第，施工泵压高给固井质量和施工安全带来隐患。水泥浆流变设计包括：流变模式选择、流变参数计算、顶替流态设计。 1、测量旋转粘度计六转读数，计算剪切速率和剪切应力； 2、流变模式选择：根据计算公式计算的系数，判别模式,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计： 3、流变方程：a 宾汉模式流变方程： 水泥浆塑性粘度计算： b 幂律模式流变方程： 水泥浆稠度系数计算公式,三、提高顶替

23、效率技术,六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计： 4、水泥浆流变性设计：水泥浆返速和流变性能应满足以下公式 宾汉流体： 幂律流体,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。 临界流速计算： 宾汉流体：1、塞流临界流速。管内： 环空： 2、紊流临界流速。管内： 环空,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。 幂律流体 1、紊流临界雷诺数计算公式：NRec=3470-1370n 2、确定临界流速,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算： 宾汉流体 1、平均流速计算：管内：V=40Q/Di2 环空：V=40Q/（

24、Dw2- De2） 2、雷诺数计算： 塞流与层流：管内：NRe=10DiV/(+0Di/600v) 环空：NRe=10(Dw-De)V/(+0（Dw-De）/800v) 紊流： 管内：NRe=10DiV/环空：NRe=10(Dw-De)V/ 3、范宁摩阻系数计算： 紊流：=0.057/ NRe0.2 塞流与层流 管内：=16/ NRe 环空：=24 NRe,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算： 幂律流体 1、平均流速计算：管内：V=40Q/Di2 环空：V=40Q/（Dw2- De2） 2、雷诺数计算： 管内：NRe=8*103V2-nDin/800nK(3n+1)/4

25、n)n) 环空：NRe=12*103V2-n(Dw-De)n/1200nK(2n+1)/3n)n 3、范宁摩阻系数计算： 塞流与层流 管内：=16/ NRe 环空：=24 NRe 紊流：=a/ Nreb a=(lgn+2.5)/50 b=(1.4-lgn)/7,三、提高顶替效率技术,六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算： 宾汉（幂律）流体流动摩阻计算： 管内：P=0.2fLv2/ Di 环空：P=0.2fLv2/（Dw- De） 最终顶替井口泵压计算： 泵压等于环空与管内静液压力差和沿程流动摩阻压降之和 公式：Pp=(Pha-Php)+(Pfa+Pfp) 其中：Pha-环空静液压力，Mpa P

26、hp-管内静液压力，Mpa Pfa-管内流动摩阻压降，MPa Pfp-环空流动摩阻压降，MPa,三、提高顶替效率技术,七）选择提高顶替效率的工具附件 1、旋流扶正器（螺旋扶正器、导流片扶正器） 2、旋流发生器 3、液压扶正器 4、泥饼刷（刮泥器） 5、套管居中器 6、井下振动发生器（脉冲、涡轮、机械、水力,三、提高顶替效率技术,八）选择提高顶替效率的固井工艺 1、分级固井：长封固段、高压井、漏失井、水平井、多套压力层系固井、复杂条件完井。 2、尾管固井及其回接：深井、高压井、长封固段井、复杂井况固井。 3、旋转（套管）尾管工艺：深井、窄间隙固井、高压井。 4、内插固井工艺：适用大内径套管固井。 5、振动固井工艺：一般适用常规浅井,三、提高顶替效率技术,振动固井：在洗井、注水泥、顶替和候凝过程中, 采用机械振动、液压或脉冲、水力冲击等手段, 产生振动和水力冲击波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一项技术。振动波破坏