提高顶替效率技术

1、概概 述述 影响水泥环封固质量的首要因素是提高顶替效率，没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性能、浆体结构设计、施工参数、接触时

2、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。提高水泥浆顶替效率方面的理论研究。 目目 录录 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 二、影响水泥浆顶替效率二、影响水泥浆顶替效率主要因素主要因素 三、提高水泥浆顶替效率三、提高水泥浆顶替效率技术措施技术措施 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （一）顶替效率：（一）顶替效率：水泥浆在环形空间顶替水泥浆在环形空间顶替 钻井液的程度。钻

3、井液的程度。 1 1、体积体积顶替效率：环形空间封固段水泥浆体顶替效率：环形空间封固段水泥浆体 积与环形空间体积之比。积与环形空间体积之比。 2 2、截面截面顶替效率：环空截面水泥浆面积与环顶替效率：环空截面水泥浆面积与环 空截面面积之比。空截面面积之比。（体积顶替效率不能反映截（体积顶替效率不能反映截 面窜槽情况）面窜槽情况） 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态。管内的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。流还有两个过度流态。 1 1、塞流：塞

4、流：在流体力学中，塞流是管道中流体流动在流体力学中，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。常数，在管道内壁附近处没有边界层。 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态流体在管内流动的形态 2 2、层流、层流：层流是流体的一种流动状态。流体分层流动层流是流体的一种流动状态。流体分层流动 ，互不混杂，互不混杂,液体质点的运动轨迹是直线或是有规则的平液体质点的运动轨迹

5、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。滑曲线。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。 塞流塞流过渡过渡层流层流过渡过渡紊流紊流 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态流体在管内流动的形态 3 3、紊流、紊流：液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折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。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）。 区别区别：层流时流体无纵向运动；紊层流时流体无纵向运动；紊 流时流体有纵向运动。一般判定用流时流体有纵向运动。一

6、般判定用 雷诺数。小于雷诺数。小于2000为层为层 流流;20004000过渡流过渡流;大于大于4000紊流紊流。 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （二）流态：（二）流态：流体在管内流动的形态。流体在管内流动的形态。 4 4、过渡流、过渡流：增加流速，流体的流线开始出现波浪增加流速，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；加，此种流况称为过渡流； 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （三）雷诺数：（三）雷诺数：雷诺数是流体惯性力与黏性力雷诺数是流体惯性力与黏性力 比值的量度，它是一个无

7、量纲量。记作比值的量度，它是一个无量纲量。记作Re。雷诺。雷诺 数的定义式为：数的定义式为： 式中式中、分别为液体的密度、动力粘滞系数、运动粘滞系数；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。为流动的特征速度和特征长度。雷诺数小时雷诺数小时,粘性效应在整粘性效应在整 个流场中起主要作用个流场中起主要作用,流动为层流。雷诺数大时，流动为层流。雷诺数大时， 紊动混掺起决定作用，流动为紊流。紊动混掺起决定作用，流动为紊流。 ： 一、顶替效率一、顶替效率基本知识基本知识 （三）雷诺数：（三）雷诺数：雷诺数小，意味着流体流动时各雷诺数小，意味着流体流动时各 质点间的

8、粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内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，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道内流体的平均流速与最大流速与最大流速max的比值也是不同的的比值也是不同的 。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。 ： 目目 录录 二、影响水泥浆顶替效

9、率主要因素二、影响水泥浆顶替效率主要因素 1 1、返速（流态）、返速（流态） 2 2、井身质量、井身质量 3 3、套管偏心、套管偏心 4 4、钻井液性能、钻井液性能 5 5、前置液设计、前置液设计 6 6、水泥浆性能、水泥浆性能 7 7、封固段长度、封固段长度 8 8、固井施工、固井施工 一、影响顶替效率主要因素一、影响顶替效率主要因素 （一）返速（流态）（一）返速（流态）对固井质量影响对固井质量影响 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。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

10、态，临界雷诺数是随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。流体的流变性能而变化的。根据流变模式确定临界根据流变模式确定临界 流速，常用宾汉模式和幂律模式。流速，常用宾汉模式和幂律模式。 1 1、顶替钻井液流态要求、顶替钻井液流态要求 塞流要求：塞流要求：VVcpg VVcpg ( (平均流速小于等于塞流临界流速）平均流速小于等于塞流临界流速） 紊流要求：紊流要求：VVc VVc ( (平均流速大于临界流速）平均流速大于临界流速） 或或 NRe NRec ( (雷诺数大于临界雷诺数）雷诺数大于临界雷诺数） 一、影响顶替效率主要因素一、影响顶替效率主要因素 （一）返速（流

11、态）（一）返速（流态）对固井质量影响对固井质量影响 2 2、顶替水泥浆流态要求、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（水泥浆也和钻井液一样是非牛顿流体（流变性复杂、流变性复杂、 含有固体颗粒含有固体颗粒），适用宾汉和幂律模式。），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。粘度，以便在中等排量下就能达到紊流。 3 3、紊流比塞流的优点、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

12、，减少了钻井液对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。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一、影响顶替效率主要因素 （二）（二）井身井身质量质量 对对顶替效率顶替效率的影响主要的影响主要： 1、井径扩大率井径扩大率； 2、井径变化率井径变化率； 3、井眼轨迹。、井眼轨迹。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 1、井径扩大率是、井径扩大率是提高顶替效率提高顶替效率的的关键关键 井径扩大率井径扩大率越越大，替速就难以大，替速就难以达到紊流达到紊流，井径扩大率，井径扩大率 越小，环空间隙就越越

13、小，环空间隙就越小小，水泥环，水泥环越薄，越薄，强度就越差。强度就越差。 统计：统计：井径扩大率在井径扩大率在8%15%之间的井，固井优质率之间的井，固井优质率 较较高；井径扩大率超过高；井径扩大率超过15%时，井径扩大率越大，时，井径扩大率越大，优质率优质率 越低。当井径扩大率小于越低。当井径扩大率小于8%时，固井优质率仍然较低。时，固井优质率仍然较低。 井眼对顶替效率的影响井眼对顶替效率的影响 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 2、井径变化率、井径变化率 ：指相邻井段内井径指相邻井段内井径 变化程度大小的物理量变化程度大小的物理量 井径变化率越大，井壁井径变化率越大，井壁存

14、有存有大肚子井眼大肚子井眼 （或糖葫芦井眼）（或糖葫芦井眼），顶替过程中顶替过程中大井眼滞留大井眼滞留 的钻井液或泥饼很难替净，的钻井液或泥饼很难替净，水泥浆与地层无水泥浆与地层无 法胶结，法胶结，固井质量就很难保证固井质量就很难保证；在顶替过程在顶替过程 中，排量的非均匀性，即使这此滞留死泥浆中，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。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二、影响顶替效率主要因素 3、井眼轨迹井眼轨迹 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

15、线的空间曲线，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。化率，即单位长度狗腿角的大小。狗腿角越大，井眼方向狗腿角越大，井眼方向 变化越快，井眼弯曲越厉害，变化越快，井眼弯曲越厉害，套管难以居中，固井质量就套管难以居中，固井质量就 难以保证。难以保证。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （三）套管偏心（三）套管偏心 套管在井眼环空截面偏套管在井眼环空截面偏 向井壁一侧或距一侧

16、井壁较近。向井壁一侧或距一侧井壁较近。 宽间隙流动阻力较小，流速较宽间隙流动阻力较小，流速较 高；窄间隙流动阻力较大，顶高；窄间隙流动阻力较大，顶 替界面靠后，并且随着偏心度替界面靠后，并且随着偏心度 的增大这种现象越明显，从而的增大这种现象越明显，从而 顶替效率变得更差顶替效率变得更差。 偏心度对顶替效率影响的关系曲线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二、影响顶替效率主要因素 （四）钻井液性能（四）钻井液性能 1、稠度系数对顶替效、稠度系数对顶替效 率的影响率的影响 稠度系数是：反映介稠度系数是：反映介 质的稀稠程度，即反映介质的稀稠程度，即反映介 质的可泵性和直观流动

17、性。质的可泵性和直观流动性。 钻井液稠度系数增加，钻井液稠度系数增加， 雷诺数减小，粘滞应力增雷诺数减小，粘滞应力增 加，流速剖面变得尖锐，加，流速剖面变得尖锐， 顶替效率降低。顶替效率降低。 实验得知：实验得知：当稠度系数在当稠度系数在 0.10.3Pa.sn之间时，顶替效之间时，顶替效 率随稠度系数增加而减少率随稠度系数增加而减少； 在在0.36Pa.sn之间时，顶替之间时，顶替 效率随稠度系数增加而效率随稠度系数增加而保持保持 不变。不变。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （四）钻井液性能（四）钻井液性能 2、流性指数对顶替、流性指数对顶替 效率的影响效率的影响 流性指

18、数反映了介质内部流性指数反映了介质内部 结构力的大小。结构力的大小。 在在0.10.5之间时，顶替之间时，顶替 效率随着流性指数的增大而增效率随着流性指数的增大而增 大；而流性指数在大；而流性指数在0.50.9之间之间 时，顶替效率随着流性指数的时，顶替效率随着流性指数的 增加而基本保持不变。增加而基本保持不变。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （四）钻井液性能（四）钻井液性能 3、塑性粘度对顶、塑性粘度对顶 替效率的影响替效率的影响 塑性粘度反应流体在流塑性粘度反应流体在流 动时，固体颗粒、液相间动时，固体颗粒、液相间 及颗粒与液相间内摩擦力及颗粒与液相间内摩擦力 的大小。

19、的大小。 在在0.010.05Pa.s之间时，之间时， 顶替效率随着塑性粘度的顶替效率随着塑性粘度的 增加而降低。增加而降低。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （四）钻井液性能（四）钻井液性能 4、动切力对顶替效、动切力对顶替效 率的影响率的影响 动切力是指流体在流动动切力是指流体在流动 时，需要克服的动态结构力。时，需要克服的动态结构力。 在在24Pa之间时，顶替效之间时，顶替效 率随着动切力的增大而增大；率随着动切力的增大而增大； 在在642Pa时，顶替效率随着时，顶替效率随着 动切力增大而保持不变。动切力增大而保持不变。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素

20、 （五）前置液性能（五）前置液性能 1 1、概念：、概念：钻井液与水泥浆接触污染将危及施工安全并影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。井液隔开，这种液体称为前置液。包括：冲洗液和隔离液。包括：冲洗液和隔离液。 2 2、作用：、作用：隔开钻井液和水泥浆，防止污染；相容性好，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

21、泥浆变稠、絮凝井壁和套管壁，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。、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二、影响顶替效率主要因素 （五）前置液性能（五）前置液性能 3 3、冲洗液：、冲洗液：稀释钻井液，冲洗井壁和套管壁，提高钻稀释钻井液，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。井液顶替效率和水泥环的界面胶结强度。具有较低的基浆具有较低的基浆 密度；具有很低黏度；很低紊流临界返速；一定活性。密度；具有很低黏度；很低紊流临界返速；一定活性。 4 4、隔离液：、隔离液：隔开钻井液和水泥

22、浆，防止污染；不使水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。环空液柱压力。有紊流和塞流型。有紊流和塞流型。密度可调；悬浮性好；密度可调；悬浮性好； 失水量控制要小；数量要足。失水量控制要小；数量要足。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （六）水泥浆性能（六）水泥浆性能 1、稠度系数对顶替效率的影响：、稠度系数对顶替效率的影响：当稠度系数在当稠度系数在 0.10.6Pa.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而之间时，顶替效率随稠度系数增加而增大；增大； 在在0.65Pa

23、.sn之间时，顶替效率随稠度系数增加而之间时，顶替效率随稠度系数增加而保持保持 不变。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二、影响顶替效率主要因素 （六）水泥浆性能（六）水泥浆性能 2、流性指数对顶替效率的影响：、流性指数对顶替效率的影响：在在0.10.5之间时，之间时， 顶替效率随着流性指数的增大而减小；在顶替效率随着流性指数的增大而减小；在0.50.9之间之间 时，顶替效率随着流性指数的增加而基本保持不变。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二、影响顶替效率主要因素 （六）水泥浆性能（六）水泥浆性能 3、塑性粘度对、

24、塑性粘度对 顶替效率的影响顶替效率的影响 在在0.010.06Pa.s 之间时，顶替效率随之间时，顶替效率随 着塑性粘度的增加而着塑性粘度的增加而 增大增大。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （六）水泥浆性能（六）水泥浆性能 4、动切力对顶替效率、动切力对顶替效率 的影响的影响 在在18Pa之间时，顶替效之间时，顶替效 率随着动切力的增大而增大；率随着动切力的增大而增大； 在在852Pa时，顶替效率随着动时，顶替效率随着动 切力的增大而保持不变。总的切力的增大而保持不变。总的 来说，水泥浆的动切力对顶替来说，水泥浆的动切力对顶替 效率影响不大。效率影响不大。 二、影响顶替效率

25、主要因素二、影响顶替效率主要因素 （六）水泥浆性能（六）水泥浆性能 5、密度差对顶替效率的、密度差对顶替效率的 影响影响 水泥浆与钻井液的密度水泥浆与钻井液的密度 差影响顶替效率。当水泥浆密差影响顶替效率。当水泥浆密 度大于钻井液密度时，钻井液度大于钻井液密度时，钻井液 将受到水泥浆的浮力作用，特将受到水泥浆的浮力作用，特 别是对于滞留的钻井液，将有别是对于滞留的钻井液，将有 助于提高壁面的顶替效率；反助于提高壁面的顶替效率；反 之，密度差产生重力作用，将之，密度差产生重力作用，将 产生掺混或污染，阻碍有效顶产生掺混或污染，阻碍有效顶 替，亦即顶替效率降低。替，亦即顶替效率降低。 二、影响顶替

26、效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 实验证明：实验证明： 1、增大水泥浆与钻井液的密度差，顶替效率增加；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，顶增大钻井液流性指数，减小水泥浆流性指数，顶 替效率增加；替效率增加； 3、增大水泥浆稠度系数，减小钻井液稠度系数，顶增大水泥浆稠度系数，减小钻井液稠度系数，顶 替效率增加；替效率增加； 4、增大水泥浆动切力，减小钻井液动切力，增大水泥浆动切力，减小钻井液动切力，体积体积顶顶 替效率和替效率和截面截面顶替效率顶替效率都都增加；增加； 5、增大水泥浆塑性粘度，减小钻井液塑性粘度，增大水泥浆塑性粘度，减小钻

27、井液塑性粘度，体体 积积顶替效率和顶替效率和截面截面顶替效率顶替效率都都增加；增加； 6、增大流量，顶替效率增加。增大流量，顶替效率增加。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （七）封固段长度（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，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，水泥浆与钻井液掺混的长度越长。当套管偏心严

28、重时， 窄间隙严重滞后，窜槽严重，顶替效率更低。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，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。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二、影响顶替效率主要因素 （八）固井施工：（八）固井施工：固井施工是落实固井设计，提高顶替固井

29、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。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，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。等。其中

30、：其中： 1、循环排量关系到注替排量大小的确定；、循环排量关系到注替排量大小的确定；2、注替排量影响、注替排量影响 施工安全和水泥浆上返速度大小。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、复杂情况的处理（异常高压或井 漏等）影响到顶替效率。漏等）影响到顶替效率。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （八）固井施工（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。任何情况下程度，某一个因素可以抵消其它因素的作用。任何情况下最最 重要的因素是：重要的因素是：套

31、管扶正、活动套管和调整钻井液性能。套管扶正、活动套管和调整钻井液性能。 1 1、注重井筒质量、注重井筒质量 2 2、套管扶正，提高居中度、套管扶正，提高居中度 3 3、活动套管、活动套管 4 4、优选钻井液体系和流变参数、优选钻井液体系和流变参数 5 5、前置液设计、前置液设计 6 6、水泥浆流变设计、水泥浆流变设计 7 7、选择提高顶替效率的工具附件、选择提高顶替效率的工具附件 8 8、选择提高顶替效率的固井工艺、选择提高顶替效率的固井工艺 9 9、固井、固井关键环节的控制关键环节的控制 10 10、复合顶替技术、复合顶替技术 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （一）注重井筒质量（一

32、）注重井筒质量 1、良好的、良好的井筒质量井筒质量是提高水泥浆顶替效率的基础是提高水泥浆顶替效率的基础，从，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，钻井参数，保证良好的井身质量，合理的井径变化率，合理的井径变化率，避免避免 井径井径扩大率扩大率超标，避免出现超标，避免出现“大肚子大肚子”、“糖葫芦糖葫芦”井眼；井眼； 避免出现较大的避免出现较大的“狗腿狗腿”具有平滑的井眼轨迹。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、下套管前通井时，要合理配置钻具结构，调整好钻 井

33、液性能，彻底清除井内岩屑和井壁虚泥饼，对缩径井段应井液性能，彻底清除井内岩屑和井壁虚泥饼，对缩径井段应 划眼处理，确保划眼处理，确保下套管顺畅和下套管顺畅和施工排量满足顶替效率施工排量满足顶替效率要求。要求。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （一）注重井筒质量（一）注重井筒质量 3、下套管过程要按照、下套管过程要按照下套管作业规程下套管作业规程操作，涂好操作，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 附件之外要附件之外要定位安装定位安装套管扶正器、螺旋发生器、刮泥器等附套管扶正器、螺旋发生器、刮泥器等附 件，为活动

34、套管、提高顶替效率做好准备。件，为活动套管、提高顶替效率做好准备。 4、下完套管后下完套管后，调整钻井液性能，提高排量清除，调整钻井液性能，提高排量清除井内井内 岩屑和下套管过程中刮落得泥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饼；在保证井下安全的情况下 按照流变学紊流要求，适当按照流变学紊流要求，适当降低钻井液粘度和切力，调整好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、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （二）套管扶正，提高居中度（二）套管扶正，提高居中度 套管居中是实施一切提高顶替

35、效率、保证固井质量措施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。即使的首要条件。即使是直是直井，不井，不加加扶正器套管扶正器套管在井内也不会居在井内也不会居 中。对于斜井、方位变化大、狗腿严重、大位移、水平井更中。对于斜井、方位变化大、狗腿严重、大位移、水平井更 难以难以居中。即使居中。即使加加放套管扶正器，环空也总存在宽窄间隙，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。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：要保证大提高套管在井眼中的居中度。根据大量实验证明：要保证

36、 良好的水泥封固质量，套管居中度不低于良好的水泥封固质量，套管居中度不低于67%67%。套管扶正器套管扶正器 很多种类，为提高顶替效率，选用旋流扶正器。很多种类，为提高顶替效率，选用旋流扶正器。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （二）套管扶正，提高居中度（二）套管扶正，提高居中度 模拟周向速度在出口端分布模拟周向速度在出口端分布 井眼井眼 套管套管 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （三）活动套管（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，破坏好办法。通过上下活动和旋转，破坏滞留带滞留带

37、钻井液、拖钻井液、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。，提高第二界面的水泥胶结质量。 1、上下提放、上下提放 2、旋转套管、旋转套管 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （三）活动套管（三）活动套管上下活动上下活动 上下提放 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 上下活动套管平板模型上下活动套管平板模型 （三）活动套管（三）活动套管-旋转套管（尾管）旋转套管（尾管） 三、提高顶替效率技术三、提

38、高顶替效率技术 套管不动套管不动 开始转动开始转动拖曳效应拖曳效应 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （四）优选钻井液体系和流变（四）优选钻井液体系和流变 参数参数 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对于井身质量 非常重要。性能不好，井壁坍塌严重，造非常重要。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，往往造能调整，不系统的处理完钻性能

39、，往往造 成套管下不到底、井壁跨塌、开泵困难、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。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求条件下，选择容易达到紊流的类型和流 变参数。保证井身质量，满足提高顶替效变参数。保证井身质量，满足提高顶替效 率的要求。率的要求。 泥饼虚厚：泥饼虚厚：油气及高价离子污油气及高价离子污 染，流动性差，井壁冲洗不干染，流动性差，井壁冲洗不干 净；第一、二界面水泥胶结差。净；第一、二界面

40、水泥胶结差。 虚泥饼影响固井第二界面胶结虚泥饼影响固井第二界面胶结 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （五）前置液（五）前置液设计设计 1 1、与钻井液和水泥浆相溶性要好。、与钻井液和水泥浆相溶性要好。施工之前做好相溶施工之前做好相溶 性试验，保证注替过程有良好的流动性。性试验，保证注替过程有良好的流动性。 2 2、紊流顶替要考虑接触时间。、紊流顶替要考虑接触时间。一般要求大于一般要求大于1010分钟。分钟。 3 3、满足提高顶替效率的要求。、满足提高顶替效率的要求。有效冲刷驱替界面油污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、泥饼，具有一定的活性；要求

41、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。液而小于水泥浆；要有较低的临界流速。 4 4、满足固井设计压稳的要求。、满足固井设计压稳的要求。密度、用量、高度和性密度、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。能在设计时要考虑注替过程中压稳固井的需要。 5 5、考虑地层的适应性。、考虑地层的适应性。要考虑敏感、易漏、坍塌地层要考虑敏感、易漏、坍塌地层 和界面特征，选择类型和数量。和界面特征，选择类型和数量。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 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，准确计合理确定水泥

42、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。包括：流变模式选择、流变参数计算、顶替流态设计。 1 1、测量旋转粘度计六转读数，计算剪切速率和剪切应力；、测量旋转粘度计六转读数，计算剪切速率和剪切应力； 2 2、流变模式选择：根据计算公式计算的系数，判别模式。、流变模式选

43、择：根据计算公式计算的系数，判别模式。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计：水泥浆流变设计： 3 3、流变方程：、流变方程：a a 宾汉模式流变方程：宾汉模式流变方程： 水泥浆塑性粘度计算：水泥浆塑性粘度计算： b b 幂律模式流变方程：幂律模式流变方程： 水泥浆稠度系数计算公式：水泥浆稠度系数计算公式： 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 水泥浆流变设计：水泥浆流变设计： 4 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、水泥浆流变性设计：水泥浆返速和流变性能应满足以下

44、公式 宾汉流体：宾汉流体： 幂律流体：幂律流体： 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。 临界流速计算：临界流速计算： 宾汉流体：宾汉流体：1 1、塞流临界流速。管内：、塞流临界流速。管内： 环空：环空： 2 2、紊流临界流速。管内：、紊流临界流速。管内： 环空：环空： 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。顶替流态设计：根据雷诺数判别流态。 幂律流体幂律流体 1 1、紊流临界雷诺数计算公式：、紊流临界

45、雷诺数计算公式：NRec=3470-1370n 2 2、确定临界流速、确定临界流速: : 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算：流动摩阻压降计算： 宾汉流体宾汉流体 1 1、平均流速计算：管内：、平均流速计算：管内：V=40Q/Di2 环空：环空：V=40Q/（Dw2- De2） 2 2、雷诺数计算：、雷诺数计算： 塞流与层流：管内：塞流与层流：管内：NRe=10DiV/( +0Di/600v) 环空：环空：NRe=10(Dw-De)V/( +0（Dw-De）/800v) 紊流：紊流： 管内：管内：NRe=10DiV/ 环空： 环

46、空：NRe=10(Dw-De)V/ 3 3、范宁摩阻系数计算：、范宁摩阻系数计算： 紊流：紊流：=0.057/ NRe0.2 塞流与层流塞流与层流 管内：管内：=16/ NRe 环空：环空：=24 NRe 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算：流动摩阻压降计算： 幂律流体幂律流体 1 1、平均流速计算：管内：、平均流速计算：管内：V=40Q/Di2 环空：环空：V=40Q/（Dw2- De2） 2 2、雷诺数计算：、雷诺数计算： 管内：管内：NRe=8*103V2-nDin/800nK(3n+1)/4n)n) 环空：环空：NRe=

47、12*103V2-n(Dw-De)n/1200nK(2n+1)/3n)n 3 3、范宁摩阻系数计算：、范宁摩阻系数计算： 塞流与层流塞流与层流 管内：管内：=16/ NRe 环空：环空：=24 NRe 紊流：紊流：=a/ Nreb a=(lgn+2.5)/50 b=(1.4-lgn)/7 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （六）水泥浆流变设计（六）水泥浆流变设计 流动摩阻压降计算：流动摩阻压降计算： 宾汉（幂律）流体流动摩阻计算：宾汉（幂律）流体流动摩阻计算： 管内：管内：P =0.2fLv2/ Di 环空：环空：P =0.2fLv2/（ （Dw- De） 最终顶替井口泵压计算：最终顶

48、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：公式：Pp=(Pha-Php)+(Pfa+Pfp) 其中：其中：Pha-环空静液压力，环空静液压力，Mpa Php-管内静液压力，管内静液压力，Mpa Pfa-管内流动摩阻压降，管内流动摩阻压降，MPa Pfp-环空流动摩阻压降，环空流动摩阻压降，MPa 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （七七）选择提高顶替效率的工具附件）选择提高顶替效率的工具附件 1 1、旋流扶正器、旋流扶正器（螺旋扶正器、导流片扶正器）（螺旋扶正器、导流片扶正器） 2 2、旋流发生器、旋流

49、发生器 3 3、液压扶正器、液压扶正器 4 4、泥饼刷、泥饼刷（刮泥器）（刮泥器） 5 5、套管居中器、套管居中器 6 6、井下、井下振动振动发生器发生器（脉冲、涡轮、机械、水力） 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （八）选择提高顶替效率的固井工艺（八）选择提高顶替效率的固井工艺 1 1、分级固井：、分级固井：长封固段、高压井、漏失井、水平井、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。多套压力层系固井、复杂条件完井。 2 2、尾管固井及其回接：、尾管固井及其回接：深井、高压井、长封固段深井、高压井、长封固段 井、复杂井况固井。井、复杂井况固井。 3 3、旋转（

50、套管）尾管工艺：、旋转（套管）尾管工艺：深井、窄间隙固井、深井、窄间隙固井、 高压井。高压井。 4 4、内插固井工艺：、内插固井工艺：适用大内径套管固井。适用大内径套管固井。 5 5、振动固井工艺：、振动固井工艺：一般适用常规浅井。一般适用常规浅井。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 振动固井振动固井：在洗井、注水泥、顶替和候凝过程中在洗井、注水泥、顶替和候凝过程中, , 采用机械振动、液压或脉冲、水力冲击等手段采用机械振动、液压或脉冲、水力冲击等手段, , 产生产生 振动和水力冲击波作用于套管、钻井液和固井液来提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

51、动波破坏颗粒间以及分子高固井质量的一项技术。振动波破坏颗粒间以及分子 间的结构，提高顶替效率，改善水泥浆胶结质量。间的结构，提高顶替效率，改善水泥浆胶结质量。 套管内部 谐振器 脉冲发生器 套管底部 偏心振动器 自激震荡脉冲发生器 机械阻断式脉冲发生器 偏心振动器 阀门阻断式 动态动态 振动振动 器器 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 振动固井技术振动固井技术 宽频多级脉冲波震荡发生器 旋转阻断式水力脉冲发生器 低频低频 水力水力 振振动动 涡轮式井下振动涡轮式井下振动 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （九）固井关键环节的控制（九）固

52、井关键环节的控制 1 1、施工方案及固井工艺的确定；、施工方案及固井工艺的确定； 2 2、水泥浆体系设计及有关实验（、水泥浆体系设计及有关实验（包括：前置液、包括：前置液、 水泥浆配方优选、外加剂筛选水泥浆配方优选、外加剂筛选）；）； 3 3、水泥干混及工艺准备（、水泥干混及工艺准备（包括：注水泥装备、包括：注水泥装备、 工具附件、施工人员工具附件、施工人员）；）； 4 4、水泥浆流变学设计；、水泥浆流变学设计； 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （九）固井关键环节的控制（九）固井关键环节的控制 5 5、施工参数优化设计；、施工参数优化设计； 6 6、施工前的准备与检查（、施工前的准备

53、与检查（钻井液流变性、排量钻井液流变性、排量 与循环周、前置液配制、施工装备检查与调试与循环周、前置液配制、施工装备检查与调试）；）； 7 7、施工过程参数控制（、施工过程参数控制（不同浆体注入排量、密不同浆体注入排量、密 度与数量；顶替液性能、排量与返速度与数量；顶替液性能、排量与返速）；）； 8 8、操作水平与施工连续性；、操作水平与施工连续性； 9 9、异常情况处理。、异常情况处理。 三、提高顶替效率技术三、提高顶替效率技术 （十）复合顶替技术（十）复合顶替技术 针对不规则井眼顶替效率低的问题，提出了针对不规则井眼顶替效率低的问题，提出了紊紊 流流塞流复合顶替技术塞流复合顶替技术。 施工

54、过程中根据水泥浆流过不同尺寸井眼的时间，施工过程中根据水泥浆流过不同尺寸井眼的时间， 针对不同目的层的封固要求，适时调整施工排量，提针对不同目的层的封固要求，适时调整施工排量，提 高目的层段的顶替效率。解决井眼不规则的目的层水高目的层段的顶替效率。解决井眼不规则的目的层水 泥胶结问题。泥胶结问题。 井眼不规则，大肚子井眼，采用井眼不规则，大肚子井眼，采用“小排量塞流顶小排量塞流顶 替替”驱替效果好。驱替效果好。 井壁稳定，井径扩大率适中，循环压力和注替压井壁稳定，井径扩大率适中，循环压力和注替压 力不高的井，采用紊流顶替顶替效果好。力不高的井，采用紊流顶替顶替效果好。 三、提高顶替效率技术三、

55、提高顶替效率技术 （十）复合顶替技术（十）复合顶替技术 针对套管偏心不居中窄间隙针对套管偏心不居中窄间隙 井，可以采用井，可以采用“稠浆慢替稠浆慢替”技术。技术。 套管不居中，套管不居中，窄边水泥浆流动窄边水泥浆流动 阻力大，井壁粘稠钻井液就无法有阻力大，井壁粘稠钻井液就无法有 效驱替。效驱替。绕流实验绕流实验可知，水泥浆越可知，水泥浆越 稠，井壁水泥浆开始流动所需的排稠，井壁水泥浆开始流动所需的排 量越小；层流下，环空流速越大，量越小；层流下，环空流速越大， 井壁流动速度与环空中间的流速差井壁流动速度与环空中间的流速差 越大，绕流越严重。因此，越大，绕流越严重。因此，在不能在不能 采用紊流固

56、井时，宜用采用紊流固井时，宜用“稠浆慢替稠浆慢替 技术技术”提高壁面剪切应力，减少水提高壁面剪切应力，减少水 泥浆绕流，提高顶替效率。泥浆绕流，提高顶替效率。 拐点绕流拐点绕流边壁绕流边壁绕流 结结 束束 语语 固井质量是一项系统工程，质量的好坏与固井质量是一项系统工程，质量的好坏与 完井方式、井身结构、井身质量、钻井液性能、完井方式、井身结构、井身质量、钻井液性能、 套管居中度、固井工艺技术、水泥浆体系以及套管居中度、固井工艺技术、水泥浆体系以及 井下动态干扰等因素有关。井下动态干扰等因素有关。 目前，还有许多技术难题尚未得到较好的目前，还有许多技术难题尚未得到较好的 解决，技术水平有待于提高。解决，技术水平有待于提高。 二、影响顶替效率主要因素二、影响顶替效率主要因素 （四）钻井液性能（四）钻井液性能 1、稠度系数对顶替效、稠度系数对顶替效 率的影响率的影响 稠度系数是：反映介稠度系数是：反映介 质的稀稠程度，即反映介质的稀稠程度，即反映介 质的可泵性和直观流动性。质的可泵性和直观流动性。 钻井液稠度系数增加，钻井液稠度系数增加， 雷诺数减小，粘滞应力增雷诺数减