油气井固井注水泥顶替理论的研究.pdf

油气井固井注水泥顶替理论的研究 陶世平,段保平,赵志强,王学良,侯长江 中国石油 吐哈石油勘探开发指挥部 工程技术研究院,新疆 哈密 839009 摘 要传统的油气井固井顶替方式为轴向一维顶替,该顶替理论研究获得一系列成果。但因 一维轴向顶替自身的缺点,难以将近壁泥浆、 虚泥饼驱替干净,对变径井眼造成的回流更是无 能为力。使用螺旋流顶替理论能克服这一缺点,大大改善顶替效率。但此项技术起步较晚,研 究成果很少,理论很不完善,从而使其应用受到限制。该文叙述了两种顶替理论的研究成果及 各自存在的问题,以求为今后的研究提供思路。 关键词油气井;固井;轴向流顶替;螺旋流顶替 水泥浆对泥浆的顶替效率差,将从以下几个方 面影响固井质量 1注水泥过程中因顶替效率不高导致泥浆 窜槽,为环空窜流提供了便捷的通道。 2因顶替效率低而附着于管壁和井壁的虚 泥饼和附着膜随着水泥水化脱水而发生干裂,从而 在两个界面将产生微缝隙,这为油气水串提供了有 利的通道; 3因替净程度差,水泥浆与泥浆掺混,直接 影响水泥浆水泥水化,影响水泥浆的性能,影响后 期水泥石强度,增大水泥石渗透率,影响界面胶结 质量,从而引发地层流体发生窜流。 因此,“ 替净技术 ” 是保证固井质量的必要条 件。提高顶替效率、 力求环空封固段“ 替净 ” 一直 是固井研究人员和工程师们努力的方向。 1 传统轴向流顶替理论及技术的发 展及其不足 1. 1 轴向流顶替技术发展概述 在顶替技术中,传统的顶替方式是一维轴向流 顶替。 1 1940年, P. H. Jones和D. Berdine [1 ]对注 水泥顶替机理进行了开创性的研究。他们提出,泥 浆、 水泥浆都是非牛顿流体,需要一定的压降才能 达到一定的流速。如果套管偏心,就极易在宽间隙 处流动而窄间隙处形成串槽。因此扶正套管是减 少窜槽的有利措施。1948年, G . C. howard和J. B. Clark [2 ]进行了注水泥顶替模拟实验 ,首先认识到 泥浆性能的重要性,提高水泥浆返速及降低泥浆粘 度,对提高水泥浆的顶替效率有重要作用等。1949 年,W. D. Owsley [3 ]进一步指出 ,提高井眼规则度和 套管居中度,使用紊流顶替等,有利于提高顶替效 率。 2 1964年Brice和Holmes [4 ]提出水泥浆紊 流接触封固层的时间不低于10min能有效提高顶 替效率。 3 1967年,Mclean [5 ]等指出 ,降低泥浆的静 切力对水泥浆顶替效果有较好的影响。另外,还提 出了水泥浆的临界动切力的概念,当水泥浆的动切 力大于该值时,顶替效果是明显的。认为水泥浆与 泥浆的比重差引起的浮力有助于提高水泥浆的顶 替效果。 4 1969年, Parker [6 - 7 ]等指出 ,采用返回速度 低于0. 5 m /s的塞流顶替,可以改善井径扩大处残 留泥浆的顶替作用。 5 1979年, 1980年和1982年, Hault、R. J. Crook等连续发表文章 [8 - 10 ] ,他们在试验的基础 上,进一步总结出泥饼性能和最大静切力是影响顶 替效率的两个最主要的因素,特别强调不流动的泥 饼和因触变性停滞在井壁的泥浆,是难以顶替干净 的。并指出高的上返速度,即使未达到紊流总比低 返速下的顶替效率好。Zurdo Norel等人进行了长 达300 m的全尺寸水平井注水泥模拟实验,研究了 流态、 套管偏心、 井眼形状对顶替效率的影响。 收稿日期 2006 - 10 - 26 作者简介陶世平1965 - ,男,重庆梁平县人,工程师,油田化学专业。联系电话 0902 - 2760201 第12卷 第3期 吐 哈 油 气 Vol . 12,No. 3 2007年9月TUHA O I L 可以加重而 使其密度大于泥浆但小于水泥浆,且没有过多的固 相沉降;具有低失水;给套管和地层创造水湿环境, 隔离液能与水泥浆和泥浆相容。文献 [15 ] J进一步 总结出隔离液设计的6个标准。 8 1991年, Jakobsen [16]等人建立了荧光示踪 法动态注水泥模拟实验装置。国内西南石油学院 根据该方法的原理建立了类似的实验装置并对更 多的因素进行了理论和实验研究 [17] ,成果有增大 水泥浆与泥浆密度差,增大泥浆流性指数,减小泥 浆稠度系数;增大流量,减小套管偏心度,都有利于 提高顶替效率。并提出活动套管所诱导的回流与 剪切流场是提高注水泥顶替效率的有利因素。 1. 2 轴向顶替存在的缺点 虽然轴向流顶替中采取了诸多配套的技术,但 顶替效率仍然不够理想。这是由于轴向流自身的 缺点造成的。从环空轴向流顶替的水力学特征来 看,轴向流顶替理论可从其流态分为紊流顶替,塞 流顶替,以及有效层流顶替。下面对其一一进行评 价,分析轴向流顶替的缺点所在。 1. 2. 1 紊流顶替理论 该理论认为,当流体达到紊流,流体流速剖面 分布平缓,这样有利于顶替液对被顶替液的轴向均 匀顶替,而不发生顶替液的舌进现象。该顶替方式 曾一度被认为是最有效的顶替。因此,设计者往往 首先按紊流顶替进行设计;但水泥浆因其粘度大, 形成紊流时的压降大,这往往受到地层的承压能力 和机泵能力的限制,且紊流边界层流速很低,驱动 能力弱,尤其对于不规则井眼,往往在局部形成回 流,造成泥浆滞留,造成第二界面水泥胶结质量差。 1. 2. 2 塞流顶替理论 塞流顶替理论认为,塞流运动的其中一大特点 是流体流速剖面非常平缓,顶替液对被顶替液都进 行塞流运动时,二者间不发生相互掺混,有利于提 高顶替效率。这项技术多应用于井壁疏松地层和 井下压力安全窗口窄的封固段固井。但因顶替液 往往受其流变性能的可调性限制,要形成宽流核、 高流速的塞流顶替难度很大。而低速塞流顶替往 往造成驱动力弱,尤其是对边壁的高粘附的泥浆、 虚泥饼更是无能为力;小流核、 高流速的塞流顶替 往往造成顶替液的舌进,不利于顶替。 1. 2. 3 层流顶替理论 层流顶替技术因其易造成顶替液发生舌进现 象,使顶替液与被顶替液之间相互掺混。为了克服 这一缺点,理论界提出使用有效层流顶替技术。所 谓有效层流顶替是指,利用顶替液与被顶替液的流 变形差异和密度级差,使顶替液与被顶替液之间互 不掺混,从而形成均匀顶替。这种顶替理论逐渐被 更多的设计者和作业者接受和采用。但是要达到 有效层流顶替,必须套管居中度高,而且同样存在 一维顶替的缺点,即对边壁的高粘附泥浆及虚泥饼 清除效果差,对于变径、 不规则井眼造成的回流也 是无能为力。 综上分析,轴向流顶替存在的主要缺点是顶替 液对近壁区的驱动能力弱,造成水泥环与地层界面 附近难以被替净,从而影响第二界面的胶结质量, 影响固井质量。 2 螺旋流顶替技术的研究与应用现 状 顶替液的螺旋运动,其周向流速给井壁增加周 向剪切驱动力,易于携带近井壁的泥浆和冲刷井壁 上的泥饼。特别在变径处,以及对因套管偏心造成 的窄边的泥浆顶替,这种效果会更加明显;结合轴 向流的轴向驱替,形成周向流携带与冲刷和轴向流 的轴向驱替联动作用,这样可大大提高顶替效率。 因它增加了主流对井壁的接触面积,从而有利于在 较低流速下有效清除钻屑和泥浆。螺旋流为实现 对泥浆的完全顶替提供了理论依据和实现的可能。 固井领域使用螺旋流顶替技术,最早是通过顶 替过程中旋转套管来实现的。但往往因旋转扭矩 过大,转速不能太快,这往往导致效果不理想。加 大旋转速度,则作业风险加大。尤其是大斜度井, 水平井固井,扶正器扶正能力差,造成旋转套管难 度大,这一技术更是受到限制。 使用旋流扶正器实现螺旋流容易的多。旋流 扶正器通过导叶的导流作用使流体形成螺旋流动。 该项技术始于1986年。此间,美国阿莫柯石油公 552第12卷 第3期 陶世平,等油气井固井注水泥顶替理论的研究 司首先在井下成功的使用了套管刚性旋流扶正器, 使固井质量得到大大提高。1989年M. R. wells等 人首次发表了有关旋流扶正器的室内实验研究成 果的论文 [18 ]。该实验研究在分析旋流扶正器的几 何结构、 流体性能、 井径参数对旋流长度的综合影 响的基础上,建立了计算旋流长度的半经验公式。 并据此设计旋流扶正器井下安放间距。 1987年,中原油田使用了弹性旋流扶正器并 取得一定成功, 1994年的实验研究认为 [19] ,旋流 强度与导叶角、 流量、 流程等有关。同年,大庆油田 进行了实验研究 [20 - 21 ] ,力求通过大量实验分析旋 流角的衰减规律是很有意义的。但所统计的旋流 角经验式没有考虑旋流扶正器本身结构的影响,导 致结论应用受到限制。 1994年西南石油学院蒋世全的博士毕业论 文 [22 ]对套管装有旋流扶正器的环空流场理论与实 验研究。该文在牛顿流体环空螺旋衰减流运动方 程的基础上进行了大量的简化,得出周向速度的衰 减模型和旋流有效长度表达式,以此作为旋流扶正 器井下安放设计的依据。但理论模型中,将旋流长 度的影响因素综合为环空综合雷诺数和旋流扶正 器导流角的影响,没有研究旋流扶正器其它结构参 数对旋流扶正器导流能力的影响,因此得出的结论 是不完善的。其理论与实验研究中均未对螺旋流 场其它流动参数进行研究,旋流扶正器安放间距设 计仅以单相流的旋流周向波长为依据显得不足。 通过上述文献调研可总结出旋流扶正器作用 下的螺旋流顶替理论与技术还存在以下几点不足 1没有充分研究旋流扶正器本身结构包括 导叶角、 导叶形状、 导叶高度、 旋流扶正器长度与 其导流效果之间的关系。不同结构的旋流扶正器 作用的旋流强度不同,产生的能耗也不同。而旋流 扶正器作用的旋流强度越大、 能耗越小,认为旋流 扶正器结构越好。因此,旋流扶正器本身的结构与 其导流能力关系研究具有很重要的意义。且旋流 扶正器的流动阻力比直条扶正器大的多,施工设计 时不可将其忽略。 2旋流扶正器作用的环空螺旋流动规律研 究中没有综合考虑旋流扶正器结构和环空螺旋流 场的压降、 周向速度之间的关系,因此所得出的结 论不具有普遍性,从而使应用受到限制。 3旋流扶正器的间距设计理念过于简单化。 单纯根据旋流扶正器的轴向波及长度进行旋流扶 正器井下间距设计显得不足。 总体上,旋流扶正器作用的螺旋流及其在提高 水泥浆顶替效率应用方面的理论和实验研究很少, 很不完善。旋流扶正器作用下的环空螺旋流顶替 与以往的轴向流顶替是两种截然不同的顶替方式。 因此用以往的轴向流顶替理论来指导固井施工显 然不合适。没有成熟的理论技术指导现场应用,导 致国内油田迄今对旋流扶正器的使用很少。而国 外Weatherford、Milan、Amoca等固井服务公司一直 着力于开发新产品并大量生产,旋流扶正器的安放 间距设计方法也已编成商业软件。表明旋流扶正 器在国外得到普遍应用。也蕴示着旋流扶正器对 提高固井质量具有重要的价值。因此,国内应加强 此项技术的研究,以缩短与国外的差距。 3 结 论 1在固井技术中,提高对泥浆的顶替效率是 至关重要的。只有充分的“ 替净 ”,才能保证水泥 环与地层和套管良好的胶结。 2轴向一维顶替理论长时间得到较大发展 和完善。但是,由于该顶替技术本身的弱点,不能 完全有效的提高顶替效率。 3螺旋流顶替技术能克服轴向一维顶替技 术的缺点,大大提高顶替效率。但该项技术理论研 究很少,尤其是国内。加强此项技术的研究有着重 要的理论意义和实际价值。 参考文献 [1] Jones, P. 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Adopting helical flow displacement theory can overcome the disadvantage and greatly i mprove the displacement efficiency . But the technique comes later, with few research a2 chievements and imperfect theory, so its application is limited. Research results and problems of two displacement theories are discussed in this paper in order to provide new thought for the future research. Key words oil and gaswell; cementing; axial flow displacement; helical flow displacement 吐哈深层稠油井改喝“ 开水 ” 吐哈油田应用特色技术提高压裂液温度,深层稠油井取得良好增产效果。7月1日在采访现场,压裂技 术人员对记者形象地说,稠油井改喝“ 开水 ” 后,单井增产3倍多。 由吐哈石油勘探开发指挥部工程技术研究院酸化压裂所自主研发的深层稠油低伤害加热压裂特色技 术,最大的特点是将入井压裂液温度提高到75℃ 以上,从而有效避免常规压裂过程中稠油胶质、 沥青质对油 层造成的伤害,可有效保护地层和裂缝的导流能力,提高稠油井压裂后产量。试验数据表明,较常规压裂液 地层伤害降低30以上。 玉东2 - 41井是位于鲁克沁构造带玉东2块的一口开发井,压裂前日产油2. 12 t。6月下旬,深层稠油 低伤害加热压裂特色技术在这口井现场试验中获得成功,压裂后初期日产油8. 18 t,是压裂前产量的3～8 倍多。 752第12卷 第3期 陶世平,等油气井固井注水泥顶替理论的研究