固井钻井液零滞留临界静切力计算方法.pdf

天然气工业 2 0 0 8 年 5 月 固井钻井液零滞留临界静切力计算方法 邓建 民 “ 油气 藏地质及开发工程” 国家重点 实验 室 西南 石油大学 邓建 民． 固井钻井液零滞 留f陆界静切力计 算方 法． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 5 7 2 7 3 ． 摘要针 对窄压力安全窗 口油气井 固井采用低速塞流顶替 的情况 ， 在对水泥浆顶 替钻井液 的受力关 系进 行 分析 的基础 上， 提 出了具体量化 固井前调整 钻 井液静切 力 的计算 方法。分析 了钻井液零 滞 留 界 静切 力 与密度 差、 水泥浆动切力 、 井眼与套管尺寸组合的关系 。建议在 固井施 工 中， 尽量减 少钻 井液在 井 内的静 置 时间， 因钻井 液随时间的增加 静切力要增加。在 固井 时， 应 尽量采 用水 泥浆 密度 大于钻 井液 密度 的正 密度 差 顶替方 法， 可 提高 顶替效率。 主题 词 固井 钻井液 零滞 留 临界静切力 计 算方 法 在固井施工前 ， 为提高顶替效率 ， 一般均要求对 钻井 液 的性能进 行 调整 。而 对钻 井 液性 能 的参 数具 体调整到什么数值 ， 目前现场大多是凭经验给出， 也 有一些关于钻井液性能调整的原则L 1 - 3 ] ， 但 总的来说 理论根据比较缺乏。固井前所要求调整的钻井液性 能 视钻井液为宾汉流体 是 密度 调整范围有限 、 塑性黏度、 动切力、 初切和终切 静切力 。笔者仅讨 论静切力 初／ 终切 问题 。在窄压力安全 窗 口固井 的情况下 ， 为 了防漏 ， 常采用低速顶替 的固井技术 ； 这时， 对钻井液性能调整的要求更加严格。为此 ， 在 对低速塞流顶替时水泥浆与钻井液的受力关系进行 分析 的基础上 ， 提 出了具体量化固井前调整钻井液 静切力 钻井液零滞 留临界静切力 的计算方法。 一 、钻 井液零滞 留临界静切力 在顶替过程 中， 最重要的是尽量消 除钻井液的 窜槽 ， 即不能有钻井液滞 留， 也即是要尽量提高 固井 的顶替效率 。钻井液是否会滞 留， 取决 于其 在顶替 过程中的受力情况。在此作如下假设 1 直 井 。 2 套管在井眼内居中。 3 顶替液与被顶替液均属于宾汉流体 。 4 塞流 。 5 壁 面无 滑移 。 6 垂直于轴向的同一横截面上各点压力相 同。 7 顶替液与被顶替液问无化学作用 。 严格说 ， 在此讨论 的是直接顶替钻井液的顶替 液与钻井液相互问的关系。在此将顶替液简称为水 泥浆 ， 以下有 关水 泥浆 的参 数 实 际上是 顶替 液 的 参数 。 如图 1 所示 ， 假设水泥浆在 △ 的角度内发生突 变， 在 2 兀 一△ 的角度内存在滞留钻井液， 取轴 向微 长 △ L段进行研究 。这时水泥浆在各流动接触面上 的切力为动切力 ， 而钻井液滞留， 因此其与各接触面 的接触力为静切力 。对 于突进 的水泥浆 ， 根 据其 受 力平衡关系可得 水泥浆 动切力 钻井液 自重 钻井液 静切力 水泥浆 动压降 图 1 固井顶替 受力分析 示意图 水泥浆 动切力 水泥浆 自重 水泥浆流 动压降 Ap, 一 印 1 △ L R 一 。△ R r 。 一 对于滞留钻井液， 根据其受力平衡关 系可得 一 一 印 2 △ L R r 2 丌一 △ R r 。 一 如果式 2 左端的值大于右端的值， 则不会发生 作者简介 邓建 民， 1 9 5 7年生 ， 教授 ； 1 9 8 2年毕业于原西南石油学 院钻井工程 专业 ； 长期从事 油气井 固井 理论和实 验研究 以及研究成果的现场应用 工作 。地 址 6 1 0 5 0 0 四川省 成都 市新都 区西 南石油 大学 石 油工 程学 院。 电话 0 2 8 8 3 0 3 2 9 1 3 。 E ma i l d e n g j i a n mi n 1 6 3 ． c o rn 7 2 维普资讯 第2 8 卷第5 期 天然气工业 钻井液滞 留， 反之则发生滞留 ， 等式左右两端的值相 等 时为 临界状 态 。 根据 以上两式 ， 可得 当水泥浆以塞流流态顶替 钻井液时， 不发生钻井液滞留的条件为 ≤ 1 套 { 号 垦 g 一 3 式 中 为 水 泥 浆 动 切 力 ， P a ； r 为 钻 井 液 静 切 力 ， P a ； △ L为轴向微元长度 ， m； A p 为轴 向微元长度上 水泥浆流动压降， P a ； △ 为突进水泥浆周 向夹角 ， 弧 度 ； R为井眼半径 ， m； r为套管外半径 ， m； 为水泥 浆密度 ， k g ／ m。 ； ．0 为钻井 液密度， k g ／ m。 ； g为重力 加速度， m／ s 。 。 由式 3 可见 ， 在低 速顶 替时， 钻井液是否会滞 留与水泥浆和钻井液的切力 、 水泥浆与钻井液的密 度差 水泥浆密度大于钻井液密度时称为正密度差 ， 反之为负密度差 、 井眼与套管的尺寸等 因素有关 。 对于 固井 前调 整钻 井液 性 能 ， 根 据 式 3 可对 钻 井 液 的静切力提出具体量化 的要求指标。钻井液的该静 切力可称为钻井液零滞留临界静切力 。 以上是基于低速塞流顶替时所得 的计算公式。 当采用中、 中高或高速顶替时， 因为水泥浆流动压降 将增 加 。因此 ， 所允 许 的钻井 液 静 切力 可 以 比式 3 所计算 的值高 。所 以， 当采用 中、 中高或 高速顶 替 时， 按式 3 所计算的值要求钻井液 的静切力对于顶 替更 加有 利 。 二 、 钻 井液零滞 留临界静切 力 影响因素分析 图 2是 井 径 和套 管 尺 寸 固 定 2 1 5 ． 9 mm 井 眼、 5 2 『 1 7 7 ． 8 mm 套管 时钻井液零滞留临界静切力 与水泥浆动切力 、 水泥浆与钻井液之间的密度差 简 称密度差 的关系示 意图 图 中密度差 的单 位为 g ／ c m。 。从分析可知 ①随着密度差 的降低 ， 所允许 的 钻井液静切力 值降低 ； ②水泥浆 的动切力降低 ， 所 1 2 0 邑 9 o 6 0 瓣 3 O 4 4-0 摇一 3 0 ⋯⋯ 密度差一 0 2 g ／ c m 3 密度差O c m 3 一一 密度差O ． 4 g ／ c m 3 一～ 密度羞O 8 g ／ c m 水泥浆动切力 P a 1 图 2 不 同密 度差时钻 井液零滞留临界静切力与 水泥浆动切力关 系图 允许的钻井液静切力值降低 ； ③当环空间隙越小 时， 越应该降低钻井液的静切力 。 以上对套管在井眼内居 中的情况推导出了计算 方法并进行 了相关分析， 对于套 管在井眼 内偏心的 情况还有待研究。 三、 结 论 1 在固井施工前要调整钻井液性能， 在保证井 下安 全 的前提 下 尽 量 降低 钻 井 液 的静 切 力 降 低 钻 井液的触变性 。同时也应增 加水泥浆 的动切力 。 钻井液的静切力和水泥浆的动切力要求可按笔者提 出的计算方法确定。 2 在固井施工中， 要尽量减少钻井液在井 内的 静置 时间， 因随时间增长钻井液 的静 切力要增 加。 在固井 时， 应尽量采用水泥浆密度大于钻井液密度 的正密度差顶替方法， 可提高顶替效率 。 参 考 文 献 [ 1 ]刘崇建 ． 油气井 固井 理论 与应用 [ M] ． 北京 石 油工 业 出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ]刘大为． 现代 固井技术[ M] ． 沈 阳 辽宁科学 技术 出版社 ， 19 94 ． [ 3 ]陈 平． 钻 井 与 完 井 工 程 [ M] ． 北 京 石 油 工业 出 版社 ， 20 05 ． 收稿 日期2 0 0 8 0 3 2 1 编辑钟水清 73 维普资讯