水平井固井頂替不同密度差數值模擬研究

汪鵬 鄧橋(中國石油大學(北京)石工學院, 北京 102249 )

水平井固井頂替不同密度差數值模擬研究

汪鵬 鄧橋(中國石油大學(北京)石工學院, 北京 102249 )

針對水平井固井頂替問題，本文通過建立物理模型，應用Fluent軟件模擬了水泥漿對鉆井液的頂替過程，揭示了不同水泥漿與鉆井液密度差條件下界面長度與頂替效率的發展規律。

密度差；固井頂替；數值模擬；頂替效率

0 引言

水平井固井頂替作業中，頂替液與被頂替液的密度差是影響頂替效率和固井質量的關鍵因素之一，由于頂替效率涉及影響因素較多，如地層條件、井身結構、流體流變參數等，國內外學者對水平井頂替進行了大量的研究，取得了很多成果，大幅提高了固井質量。本文應用Fluent軟件對水平井頂替進行數值實驗，采用100米長的物理模型，頂替液為水泥漿，被頂替液為鉆井液，系統研究不同密度差對界面長度和頂替效率的影響，為密度差的優選提供了參考。

1 物理模型

利用Gambit軟件建立水平井固井頂替三維物理模型，忽略井眼不規則與扶正器的影響，環空尺寸：井眼直徑為215.9mm，井徑擴大率以8%計算，則環空直徑為233.172mm，套管外徑139.7mm，計算長度取100 m，居中度0.667(更接近現場情況)，計算區域內模擬的頂替流體為水泥漿, 其密度為1300kg/m3、1400kg/m3、1500kg/m3、1600kg/m3、1700kg/ m3、1800kg/m3；被頂替流體為鉆井液，其密度為1300kg/m3。

2 數學模型和邊界條件

水平井固井頂替過程為非牛頓流體在偏心環空中的液液流動，流動規律滿足流體力學方程組，包括基本方程組、湍流方程、組分方程等。邊界條件：水平井偏心環空頂替流場包括入口邊界、出口邊界、環空內外壁面邊界、以及對稱邊界。

入口邊界條件：采用速度入口邊界條件，在入口位置直接對法向速度賦值。

出口邊界條件：采用質量出口邊界，利用相鄰內部流場節點數據計算，滿足質量守恒條件。

對稱邊界條件：在水平井環空左右兩側可以采用對稱邊界條件，這樣模型求解半個流場即可。

壁面邊界條件：在套管壁面和井筒壁面上，采用無滑移壁面邊界條件。

3 數值模擬及結果分析

水泥漿頂替鉆井液，為正密度差條件下的液液兩相流動，在寬窄邊效應、重力作用、質量擴散等多種因素耦合影響下，表現出特有的頂替界面特征。基于水平井段偏心環空兩相流體力學數值實驗模型，應用商業CFD軟件Fluent模擬水泥漿對鉆井液的頂替過程，其中界面長度是指頂替時間為100s時界面發展的長度，數值實驗得出的結果如下(見表1)。

表1 不同密度差下數值實驗結果

4 結語

①針對水平井固井頂替問題，建立了合適的兩相流體力學數值實驗模型，為水平井固井頂替提供了有效的研究手段。

②水平井固井頂替中頂替界面長度越長，頂替效率越低，兩者規律性保持一致。

③在本文計算條件下，增大密度差，有利于減緩窄邊滯留，降低頂替界面長度，提高固井頂替效率，所以在一定施工條件下，適當增大頂替液與被頂替液密度差對提高頂替效率和固井質量有一定的幫助。