影響固井作業安全的鉆井液的流變參數

程慶偉 鄧橋(中國石油大學(北京)， 北京 102249)

影響固井作業安全的鉆井液的流變參數

程慶偉 鄧橋(中國石油大學(北京)， 北京 102249)

為滿足固井施工安全性的需求，研究鉆井液流變參數對固井質量的影響，本文建立了100米長的水平井物理模型，基于水平井環空兩相流體力學數值實驗模型，考慮了兩相界面的質量擴散、考慮了層流與湍流耦合作用，應用軟件模擬了頂替鉆井液過程，為合理優選鉆井液流變參數提供了依據，從而達到安全固井施工的目的。

固井安全；數值模擬；鉆井液；流變參數

0 引言

油氣開發中，固井施工安全至關重要，為滿足復雜井眼條件對固井鉆井液性能的要求，鉆井液流變參數的優選顯得尤為關鍵。本文在前人的基礎上，考慮兩相界面的質量擴散、考慮層流與湍流耦合作用，數值模擬了不同鉆井液流變參數條件下界面發展過程，為固井施工安全提供理論指導。

1 物理模型與網格劃分

如圖1所示，物理幾何模型采用水平井環空三維空間模型，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100m，假設套管居中，計算區域內模擬的頂替流體為鉆井液, 其密度為1900kg/m3；被頂替流體為鉆井液(賓漢模式)，其密度為1300kg/m3。

圖1 物理模型

選用結構網格對規則的環空模型進行網絡劃分，整個計算區域網格總數為110萬，為了保證計算精度，進一步采用加密網格進行處理，計算結果與文中結果一致，證實了網格劃分的合理性。圖2為環空網格分布局部圖，顯示了三維物理模型的寬邊截面網格、窄邊截面網格、以及套管外壁面網格等部分網格特征。

圖2 網格分布圖

2 結果分析

不同鉆井液稠度系數對頂替效率的影響見圖3。

圖3 鉆井液稠度系數對頂替效率的影響

從圖3可知，在各項固井施工參數與模擬參數基本一致的情況下，當鉆井液稠度系數為0.3～0.6Pa·Sn 時，頂替效率隨著稠度系數的增加而升高；鉆井液稠度系數大于0.6～0.8 Pa·Sn時，頂替效率隨著稠度系數的增加而略微降低。由此可以得出，固井頂替過程中，鉆井液稠度系數大于0.6時，頂替效率較高。

3 結語

①針對水平井環空頂替問題，考慮物質輸運模型描述兩相流體之間的質量擴散與流態識別，建立了環空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采用了較長模型即100米長水平井物理模型進行模擬，計算結果更準確。

③本文計算條件下，鉆井液稠度系數在0.6前后頂替效率規律發生反轉，稠度系數大于0.6時，頂替效率較高，所以將流變參數控制在合理范圍內能夠獲得較高的頂替效率。

④鉆井液稠度系數直接影響頂替效率，優選鉆井液稠度系數可以有效地改善固井質量，能夠為現場施工提供理論依據同時提高固井施工的安全性。