固井現場提高頂替效率措施分析及應用

方超（中石化華北石油工程有限公司井下作業分公司，河南 鄭州 450000）

固井現場提高頂替效率措施分析及應用

方超（中石化華北石油工程有限公司井下作業分公司，河南 鄭州 450000）

在固井作業中，由于受井眼條件、鉆井液和水泥漿的化學兼容性、水泥漿性能、施工工藝、前置液的選取和使用、液體的流態等多種條件因素的存在，影響到注水泥的頂替效率。基于頂替效率對于固井質量的重要影響，有必要對注水泥頂替機理進行深入研究以確保現場作業中能夠有效提高頂替效率。本文針對現場的影響因素進行了分析探討，在實際應用中獲得良好的效果。

固井；水泥漿；鉆井液；頂替

固井作業中，如果未能有效驅替水泥、注水泥頂替效率低下，往往無法有效防止鉆井液竄槽，從而影響到水泥膠結質量和水泥封固效果。固井質量優質率高，較高的頂替效率是重要因素之一。

頂替效率是固井施工過程中較難控制的因素，它受到現場多種復雜因素的影響，如井眼條件、鉆井液和水泥漿化學兼容性、水泥漿性能、施工工藝，前置液的選取和使用等。為了提高頂替效率，目前常用的方法是加入套管扶正器、在套管上使用泥餅刷、活動套管等措施，普遍共識紊流頂替最佳。

1 影響水泥漿頂替效率因素分析

為了保證環形空間的固封質量，首先要保證水泥漿與鉆井液的頂替質量。為了保證頂替質量，必須滿足如下要求：

·采取適當的措施和施工工藝，確保注水泥漿的環形空間中水泥漿對鉆井液充分頂替；

·水泥漿返高和套管內水泥塞的高度應符合設計要求。

1.1 影響頂替效率的幾種因素

在固井作業中，受井眼地質條件或壁面剪應力等都會對水泥漿頂替效率產生影響。研究表明，影響水泥漿頂替效率的因素主要為如下八個：·井身條件；·反速（流態）；·套管偏心；·鉆井液性能；·前置液設計；·水泥漿性能；·封固段長度；·固井施工。

在頂替過程中，尤其重要的是要研究鉆井液與水泥漿之間的相互作用，不僅僅是雙方的物理特性，也要注意鉆井液與水泥漿是否會產生化學不匹配的現象。化學反應：通常是由鉆井液中的處理劑和水泥漿中的外加劑之間產生的不匹配反應，從而引發凝膠效應，從而導致漿體快速凝結，不僅僅影響頂替效果，甚至會造成工業事故。物理特性造成的影響：物理特性發面，主要是鉆井液的阻力和水泥漿的動力。只有增大水泥漿的動力，減少鉆井液的阻力，才能保證水泥漿對鉆井液的均勻頂替，從而保證良好的頂替效果。

2 現場影響因素分析

2.1 套管偏心

在現場作業中，套管偏心常常會造成環形空間得不對稱，由于不對稱的存在，對于鉆井液的分布，流體產生影響，尤其是窄間隙中的流體，由于水泥漿極難在其中形成紊流，而以層流流動，無法進行充分頂替，從而影響固井質量：

·在水泥漿對泥漿進行頂替時，由于寬間隙空間易形成紊流而窄間隙往往以層流流動，造成頂替效率不同，在寬間隙已頂替完畢的情況下，窄間隙沒有充分頂替，從而造成泥漿竄槽，對固井質量造成影響；

·寬間隙內的頂替效果好，而窄間隙內的頂替效果差，水泥漿處于較低的位置，會影響環形空間的密封質量，甚至造成事故。

在現場，一般用扶正器來減少套管的偏心程度，提高頂替效率。

2.2 水泥漿與泥漿對頂替效率的影響

在水泥漿對泥漿進行頂替時，需要依靠水泥漿的剪應力來清除附著在井壁上的膠凝泥漿。因此，必須增大的水泥漿的剪應力，剪應力明顯大于泥漿膠凝強度，才能在有效時間內高效清除膠凝泥漿；如果剪應力與泥漿凝膠強度相當，需要適當提高清除時間；在實際施工中，往往利用前置液在稀釋泥漿來提高清除效率，提高頂替效果。

2.3 水泥漿的流態

液體的紊流狀態和均勻的流速剖面，能實現水泥漿均勻頂替鉆井液的效果。水泥漿的紊流程度越高，這種作用越明顯。

紊流頂替計算步驟，現場為簡化計算，常用以下經驗公式：

②確定臨界雷諾數：Re=2300

③確定環空臨界返速，現場常用的雷諾數表達式：

n——流性指數

K——稠度系數

D——井徑mm

④確定臨界排量：

3.1 某井資料:直井，完鉆井深2941米，井徑:221.9mm，套管外徑:139.7mm。

水泥漿性能：低密度水泥漿比重1.33，六速旋轉粘度計數據如下:

3 應用

?600 67 ?300 37 ?200 22 ?100 19 ?6 7 ?3 6

②確定臨界雷諾數 Re=2300

③確定環空臨界返速

所以:

④確定臨界排量L S，為現場施工排量做重要參考。所以，該井驅替水泥漿時，紊流頂替臨界排量為31

4 結語

固井現場提高水泥漿頂替效率措施總結如下：

①加套管扶正器提高套管居中度，對提高頂替效率有益，這是提高頂替效率的一般因素。

②注一定量的前置液不僅能隔離泥漿和水泥漿，還能稀釋泥漿，對提高頂替效率有益，這是提高頂替效率的一般因素。

③驅替水泥漿時采用紊流替漿，在地層條件允許的情況下，替漿排量可以大于紊流替漿的臨界排量，盡量保證窄間隙的水泥漿也能達到紊流狀態，這是提高頂替效率的重要因素。

[1]劉崇建，黃柏宗.徐同臺，劉孝良等.油氣井注水泥理論與應用.北京:石油工業出版社，2001.

[2]李早元，郭小陽，楊遠光.固井前鉆井液性能調整及前置液紊流低返速頂替固井技術.鉆井液與完井液，2004;(4).

[3]楊旭，前置液的紊流臨界返速和使用量的推導.鉆采工藝，1995;(4):76-79.

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