鄂爾多斯盆地致密氣水平井固井頂替效率影響因素

賈 佳 夏忠躍 馮 雷 解健程

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 塘沽 300457）

0 引言

鄂爾多斯盆地致密氣水平井鉆井進入了快速發展階段，鉆井數量逐漸增多，水平井固井中的頂替效率低下問題也越來越凸顯。影響固井頂替效率的因素很多，為了掌握不同因素對其影響規律，借助于數值模擬方法開展研究，根據質量、動量、能量守恒原則［1-4］，分別模擬分析不同因素的影響規律，確定最有利于頂替的參數值，以期提高致密氣水平井的固井質量。

1 套管偏心度對頂替效率的影響

水平井固井過程中，由于重力的作用，容易出現偏心的情況（圖1）。套管偏心后，與井筒之間的環空間隙尺寸不同，有大有小，小間隙處的水泥漿流動阻力大，速度比大間隙處的慢，難以形成塞流或者紊流［5-8］，使得小間隙處水泥環較薄甚至無水泥環，嚴重影響固井質量。

圖1 套管偏心示意圖

通過實驗模擬分析表明，套管偏心對頂替效率有直接的影響。當套管不偏心時，頂替效率最大；而隨著偏心度逐漸增大，頂替效率會逐漸降低；當偏心度增大至50%以上時，環空鉆井液無法完全頂替，難以達到固井合格的目的。為了充分保證固井合格率，套管的偏心度必須小于33%，模擬分析的結果如圖2所示。

圖2 偏心度對頂替效率的影響示意圖

隨著套管偏心度的變大，頂替效率呈現出先增加后減小的趨勢，當偏心度為0.2時，頂替效率達到96.7%，基本為最大頂替效率。正常固井時，由于水泥漿密度和鉆井液密度的不同，會產生浮力，與水泥漿自身重力共同作用，使得頂替界面發生傾斜［9-11］；當偏心度從0逐漸增至0.2，使大環空間隙和小環空間隙處的速度不同，流動阻力不同，阻力不同可較好抑制水泥漿的重力作用，保持頂替界面相對穩定，使頂替效率增加；但當偏心度增至0.5時，偏心阻力差異成為頂替的主導因素，水泥漿更易向上側大間隙流動，在下側小間隙流動受到限制，頂替界面嚴重失穩，頂替效率隨之降低。所以，偏心度維持0.2左右，可以實現最優的頂替效率。

2 頂替流速對頂替效率的影響

根據相關定義［12-13］，流速對雷諾數影響較大，當流速為0.2 m／s時，為塞流頂替；當流速大于0.2 m／s而小于2.3 m／s時，為層流頂替；當流速大于2.3 m／s時，轉變為紊流頂替。赫巴模式下不同頂替速度對頂替效率的影響如圖3所示。

圖3 頂替速度對頂替效率的影響規律圖

根據圖3分析可知，當頂替速度為0.2 m／s時，水泥漿屬于塞流頂替，頂替效率約96.2%，此時，在井筒中呈現均勻和穩定頂替狀態，頂替效率較高。隨著速度增快，流態由塞流轉變為層流，大間隙和小間隙處的流速差增大，造成頂替界面不穩定，頂替效率減小。隨著速度的繼續增大，層流逐漸過渡為紊流，當速度增至2.3 m／s時，頂替狀態為層流-紊流邊界，速度繼續增大，轉變為紊流頂替狀態，頂替效率隨之逐漸增加。根據圖3，采取低速頂替時，建議控制在0.6 m3／min以內；采取高速頂替時，建議控制在1.6m3／min以上。

3 頂替液密度差對頂替效率的影響

頂替時，水泥漿的密度差對頂替效率也會造成一定的影響，不同密度差對水泥漿頂替效率的影響如表1所示。

表1 水泥漿密度差對頂替效率的影響規律表

當鉆井液密度為1 200 kg／cm3時，隨著水泥漿密度的增加，頂替效率呈現先增加后降低的趨勢。當密度差較小時，浮力的作用比較明顯，水泥漿進行頂替時，會優先頂替環空上側大間隙處的鉆井液，而環空下側小間隙處鉆井液頂替不干凈，頂替效率低，形成竄槽；隨著密度差的增加，水泥漿的重力作用較為明顯，小間隙處的頂替不干凈的情況會有所緩解，頂替效率增加。根據實驗結果可知，當密度差為0.7 g／cm3左右時，其頂替效率最高。

4 流體性能對頂替效率的影響

4.1 切力對頂替效率的影響

流體的流動性能是影響頂替效率不可忽視的一個因素［14-16］，而流體的切力又是流動性能的重要指標，所以考察流體的切力對頂替效率的影響也非常重要。在赫巴模式下，變動流體動切力，數值模擬分析頂替效率的變化規律（圖4），隨著流體動切力的增大，頂替效率相應的提高，當流體動切力為20 Pa時，頂替效率約93.6%。

圖4 流體動切力對頂替效率的影響規律圖

4.2 稠度系數對頂替效率的影響

稠度系數影響流體的黏度［17-18］，進而影響頂替效率的大小。在赫巴模式下，研究流體稠度系數對頂替效率的影響規律，模擬分析結果如表2所示。

表2 流體稠度系數對頂替效率的影響表

根據表2分析可知，隨著流體稠度系數增大，頂替效率逐漸增加。稠度系數為0.3時，頂替效率為92.81%；稠度系數為0.8時，頂替效率為93.18%。

4.3 流性指數對頂替效率的影響

流體的流性指數在一定程度上代表了流體在一定速度梯度下的非牛頓性，反映了流體流速曲線的平緩程度和剪切稀釋性能［19-20］，所以，流性指數對頂替效率也會造成一定的影響（圖5）。

圖5 流體流性指數對頂替效率的影響圖

根據圖5模擬分析可知，隨著流體流性指數變大，頂替效率隨之提高。當流性指數為0.5時，頂替效率為92.5%；流性指數增加至1.0時，頂替效率為95.5%。綜上所述，增大動切力、稠度系數及流性指數對頂替效率的提高均有幫助。

5 結論

通過對鄂爾多斯盆地致密氣水平井鉆固井過程中頂替效率低下問題的研究，利用數值模擬的方法分別研究了偏心度、頂替速率、鉆井液密度、流體性能對頂替效率的影響規律，形成了如下結論：

1）偏心度為0.2時，頂替效率達到96.7%，基本為最大頂替效率。

2）采取低速頂替時，建議控制在0.6 m3／min以內；采取高速頂替時，建議控制在1.6 m3／min以上，該條件下頂替效率最高。

3）水泥漿和鉆井液的密度差控制在0.7 g／cm3左右時，頂替效率最佳。

4）增大流體動切力、稠度系數及流性指數也可提高流體頂替效率。