密度差對水平段固井頂替界面影響規律研究

顏培育

中海油田服務股份有限公司油田化學事業部伊拉克油化項目組 河北 廊坊 065000

密度差對水平段固井頂替界面影響規律研究的重要性在石油工程領域中是不可忽視的，水平段固井是一種在地下進行的關鍵操作，用于在油氣井中完成油層的開發與生產，密度差是指在固井過程中井筒內外不同介質的密度差異。密度差影響著固井過程中的流體運動和界面穩定性，如果密度差不合理或未考慮到密度差的影響，可能導致流體不穩定、固井液逆浸、水泥漿漏失等問題，從而引發井下事故和環境污染[1]。密度差會影響水泥漿在井筒內的上升速度、分布均勻性和附著性，研究密度差對固井頂替界面的影響，有助于優化水泥漿配方和固井操作參數，提高固井質量，確保油氣井的長期穩定生產[2]。本次研究主要是引入數值模擬的方法，開展密度差對水平段固井頂替界面影響規律研究，為保障固井作業的安全與質量奠定基礎。

1 數值實驗模型

1.1 水平段環空流場計算網格模型

在開展密度差對水平段固井頂替界面影響規律研究時，建立水平段環空流場的計算網格模型是一個重要的步驟，該模型的合理建立可以幫助準確模擬流體在井筒內的流動行為，從而深入研究密度差對固井頂替界面的影響。首先要確定研究的水平段井筒區域范圍，包括井口、水平段井段和井底等部分，根據研究目的，可選擇只考慮水平段井段或者包括上下游區域，根據研究需求，可選擇結構化網格或非結構化網格，結構化網格適用于較規則的幾何形狀，易于處理和計算，非結構化網格適用于復雜的幾何形狀，靈活性更高，將研究區域劃分為小的網格單元，即網格劃分，網格密度的選擇需平衡計算精度和計算成本，對于關鍵區域，可以適當提高網格密度以獲得更精細的模擬結果，確定各個邊界的邊界條件[3]。這些條件包括入口條件、出口條件、壁面條件等，確定所采用的流動模型，通常在石油工程中采用Navier-Stokes方程的簡化形式，如雷諾平均N-S方程，選擇適當的數值求解方法，如有限差分法、有限元法等，同時，需要考慮流體的不可壓縮性以及流場中可能存在的多相流現象，利用計算流體力學軟件對建立的網格模型進行數值模擬，在模擬前，應當對模型進行驗證，比較模擬結果與實驗數據或已有的解析解，確保模型的可靠性和準確性。此次研究中建立的模型水平井外徑為215.9mm，考慮8%井徑擴大率后的水平井外徑為233 mm，采用139.7 mm外徑套管進行固井的頂替情況，居中度分別設置為30%、50%、66.7%、85%和100%，在流場空間離散方面，采用了結構網格來布置離散點，網格數量設定為600萬個，并進行了1000秒的固井頂替計算，為了更好地捕捉頂替界面，采用了網格局部加密技術進行流場計算。

1.2 水平段環空固井頂替流體力學模型

在開展密度差對水平段固井頂替界面影響規律研究時，頂替界面的組分方程是用來描述界面上各組分的質量守恒關系的方程，在水平段固井中，涉及到多相流體，通常包括水泥漿、井液、氣體和油等組分，此次研究采用簡化的組分方程描述頂替界面上兩種組分的質量守恒關系。在此次研究中，當某種組分的質量分數為0時，假設為一種固體流體，當某種組分的質量分數為1時，假設為另一種固體流體，當某種組分的質量分數處于0～1區間內時，假設為兩種流體混漿的頂替界面。初值條件和邊界條件是數值模擬中的關鍵要素，用于描述問題的初始狀態和邊界特性，在進行初值條件設定時，確定初始時刻，水平段井筒內各組分的密度分布情況，設定初始時刻各組分在水平段井筒內的速度場分布情況，包括大小和方向，設定初始時刻各組分在水平段井筒內的體積分數分布情況，即各組分的占比，此次研究中設定初始時刻速度場均為零[4]。在進行邊界條件設定時，設置水平段井筒入口處的流體速度、密度、體積分數等條件，通常情況下，入口處可以設定為固定值或根據實際情況提供流體的注入速率和組分信息，設定水平段井筒出口處的流體壓力或速度條件，用于模擬流體從水平段井筒流出的情況，設置套管內壁面的條件，通常可以采用固壁條件，即假設套管內壁面為固定且不滲透的，或者根據實際情況提供相應的壁面特性，如水泥漿的附著能力等[5]。

2 數值實驗與結果分析

2.1 數值實驗方案

在開展數值實驗方案設計的過程中，需要研究不同密度差條件下水平段固井頂替界面的影響規律，分析密度差對固井質量的影響，建立合適的水平段固井模型，考慮到實際井筒條件，包括套管、井壁、固井漿體等參數，選擇不同密度差水平段固井漿體組合，比如高密度漿體與低密度漿體的組合，并設定不同密度差的數值范圍，在研究結束后，需要根據數值模擬結果，分析不同密度差條件下的固井頂替界面形成情況、固井質量、套管居中度等指標，對比不同密度差條件下的數值結果，得出密度差對水平段固井頂替界面的影響規律及固井質量的變化趨勢。水平井固井頂替過程中存在兩個界面：水泥漿頂替隔離液和隔離液頂替鉆井液。文中以隔離液頂替鉆井液為例進行研究，為了深入了解這種影響，文中設計了25個數值實驗，分別考慮了5個不同居中度和5個不同密度差的情況。鉆井液密度設置為1.20g/cm3，并基于相對運動的原理，在300m的環空網格模型上進行了1000秒的數值模擬，保存了每秒的頂替界面體積分數云圖。本文的研究為水平井固井頂替過程提供了有價值的數據和結論，研究表明不同居中度和密度差會導致不同的頂替界面形態和穩定性，這對于優化固井頂替工藝，確保井下安全和提高產能具有重要意義，同時，文中提到這些結論對于水泥漿頂替隔離液也具有一定的參考價值，為未來研究提供了更廣泛的應用前景。

2.2 居中度與密度差對頂替界面影響規律研究

在低居中度條件下，密度差對頂替的影響可能會更加顯著，因為偏心位置會導致流體在水平井筒內形成不均勻的流動場，從而影響頂替界面的形成和演化過程，低居中度條件下，固井頂替界面可能會更加不穩定，因為在偏心位置，密度差可能會加劇流體的攪拌和混合，導致界面的波動和不規則性增強，低居中度條件可能導致頂替界面位置相對偏移，使得界面偏離原本居中位置，這可能對固井的密封效果和固井質量產生影響，在低居中度條件下，密度差可能會影響固井頂替的速率，使得頂替過程的時間變化，從而影響固井的施工進度和效率，密度差可能導致頂替界面形態的變化，例如界面的擴散、分層和分散現象。在中等居中度條件下，密度差對頂替的影響可能會表現出一些特定的規律，密度差可能會影響頂替界面的形態穩定性，相對于低居中度條件，中等居中度情況下，界面可能更趨向于穩定形態，不會出現明顯的波動和不規則性，在中等居中度條件下，密度差可能會對居中位置附近的界面形成和演化產生更直接的影響，這些區域可能會對固井的密封性和固井質量產生更重要的影響，密度差可能會影響固井頂替的速率，在中等居中度條件下，界面的頂替速率可能處于中間水平，不會過于迅速或緩慢，密度差可能會影響頂替界面的寬度和擴散情況，在中等居中度條件下，界面的寬度可能會適中，不會過于擴散或收縮。在高居中度條件下，套管相對完全居中，使得固井頂替界面更加穩定，密度差可能會對界面的穩定性產生影響，但由于套管居中，界面可能更趨向于保持規則和穩定的形態，密度差對界面的寬度可能會有一定影響，在高居中度條件下，由于相對居中，界面寬度可能不會出現過于擴散或收縮的情況，而是處于適中狀態，密度差可能對固井頂替的速率產生影響，相對居中的套管位置可能導致界面的頂替速率較為穩定，但密度差的變化可能影響頂替的時間尺度，密度差可能對界面形態產生微小的影響，相對較高的居中度條件可能使界面更加規則，但密度差可能在局部區域產生一些形態變化。理想居中度條件指的是水平井套管在水平井段中處于完全居中的位置，即套管完全對稱于水平井的中心線，由于套管完全居中，頂替界面的形態可能會保持相對穩定和規則，不會出現明顯的波動或變形，固井頂替過程可能會更加均勻和穩定，密度差對頂替速率的影響可能較為平緩，使得頂替界面形成的相對均勻，密度差可能會對頂替界面的寬度產生一定的影響，但在理想居中度條件下，由于套管位置的對稱性，界面寬度可能相對受到較好的控制，密度差可能對界面位置的影響較為明顯，因為套管完全居中，密度差將直接影響界面位置的偏移和形態。

2.3 對固井施工的指導意義

開展密度差對水平段固井頂替界面的影響規律研究對于提高固井作業的質量具有重要意義，研究結果將揭示密度差對固井頂替界面形態和穩定性的影響規律，根據研究結果，可以優化固井頂替工藝，選擇合適的居中度和密度差來實現更穩定、更高效的固井頂替過程，這將有助于減少固井問題，提高固井質量，降低施工風險，研究可以揭示密度差對固井頂替界面的影響，幫助識別潛在的固井問題和不穩定因素，通過了解密度差的作用，可以采取相應的措施，確保固井的完整性和穩固性，避免固井失效和井下事故，合理選擇密度差可以降低固井施工的復雜性和成本，研究結果將有助于優化固井液配方和操作參數，減少特殊添加劑的使用，從而節約施工成本。通過深入了解密度差對固井頂替界面的影響，可以優化固井工藝，提高固井質量，從而確保油氣井的長期穩定生產，高質量的固井頂替過程將提高產能和增加開發效率，研究密度差對固井頂替界面影響的規律，需要借助先進的實驗設備和數值模擬方法，這將推動固井技術的發展，促進固井領域的技術創新和改進。根據全文研究結果，通過在扶正器下入的條件和密度差的設計上做適當的調整，可以有效提高水平段套管的居中度，此外，推薦優先采用密度差較大的漿體設計，以實現理想的隔離液頂替效果，并顯著提高固井界面的膠結程度和固井質量。

3 結束語

通過研究可以發現，在進行水平段固井時，當扶正器的扶正條件和密度差設計允許時，建議盡量提高套管的居中度與密度差。這樣可以實現理想的隔離液頂替效果，從而提高固井質量。當井眼條件較差且扶正器下入困難時，可采用密度差較大的漿體設計，以顯著減少偏心環空窄邊的鉆井液滯留，降低隔離液頂替界面混漿長度，從而提高隔離液頂替效率，進而提高固井質量。