固井现场提高顶替效率措施分析及应用

固井作业中,如果未能有效驱替水泥、注水泥顶替效率低下,往往无法有效防止钻井液窜槽,从而影响到水泥胶结质量和水泥封固效果。固井质量优质率高,较高的顶替效率是重要因素之一。

顶替效率是固井施工过程中较难控制的因素,它受到现场多种复杂因素的影响,如井眼条件、钻井液和水泥浆化学兼容性、水泥浆性能、施工工艺,前置液的选取和使用等。为了提高顶替效率,目前常用的方法是加入套管扶正器、在套管上使用泥饼刷、活动套管等措施,普遍共识紊流顶替最佳。

1 影响水泥浆顶替效率因素分析

为了保证环形空间的固封质量,首先要保证水泥浆与钻井液的顶替质量。为了保证顶替质量,必须满足如下要求:

·采取适当的措施和施工工艺,确保注水泥浆的环形空间中水泥浆对钻井液充分顶替;

·水泥浆返高和套管内水泥塞的高度应符合设计要求。

1.1 影响顶替效率的几种因素

在固井作业中,受井眼地质条件或壁面剪应力等都会对水泥浆顶替效率产生影响。研究表明,影响水泥浆顶替效率的因素主要为如下八个:·井身条件;·反速(流态);·套管偏心;·钻井液性能;·前置液设计;·水泥浆性能;·封固段长度;·固井施工。

在顶替过程中,尤其重要的是要研究钻井液与水泥浆之间的相互作用,不仅仅是双方的物理特性,也要注意钻井液与水泥浆是否会产生化学不匹配的现象。化学反应:通常是由钻井液中的处理剂和水泥浆中的外加剂之间产生的不匹配反应,从而引发凝胶效应,从而导致浆体快速凝结,不仅仅影响顶替效果,甚至会造成工业事故。物理特性造成的影响:物理特性发面,主要是钻井液的阻力和水泥浆的动力。只有增大水泥浆的动力,减少钻井液的阻力,才能保证水泥浆对钻井液的均匀顶替,从而保证良好的顶替效果。

2 现场影响因素分析

2.1 套管偏心

在现场作业中,套管偏心常常会造成环形空间得不对称,由于不对称的存在,对于钻井液的分布,流体产生影响,尤其是窄间隙中的流体,由于水泥浆极难在其中形成紊流,而以层流流动,无法进行充分顶替,从而影响固井质量:

·在水泥浆对泥浆进行顶替时,由于宽间隙空间易形成紊流而窄间隙往往以层流流动,造成顶替效率不同,在宽间隙已顶替完毕的情况下,窄间隙没有充分顶替,从而造成泥浆窜槽,对固井质量造成影响;

·宽间隙内的顶替效果好,而窄间隙内的顶替效果差,水泥浆处于较低的位置,会影响环形空间的密封质量,甚至造成事故。

在现场,一般用扶正器来减少套管的偏心程度,提高顶替效率。

2.2 水泥浆与泥浆对顶替效率的影响

在水泥浆对泥浆进行顶替时,需要依靠水泥浆的剪应力来清除附着在井壁上的胶凝泥浆。因此,必须增大的水泥浆的剪应力,剪应力明显大于泥浆胶凝强度,才能在有效时间内高效清除胶凝泥浆;如果剪应力与泥浆凝胶强度相当,需要适当提高清除时间;在实际施工中,往往利用前置液在稀释泥浆来提高清除效率,提高顶替效果。

2.3 水泥浆的流态

液体的紊流状态和均匀的流速剖面,能实现水泥浆均匀顶替钻井液的效果。水泥浆的紊流程度越高,这种作用越明显。

紊流顶替计算步骤,现场为简化计算,常用以下经验公式:

(2)确定临界雷诺数:Re=2300

(3)确定环空临界返速,现场常用的雷诺数表达式:

其中:V——临界返速m/s

n——流性指数

K——稠度系数

ρ——水泥浆的密度g/cm3

D——井径mm

d——套管外径mm

(4)确定临界排量:

其中:Q——临界排量,L/S

3 应用

3.1某井资料:直井,完钻井深2941米,井径:221.9mm,套管外径:139.7mm。

水泥浆性能:低密度水泥浆比重1.33,六速旋转粘度计数据如下:

所以

所以,该井驱替水泥浆时,紊流顶替临界排量为31L/S,为现场施工排量做重要参考。

4 结语

固井现场提高水泥浆顶替效率措施总结如下:

(1)加正器提高套管居中度,对提高顶替效率有益,这是提高顶替效率的一般因素。

(2)注一定量的前置液不仅能隔离泥浆和水泥浆,还能稀释泥浆,对提高顶替效率有益,这是提高顶替效率的一般因素。

(3)驱替水泥浆时采用紊流替浆,在地层条件允许的情况下,替浆排量可以大于紊流替浆的临界排量,尽量保证窄间隙的水泥浆也能达到紊流状态,这是提高顶替效率的重要因素。

摘要：在固井作业中,由于受井眼条件、钻井液和水泥浆的化学兼容性、水泥浆性能、施工工艺、前置液的选取和使用、液体的流态等多种条件因素的存在,影响到注水泥的顶替效率。基于顶替效率对于固井质量的重要影响,有必要对注水泥顶替机理进行深入研究以确保现场作业中能够有效提高顶替效率。本文针对现场的影响因素进行了分析探讨,在实际应用中获得良好的效果。

关键词：固井,水泥浆,钻井液,顶替

参考文献

[1] 刘崇建,黄柏宗.徐同台,刘孝良等.油气井注水泥理论与应用.北京:石油工业出版社,2001.

[2] 李早元,郭小阳,杨远光.固井前钻井液性能调整及前置液紊流低返速顶替固井技术.钻井液与完井液,2004;(4).

[3] 杨旭,前置液的紊流临界返速和使用量的推导.钻采工艺,1995;(4):76-79.