鄭雙進(jìn) （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

胡曉強(qiáng) （中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司增產(chǎn)作業(yè)公司，天津 300450）

陳英明，陳鏵，高立超 （中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧 盤錦 124000）

隨著固井作業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地質(zhì)條件與施工工況越來越復(fù)雜，合理設(shè)計(jì)注水泥施工參數(shù)是保證固井施工安全與固井質(zhì)量的關(guān)鍵。由于注水泥施工過程涉及的流體較多，在注替過程中由于管內(nèi)外流體密度差的影響，導(dǎo)致管內(nèi)流體在重力勢(shì)差作用下向管外加速自流，從而出現(xiàn)井口壓力為零的現(xiàn)象，該現(xiàn)象被稱為U型管效應(yīng)。U型管效應(yīng)對(duì)于固井施工安全和固井頂替效率均有不同程度的影響，在注水泥施工參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮尤為重要。

因此，基于流體力學(xué)理論，結(jié)合注水泥施工實(shí)踐分析U型管效應(yīng)的發(fā)生時(shí)間、消失時(shí)間，以及發(fā)生過程中流體的流動(dòng)狀態(tài)，提出一種考慮U型管效應(yīng)的井內(nèi)實(shí)際流量計(jì)算方法和注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于準(zhǔn)確分析實(shí)際注水泥施工過程中流體的流動(dòng)狀態(tài)，判別井筒壓力安全情況，輔助預(yù)測(cè)固井質(zhì)量具有重要的實(shí)際意義。

1 注水泥U型管效應(yīng)分析

注水泥過程涉及的流體種類眾多，包括鉆井液、沖洗液、隔離液、水泥漿、后置液、頂替液等流體，由于各種流體的功能需要，每種流體的流變性能各不相同，注替過程中流過井筒中每一段流道的壓耗也不一樣，而且在整個(gè)注替過程中，泵入流量也不固定。因此，注水泥施工過程中流體的流動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)壓力都在不斷變化。

一般情況下注替過程可分為3個(gè)階段：①注入初始階段，管內(nèi)外靜液壓差小于循環(huán)壓耗，井口壓力大于0，此時(shí)管內(nèi)流體界面連續(xù)，泵入流量等于井內(nèi)實(shí)際流量，未出現(xiàn)真空段；②真空段形成階段，隨著高密度水泥漿的不斷注入，管內(nèi)外靜液壓差逐漸增大，當(dāng)其大于循環(huán)壓耗時(shí)流體呈現(xiàn)自流現(xiàn)象，管內(nèi)出現(xiàn)真空段，此時(shí)井口壓力降為0，井內(nèi)實(shí)際流量大于泵入流量。隨著高密度流體的連續(xù)注入，井內(nèi)實(shí)際流量呈逐漸增大的趨勢(shì)；③真空段消失階段，當(dāng)水泥漿返出套管鞋進(jìn)入環(huán)空后，管內(nèi)外靜液壓差逐漸減小，井內(nèi)實(shí)際流量也逐漸減小，但由于井口流體仍在不斷注入，真空段長(zhǎng)度也逐步縮小直至消失。真空段消失后井內(nèi)實(shí)際流量迅速恢復(fù)至泵入流量，井口壓力恢復(fù)并逐漸增大。分析可知，在注替施工過程中的流體位置、井內(nèi)實(shí)際流量以及井筒壓力都是不斷變化的［1］。

尤其是深井固井過程中，在U型管效應(yīng)發(fā)生的前期，井內(nèi)實(shí)際流量過大造成環(huán)空壓力升高，容易壓漏地層，而在后期由于井內(nèi)實(shí)際流量大幅降低而難以達(dá)到紊流頂替，從而影響固井質(zhì)量。另外，在產(chǎn)生U型管效應(yīng)時(shí)，由于泵入流量和返出流量的變化容易引發(fā)水擊現(xiàn)象，給地層、套管及地面設(shè)備帶來損害；發(fā)生U型管效應(yīng)時(shí)，套管內(nèi)部出現(xiàn)真空段，該段套管內(nèi)壓力低于外部壓力，還容易造成套管變形或損壞［2］。因此，有必要系統(tǒng)分析整個(gè)注替過程中的流體動(dòng)態(tài)變化情況，盡量避免或減輕U型管效應(yīng)的影響，為注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，確保固井施工安全和提高固井質(zhì)量。

2 注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

通常在固井流體用量和性能已確定的條件下，主要通過調(diào)整注替流量來保證固井施工安全和良好的封固質(zhì)量。不同的注替流量會(huì)產(chǎn)生不同的井內(nèi)實(shí)際流量，因此準(zhǔn)確計(jì)算注替過程中任一時(shí)刻的井內(nèi)實(shí)際流量十分重要。

1）井內(nèi)實(shí)際流量計(jì)算 把套管內(nèi)與環(huán)空比作一個(gè)U型管，在任一時(shí)刻井口壓力的表達(dá)式如下：

式中：ps為井口壓力，MPa；pha為環(huán)空靜液柱壓力，MPa；pfa為環(huán)空流動(dòng)壓耗，MPa；phc為管內(nèi)靜液柱壓力，MPa；pfc為管內(nèi)流動(dòng)壓耗，MPa。

在注替過程的初期階段，由于未產(chǎn)生真空段，井內(nèi)實(shí)際流量等于泵入流量，此時(shí)根據(jù)式 （1）計(jì)算得ps＞0；隨著水泥漿等高密度流體的不斷注入，井口壓力逐漸降低，直至真空段產(chǎn)生后井口壓力為0，此時(shí)井內(nèi)實(shí)際流量已不等于泵入流量。在這種情況下，可采用如下方法計(jì)算井內(nèi)實(shí)際流量：假設(shè)某一時(shí)刻和某一泵入流量下計(jì)算得到的井口壓力剛好為0，那么隨著高密度流體的注入，管內(nèi)外靜液壓差增大，如果仍按上一時(shí)刻的流量進(jìn)行計(jì)算，必將導(dǎo)致下一時(shí)刻ps＜0，顯然不符合流體流動(dòng)規(guī)律。經(jīng)分析，出現(xiàn)ps計(jì)算值小于0是由于流量取值有誤，應(yīng)以泵入流量為基礎(chǔ)，附加一個(gè)小值后進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿足ps計(jì)算值趨近于0，此時(shí)的流量即為最終的井內(nèi)實(shí)際流量。

在式 （1）計(jì)算過程中，壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵，它直接影響了井內(nèi)實(shí)際流量的準(zhǔn)確性，且影響較明顯。在實(shí)際計(jì)算過程中，應(yīng)考慮裸眼段測(cè)井井徑的影響，并準(zhǔn)確測(cè)試流體的流變性能，選用合理的流變模式和計(jì)算模型，確保壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2）注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有3個(gè)原則：一是U型管效應(yīng)下的井內(nèi)實(shí)際流量增大不致于沖垮地層，形成的環(huán)空壓力不致于壓漏地層；二是在滿足固井施工安全的前提下保證主要封固段的頂替流量；三是盡可能地減輕U型管效應(yīng)的危害。因此，在注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)初步設(shè)計(jì)的注水泥施工參數(shù)計(jì)算井內(nèi)實(shí)際流量，保證其符合上述原則；如不符合則需反復(fù)迭代計(jì)算直至取得最佳值。由于迭代計(jì)算十分復(fù)雜，一般需要通過計(jì)算機(jī)編程處理，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)例應(yīng)用

筆者基于注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了計(jì)算軟件，并結(jié)合遼河油田某井進(jìn)行了計(jì)算與應(yīng)用。應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥漿與泥漿的密度差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的U型管效應(yīng)，在井口出現(xiàn)真空段。

該井為一口定向井，三開鉆深3500m，最大井斜24.7°，裸眼平均井徑281.3mm，下井套管直徑139.7mm，水泥返深2100m，井內(nèi)鉆井液密度為1.30g/cm3。經(jīng)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的注水泥施工參數(shù)如表1所示，軟件模擬井底壓力當(dāng)量密度曲線如圖2所示，模擬井內(nèi)實(shí)際流量曲線如圖3所示。

由圖2分析可知，在整個(gè)注水泥施工過程中井底壓力處于安全窗口內(nèi)，在以2.7m3/min的 施 工 排 量 替 泥漿時(shí)出現(xiàn)井底壓力最大值，為了保證井底壓力安全，采用0.6m3/min的施工排量替清水碰壓。由圖3分析可知，在約31min時(shí)井內(nèi)出現(xiàn)真空段，井內(nèi)實(shí)際流量逐步增大至 最 大 值 約 56L/s， 約66min時(shí)真空段消失后，井內(nèi)實(shí)際流量迅速恢復(fù)至井口泵入流量45L/s，在大排量沖洗和頂替作用下可有效促進(jìn)固井頂替效率的提高。因此，該方法在充分保障注水泥施工壓力安全的前提下，有助于提高固井質(zhì)量，可以在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

表1 注水泥施工參數(shù)表

圖2 井底壓力當(dāng)量密度模擬曲線

圖3 井內(nèi)實(shí)際流量模擬曲線

4 結(jié)論

1）由于固井作業(yè)涉及流體眾多，密度及性能各不相同，注替過程中產(chǎn)生的U型管效應(yīng)對(duì)固井施工安全和固井質(zhì)量具有直接影響，準(zhǔn)確計(jì)算井內(nèi)實(shí)際流量十分關(guān)鍵。

2）提出了一種基于井內(nèi)實(shí)際流量計(jì)算的注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法兼顧了固井施工安全與固井質(zhì)量，考慮因素全面，可為注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3）結(jié)合遼河油田某井進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用，結(jié)果表明注水泥施工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理可行，可在保障固井施工安全的前提下，有效促進(jìn)固井質(zhì)量的提高。

［1］黃志強(qiáng) .注水泥動(dòng)態(tài)過程研究與計(jì)算機(jī)模擬 ［J］.特種油氣藏，2009，16（3）：92～95.

［2］周照明，成月波，田毓海 .深井固井變排量減輕U型管效應(yīng)理論研究 ［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（7）：1863～1865.

［編輯］ 黃鸝