李士斌，劉廣維，姚輝陽，張立剛，李鋼

（1.東北石油大學石油工程學院油氣井工程系，黑龍江 大慶163318；2.中國石油大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江 大慶163318）

0 引言

大慶油田進入開發(fā)后期，地下情況變得越來越復雜，部分區(qū)塊井成片套損，套損井已嚴重影響油田開發(fā)效果。為防止標準層套損、提高套管的使用壽命、降低套損率，大慶油田使用控制水泥面工具來控制水泥返高，這對于預防標準層處套管過早損壞效果明顯［1-18］。但是，在使用該工具實施二次頂替的過程中，尼龍球到達預定位置的時間無法預測，使實際頂替量和預計頂替量無法吻合，造成套管內(nèi)殘留有一次頂替過程中被水泥漿污染的鉆井液，由于被污染的鉆井液局部稠化，黏切增高，從而使儀器下行困難甚至遇阻，進而導致測聲變時間延長。

據(jù)統(tǒng)計，大慶油田鉆井二公司2011年使用控制水泥面工具施工共計452 口井，測聲變遇阻83 口，遇阻率為18.36%。測聲變檢測遇阻后須進行通井作業(yè)，嚴重影響了固井質(zhì)量。對遇阻井通井再次進行聲變檢測后，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)46 口，合格37 口，優(yōu)質(zhì)率55.42%，與整體固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率72.9%相比下降了17.48%。測聲變遇阻問題已嚴重制約固井質(zhì)量的提高，且提高了鉆井時間和成本。因此，對于減少套管內(nèi)的殘留液頂替工藝及頂替介質(zhì)開展研究是十分必要的。

1 控制水泥面工具

在固井一次頂替完成后，套管中存在3 種液體，按從上到下的順序分別為清水、鉆井液、懸浮液。施工中，加壓，打開控制水泥面工具的循環(huán)孔，建立二次頂替循環(huán)通道，泄壓后開始二次頂替；向管內(nèi)投入數(shù)個小球并泵入清水，隨著清水將套管中的鉆井液頂替至環(huán)空中，小球隨清水下行，直至堵住工具循環(huán)孔，實現(xiàn)二次碰壓，工具關(guān)閉，二次頂替結(jié)束。這時套管中存在2 種液體，環(huán)空中存在3 種液體（見圖1）。

圖1 井筒工況示意

2 球體在套管內(nèi)的運動數(shù)學模型

小球在套管中的運動與球型固體顆粒在流體中運動情況相似，所以假設(shè)：小球垂直向下運動的速度為小球在套管中沿垂直方向的分速度，其他方向上的分速度不影響小球在垂直方向上的運動情況。球體受力、運動速度方向和流體流速方向，向上為正方向［2］。

2.1 計算球體在流體中的運動速度

球體在流體中運動，主要受重力G、流體浮力F 和流體阻力Fz影響，其表達式為

球體在流體中的運動方程為

當球體達到受力平衡狀態(tài)時,開始勻速運動，即

當ρs>ρf時，必有vf>vs，則

當ρs<ρf時，必有vf

2.2 阻力系數(shù)計算［3］

定義一個無因次數(shù)群A，包含球體直徑ds和極限速度vs。

當1.68×106≤A≤1.68×108，2.0×103≤Re≤2.0×105，則

2.3 平衡時間計算

3 現(xiàn)場應(yīng)用

不與控制水泥面工具組合的套管，外徑為139.70 mm，壁厚為6.20 mm，內(nèi)徑為133.50 mm；與控制水泥面工具組合的套管，外徑為139.70 mm，壁厚為7.72 mm，內(nèi)徑為131.98 mm； 控制水泥面工具，外徑為178.00 mm，壁厚為7.72 mm，內(nèi)徑為170.28 mm，長度為1 900.00 mm，質(zhì)量為90 kg，打開壓力為16 MPa，關(guān)閉壓力為20 MPa?？刂扑嗝婀ぞ呦氯肷疃葹闃藴蕦右韵?0～15 m，一般下入井深為700～1 000 m，清水頂替的平均排量約為1.5 m3/min。

圖2 控制水泥面工具

由以上數(shù)據(jù)及有關(guān)公式，計算得出，vf為1.78 m/s，A 為1.38×107，CD為0.39，vs為1.43 m/s，t0為0.6 s。

計算結(jié)果表明，關(guān)閉球從投入到平衡的時間極短，可忽略不計，也即關(guān)閉球在套管內(nèi)受力平衡后的運動近似為勻速運動。根據(jù)現(xiàn)場杏5-3-斜P932、喇2-3910井的數(shù)據(jù)，應(yīng)用本文模型得出的計算時間與實際時間 誤差在0.1%左右，本文模型符合實際應(yīng)用（見表1）。

表1 控制水泥面工具參數(shù)

4 結(jié)束語

通過對球體在套管內(nèi)運動狀態(tài)的研究，建立了任意流固密度條件下，球體在流體中運動的速度計算模型。通過計算關(guān)閉球達預定位置的時間，實現(xiàn)了預計頂替量與實際頂替量的吻合。該模型有效解決了在套損區(qū)及三次加密調(diào)整固井時，使用控制水泥面工具來控制水泥返高，預防油層套管損壞過程中出現(xiàn)的延時聲變檢測遇阻問題，對提高固井質(zhì)量，節(jié)省鉆井時間和成本有實際意義。

5 符號注釋

G 為重力，N；F 為浮力，N；Fz為阻力，N；Re 為雷諾數(shù)；CD為阻力系數(shù)；H 為工具下入深度，m；Vs球形顆粒體積，m3；g 為重力加速度，m/s2；vf為流體流速，m/s；vs為球形顆粒的極限速度，m/s；ρs為顆粒密度，kg/m3；ρf為流體密度，kg/m3；Q 為流體平均排量，m3/min；ds為球形顆粒直徑，m；μf為流體黏度，Pa·s。

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