胡佳佳(中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京 102249)

深海固井頂替液參數(shù)的數(shù)值模擬

胡佳佳(中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京 102249)

本文數(shù)值模擬了深海固井頂替過程，其中頂替液為水泥漿，基于100米長的物理模型，基于兩相流體力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紤]了兩相界面的質(zhì)量擴(kuò)散、考慮了層流與湍流耦合作用，應(yīng)用流體軟件模擬頂替過程，獲得了不同頂替液流變參數(shù)下頂替效率的發(fā)展規(guī)律。

深海固井；數(shù)值模擬；水泥漿；頂替效率

0 引言

深海固井頂替作業(yè)中，水泥漿的流變參數(shù)是影響頂替效率和固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，由于頂替效率涉及影響因素較多，如地層條件、井身結(jié)構(gòu)、流體流變參數(shù)等，目前國內(nèi)還難以利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)精確物理模擬，所以學(xué)者們大多數(shù)采用數(shù)值模擬方法，但數(shù)值模擬過程往往采用的是短尺寸模型。本文應(yīng)用Fluent軟件對水平井頂替進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，采用100米長的物理模型，應(yīng)用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，其中頂替液為水泥漿，被頂替液為鉆井液，系統(tǒng)研究不同水泥漿流變參數(shù)對頂替效率的影響，得出水泥漿流變參數(shù)臨界值，為水泥漿流變參數(shù)的優(yōu)選提供了參考。

1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

流變模式的合理選擇是優(yōu)化水泥漿配方設(shè)計(jì)的前提，目前國內(nèi)外普遍選擇賓漢流變模式和冪律流變模式來描述水泥漿的流變性能。油氣井注水泥時(shí)，由賓漢塑性流體模型和冪律模型進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算的結(jié)果都相當(dāng)接近，但冪律模型更為精確，所以本文水泥漿使用冪律流變模式，鉆井液則使用賓漢流變模式。

①冪律方程的形式為：

式中：

τ為切應(yīng)力，Pa；

K為稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ為剪切速率，s-1；

n為流性指數(shù)，無因次。

②賓漢方程的形式為：

式中：

τ為切應(yīng)力，Pa；

τ0為動(dòng)切力，Pa；

ηp為塑性粘度，Pa·s；

γ為剪切速率，s-1。

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

基于以上物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，水泥漿頂替鉆井液為正密度差條件下之間的液液兩相流動(dòng)，在寬窄邊效應(yīng)、重力作用、質(zhì)量擴(kuò)散等多種因素耦合影響下，表現(xiàn)出特有的頂替界面特征。在鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力及水泥漿流性指數(shù)已知的情況下，模擬水泥漿流性指數(shù)對頂替過程的影響，具體參數(shù)值如下表：模擬水泥漿稠度系數(shù)對頂替過程影響

頂替液 密度(kg/m3) 流性指數(shù) 稠度系數(shù)(Pa·sn)水泥漿 1900 0.5 0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8被頂替液 密度(kg/m3)塑性粘度(Pa·s) 動(dòng)切力(Pa)鉆井液 1300 0.02 20

在水泥漿和鉆井液的參數(shù)參照表的情況下，不同水泥漿稠度系數(shù)對頂替效率的影響見圖。

水泥漿稠度系數(shù)對頂替效率的影響

在各項(xiàng)固井施工參數(shù)與模擬參數(shù)基本一致的情況下，當(dāng)水泥漿稠度系數(shù)為0.3～0.6Pa ·Sn 時(shí)，頂替效率隨著稠度系數(shù)的增加而升高；水泥漿稠度系數(shù)大于0.6～0.8Pa ·Sn時(shí)，頂替效率隨著稠度系數(shù)的增加而略微降低。由此可以得出，固井頂替過程中，水泥漿稠度系數(shù)大于0.6時(shí)，頂替效率較高。

3 結(jié)語

(1)針對深海固井頂替問題，考慮物質(zhì)輸運(yùn)模型描述兩相流體之間的質(zhì)量擴(kuò)散與流態(tài)識別，建立了數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為深海固井頂替提供了有效的研究手段?/p>

(2)在本文計(jì)算條件下，水泥漿稠度系數(shù)對頂替效率影響規(guī)律明顯，稠度系數(shù)則在0.6前后規(guī)律發(fā)生反轉(zhuǎn)，稠度系數(shù)大于0.6時(shí)，頂替效率較高，所以將流變參數(shù)控制在合理范圍內(nèi)能夠獲得較高的頂替效率。