張偉，劉洋，鮮明

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610052）

固井頂替效率是影響固井質(zhì)量的重要因素，其研究始于1940年，JONES等首次通過實(shí)驗(yàn)開展了注水泥頂替機(jī)理研究，提出了套管居中度是影響頂替效率的重要因素[1]。1967年HOWARD提出了“臨界動切力”概念[1]，系統(tǒng)研究了水泥漿與鉆井液流變性級配對頂替效率的影響。1979年HAUT提出了紊流頂替理論，系統(tǒng)研究了環(huán)空流態(tài)、紊流接觸時(shí)間對頂替效率的影響[2]。2014年馮福平[3]建立了固井頂替解析模型，并提出了偏心環(huán)空頂替理論。2019年孫勁飛[4]建立了大型頂替效率有限元模型，進(jìn)一步系統(tǒng)分析了套管偏心、液體流變性、密度差、紊流等對頂替效率的影響，基于以上研究提出了影響固井頂替效率的六大因素：套管居中度、流體流動狀態(tài)、紊流接觸時(shí)間、鉆井液流變性、觸變性、水泥漿與鉆井液密度差。

已有的研究成果主要基于兩相流，即隔離液頂替鉆井液、水泥漿頂替隔離液，其對川渝地區(qū)高壓氣井的適應(yīng)性需要進(jìn)一步驗(yàn)證[5-6]。因此，選取四川盆地磨溪-高石梯地區(qū)Φ177.8 mm尾管固井作為頂替效率計(jì)算對象，采用固井頂替模擬軟件，分析套管居中度、環(huán)空返速、鉆井液動切力、前置液漿柱結(jié)構(gòu)4種主要因素對頂替效率的影響。

1 套管居中度對頂替效率影響分析

由于井斜及井徑不規(guī)則，在套管自重及彎曲應(yīng)力作用下，套管發(fā)生微小彎曲，偏離井眼軸線，無法實(shí)現(xiàn)100%居中度。在偏心環(huán)形空間內(nèi)，不同間隙處的阻力并不相等，間隙小，阻力大，液體流動困難。采用固井頂替軟件模擬頂替效率，計(jì)算參數(shù)如表1所示，套管居中度變化范圍20%～70%。

表1 頂替效率計(jì)算參數(shù)

頂替效率計(jì)算結(jié)果如圖1所示。頂替效率基本與套管居中度正相關(guān)，即套管居中度提高，頂替效率隨之而增加。當(dāng)套管居中度達(dá)到60%時(shí)，頂替效率為95.46%，固井質(zhì)量能獲得較好的保障。據(jù)此，建議套管平均居中度不應(yīng)低于60%。而套管居中度達(dá)到70%時(shí)，頂替效率已經(jīng)達(dá)到了97.75%，基本實(shí)現(xiàn)了“替盡”。為了實(shí)現(xiàn)較高的套管居中度，需要合理設(shè)計(jì)套管扶正器安放間距和類型。對于井斜超過30°井段，應(yīng)考慮加密扶正器；井斜超過45°井段，參照1根套管安放1個(gè)扶正器，扶正器類型可考慮剛性扶正器和彈性扶正器間隔安放；水平井段應(yīng)同時(shí)兼顧套管居中度和套管安全下入，考慮滾珠扶正器和彈性扶正器間隔安放。

圖1 套管居中度對頂替效率影響

2 環(huán)空返速對頂替效率影響分析

前置液及水泥漿在不同的環(huán)空返速下呈現(xiàn)出不同的流態(tài)。按照流速從低到高，流體逐步從層流過渡到紊流。流體流速越高，剪切速率越高，越有利于清除井壁殘留鉆井液，是影響固井頂替效率的重要因素。為了合理設(shè)計(jì)施工排量，實(shí)現(xiàn)頂替效率最優(yōu)化，分別計(jì)算套管居中度為50%和60%，環(huán)空返速在0.6～1.6 m·s-1范圍內(nèi)（川渝地區(qū)固井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）的頂替效率，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 居中度50%時(shí)返速對頂替效率影響

圖3 居中度60%時(shí)返速對頂替效率影響

當(dāng)環(huán)空返速超過1.2 m·s-1時(shí)，水泥漿達(dá)到了高速層流狀態(tài)，頂替效率較1.0 m·s-1急劇增加；套管居中度為50%時(shí)，欲獲得95%以上的頂替效率，環(huán)空返速不應(yīng)低于1.2 m·s-1，套管居中度為60%時(shí)，欲獲得95%以上的頂替效率，環(huán)空返速不應(yīng)低于1.0 m·s-1。以Φ177.8 mm尾管固井為例，當(dāng)施工排量達(dá)到1 m3·min-1時(shí)，環(huán)空返速就能滿足1.0 m·s-1的要求；當(dāng)施工排量達(dá)到1.2 m3·min-1時(shí)，環(huán)空返速就能滿足1.2 m·s-1的要求。固井施工過程應(yīng)重視施工連續(xù)性和施工排量的穩(wěn)定性，保證返速達(dá)到高速層流。

3 鉆井液動切力對頂替效率影響分析

鉆井液體系在鉆進(jìn)過程中屬于細(xì)分散體系，為保證懸浮巖屑及井壁穩(wěn)定，具有較高的黏切值。而在固井時(shí)，為了獲得較高的頂替效率，需要將鉆井液體系轉(zhuǎn)變?yōu)榇址稚Ⅲw系，弱凝膠特性，即具有低黏切值和觸變性。為了在固井前對鉆井液流變特性提出量化指標(biāo)，分析鉆井液動切力對頂替效率的影響規(guī)律。

鉆井液動切力在6～16 Pa范圍內(nèi)的頂替效率計(jì)算結(jié)果如圖4所示。在鉆井液動切力超過8 Pa后，頂替效率急劇下降，是影響頂替效率的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，欲獲得95%以上的頂替效率，鉆井液動切力不應(yīng)超過8 Pa。通過川渝地區(qū)高石梯-磨溪區(qū)塊、雙魚石構(gòu)造、川西南區(qū)塊、下川東區(qū)塊數(shù)百口井次現(xiàn)場實(shí)踐表明，鉆井液密度低于2.30 g·cm-3時(shí)動切力均可調(diào)整至8 Pa以內(nèi)，同時(shí)兼顧鉆井液高溫穩(wěn)定性。當(dāng)鉆井液密度高于2.30 g·cm-3時(shí)流變性及高溫性能調(diào)整較困難，可在泵注隔離液前泵注20～30 m3流變性較好的先導(dǎo)漿，其密度可低于鉆井液0.03～0.05 g·cm-3，以置換裸眼段鉆井液，提高頂替效率。

圖4 鉆井液對頂替效率影響

4 前置液漿柱結(jié)構(gòu)對頂替效率影響分析

前置液用量分析國外已有經(jīng)典理論，不再累述，本文將重點(diǎn)落于前置液漿柱結(jié)構(gòu)對頂替效率的影響。前置液漿柱結(jié)構(gòu)主要有3種：國內(nèi)固井服務(wù)公司多采用沖洗型隔離液+后沖洗液，前沖洗液+沖洗型隔離液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)，而斯倫貝謝等國外固井服務(wù)公司則采用前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)。因此，采用以下3種漿柱結(jié)構(gòu)作為計(jì)算條件，分析頂替效率。

1）沖洗型隔離液+后沖洗液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)：密度2.20 g·cm-3沖洗型隔離液10 m3（塑性黏度30 mPa·s，動切力7 Pa）+密度1.03 g·cm-3的沖洗液3 m3。

頂替效率計(jì)算結(jié)果如圖5所示。采用此前置液漿柱結(jié)構(gòu)頂替效率為94.10%，較未使用隔離液的頂替效率提高2.51%。頂替結(jié)束后，有殘留泥膜，但沒有明顯鉆井液滯留區(qū)。

圖5 漿柱結(jié)構(gòu)1頂替效率

2）前沖洗液+沖洗型隔離液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)：密度1.03 g·cm-3的沖洗液3 m3+密度2.20 g·cm-3沖洗型隔離液10 m3（塑性黏度30 mPa·s，動切力7 Pa）。

頂替效率計(jì)算結(jié)果如圖6所示。采用此前置液漿柱結(jié)構(gòu)頂替效率為92.86%，較未使用隔離液的頂替效率提高0.27%。頂替結(jié)束后，窄間隙存在明顯滯留區(qū)。

圖6 漿柱結(jié)構(gòu)2頂替效率

3）前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)：密度1.03 g·cm-3的沖洗液3 m3+密度2.20 g·cm-3黏性隔離液10 m3（塑性黏度100 mPa·s，動切力10 Pa）。

頂替效率計(jì)算結(jié)果如圖7所示。采用此前置液漿柱結(jié)構(gòu)頂替效率為92.78%，較未使用隔離液的頂替效率提高0.19%。頂替結(jié)束后，基本無鉆井液殘留。

圖7 漿柱結(jié)構(gòu)3頂替效率

綜上所述，采用沖洗型隔離液+后沖洗液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)有利于提高頂替效率，有助于改善界面沖刷效果，不存在明顯鉆井液滯留區(qū)；采用前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)雖然頂替效率不高，但卻實(shí)現(xiàn)了對鉆井液的“替盡”，環(huán)空僅殘留隔離液。在隔離液與水泥漿相容性好、對水泥石強(qiáng)度影響不大的前提下，可以選擇前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

通過分析套管居中度、環(huán)空返速、鉆井液動切力、前置液漿柱結(jié)構(gòu)對頂替效率的影響，對頂替參數(shù)提出以下要求：套管平均居中度不應(yīng)低于60%；套管居中度為50%時(shí)，環(huán)空返速不應(yīng)低于1.2 m·s-1，套管居中度為60%時(shí)，環(huán)空返速不應(yīng)低于1.0 m·s-1；鉆井液動切力不應(yīng)超過8 Pa；采用沖洗型隔離液+后沖洗液的前置液漿柱結(jié)構(gòu)有利于提高頂替效率，有助于改善界面沖刷效果。