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。
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
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。
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
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)。
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。