深井注水泥小间隙环空流动计算方法研究与应用——以塔河油田S井为例<br/>

深井注水泥小间隙环空流动计算方法研究与应用——以塔河油田S井为例

2014-04-27王治国潘少敏周鹏成

石油地质与工程 2014年3期

王治国，陈超，潘少敏，周鹏成

（中国石化西北油田分公司工程监督中心，新疆轮台841600）

油井小间隙环空一般指小于12.7 mm的环空间隙，小间隙井的水泥注替排量比常规井小30%～50%，而返速却又高一倍左右。环空间隙小易造成注替过程中出现井漏、环空易蹩堵、施工泵压高、水泥环薄且分布不均匀等情况。固井设计时应根据实际情况强化井眼准备、优化水泥浆设计等配套技术，以达到降低小间隙井固井风险、提高固井质量的目的。小间隙井的压降较大，用常规方法计算的压降比实际偏高25%～35%。因此，研究小间隙环空的流动计算规律对提高压力预测准确性具有积极的意义。

1 小间隙环空非牛顿流体的临界雷诺数

对非牛顿流体，随着流体的非牛顿性增强，其临界雷诺数愈大，流体越不易形成紊流。在实际的小间隙环空注水泥作业中，其顶替排量均较低，故顶替过程中的水泥浆雷诺数一般均在层流或过渡流之间。大多数的理论分析和实验表明，在环空内临界雷诺数的值应随环空直径比而增大，因此，在小间隙环空中对流态的判别标准不宜使用与常规流动计算中的标准，即：Rc＝3470－1370n。

Hanks在研究流体在矩形槽和环空流动的理论时认为，窄环空内的临界雷诺数比管内流动的临界雷诺数高。目前，国内外还没有专门针对水泥浆的实验数据进行有效的分析，但石油行业的实际应用情况表明［1］，常规计算中采用的紊流临界流量要偏低15%到20%。从这一研究可以看出［2－4］，小间隙环空的临界雷诺数应比常规环空有更明显的提高，因此，在进行小间隙流动计算时应考虑这一问题。大量文献和实验研究结果表明，流体在环空流动的紊流临界雷诺数的上限可达3800，根据这一分析，可将常规环空中对流态判别的标准提高15%到20%，作为其小间隙环空流态判别的标准，则有：

和常规环空幂律液体流动的雷诺数计算公式不同，小间隙环空雷诺数计算的模型可以用下式表示：

式中：Res——修正的雷诺数，无量纲；De——水力直径，cm；ρ——水泥浆密度，g／cm3；V——液体环空流速，m／s；K——稠度系数，Pa·sn；n ——流性指数，无量纲；Dw——井眼直径，cm；Dc——套管外径，cm。

2 小间隙环空注水泥流动计算方法研究

2.1 小间隙环空流变参数计算

常规的注水泥流变学标准规定水泥浆的流变参数使用旋转粘度计300转和100转的读值进行计算，这主要是考虑水泥浆在常规环空中的剪切速率在511s－1与170 s－1之间的缘故。在小间隙环空中，其水泥浆流动的剪切速率将大大增加，再用300转与100转的读值进行计算势必出现较大误差。表1列出不同井身结构及常用的液体流体流变性能和排量，计算出相应的剪切速率。

从表1可以看出，8寸半以下的井眼，环空剪切速率都大于500 s－1。计算水泥浆在小间隙的流变参数应以大于500 s－1进行计算，否则会带来计算值偏大的误差。对上述小间隙环空，如以排量10 L／s进行注水泥作业，其环空平均返速已达1.8 m／s左右。可以看出，在小间隙环空中，其水泥浆实际的剪切速率一般均在600转与300转之间，这时如再用300转与100转读值进行计算，则可能导致较大误差。因此，对小间隙环空进行流动计算时，应使用旋转粘度计600转和300转的读值进行流变参数计算。

表1 不同环形间隙的剪切速率 s－1

2.2 小间隙环空注水泥流动计算公式

注水泥过程进行流动计算的关键是如何准确计算流动阻力。归结起来，小间隙环空流动阻力的计算式可表达为：

如果水泥浆的流变参数按600转和300转计算，准确计算流动摩阻压力的关键便是流动摩阻系数f的确定。

2.3 摩阻系数的确定

在常规的固井计算中，摩阻系数f的计算公式为：

其中a，b的取值根据流态的不同而不同，在层流时，a＝24，b＝1；而在紊流时，a，b的取值根据流变模式的不同而不同。为准确计算小间隙固井时的f值，本文针对井眼情况，进行了理论计算和现场统计两方面的研究。从理论上分析，注水泥施工过程小间隙环空流动方程的建立从原理和方法上与常规环空的流动方程是一致的，因此，前面建立的流动方程同样适用于小间隙环空。但是，前面已说明了在小间隙环空中，流变参数计算方法和流态判别标准的变化对流动计算的影响将更为突出，其影响程度比常规间隙环空中这些因素的影响要大得多。如何更准确考虑小间隙环空的流动计算，其核心在于流态和摩阻系数的计算方法。

2.3.1 摩阻系数的理论计算

根据上面建立的雷诺数计算方法，可以得到其流动摩阻系数的计算。

对层流，可按考虑水力直径后计算的雷诺数，通过常规关系进行计算：

对于紊流，由于边壁效应的影响所占比例增大，同时，深井固井时由于井身结构限制，注水泥作业排量较小，处于由层流到紊流的过渡带的机会较大，故对紊流下的摩阻系数的计算采用适合于窄间隙的方法。

2.3.2 现场摩阻系数统计分析

本文采用试算法进行现场数据的统计分析，流程见图1。现场摩阻系数的确定可以根据已固井的数据，分析其摩阻系数f与流变性能、环空返速，环空几何尺寸的关系。建立一适用的经验系数，如：

图1 现场摩阻系数确定流程图

式中：Rheo——流变性系数。

2.4 压力平衡计算

在实际井眼中也存在如上层套管等非小间隙环空和管内流道，对这些流态的计算，仍然采用常规方法计算出相应流动阻力。使用前面建立的流动摩阻系数的计算方法，考虑流态影响、环空尺寸影响，可对环空进行分段计算，其计算公式可表达为：

式中：l——非小间隙的环空所分段数；m——小间隙环空所分段数。

上式即为针对实际情况而建立的深井小间隙固井环空流动压力的计算模型，这样，深井固井时的环空流动压力就可以通过计算非小间隙和小间隙环空的流动压力来求得。

3 S井142.9mm悬挂尾管小间隙环空注水泥计算

S井是西北油田分公司部署在塔河油田沙雅隆起阿克库勒凸起南部斜坡的一口开发井，钻探的主要目的层为奥陶系一间房组，设计井深为6 215 m，穿过盐膏层，钻井设计为盐膏层专打专封。由于盐膏层封固占一开次，这就使得油层尾管的封固所选套管尺寸受限，出现小间隙环空固井的情况。本开次固井前井眼扩大率为3.6%，套管选用无结箍套管加扶正短节相结合的套管组合增大流体过流面积。该井井深结构如表2所示。

本开次油层尾管环空间隙小、井深、施工难度高、压力预测难。运用文中模型计算得出本开次固井的最大施工压力为12.5 MPa，现场实测最大施工压力12.2 MPa，计算值与实测值之间相差2.4%，吻合度很高。