水平井固井顶替不同密度差数值模拟研究

汪鹏 邓桥(中国石油大学(北京)石工学院, 北京 102249 )

水平井固井顶替不同密度差数值模拟研究

汪鹏 邓桥(中国石油大学(北京)石工学院, 北京 102249 )

针对水平井固井顶替问题，本文通过建立物理模型，应用Fluent软件模拟了水泥浆对钻井液的顶替过程，揭示了不同水泥浆与钻井液密度差条件下界面长度与顶替效率的发展规律。

密度差；固井顶替；数值模拟；顶替效率

0 引言

水平井固井顶替作业中，顶替液与被顶替液的密度差是影响顶替效率和固井质量的关键因素之一，由于顶替效率涉及影响因素较多，如地层条件、井身结构、流体流变参数等，国内外学者对水平井顶替进行了大量的研究，取得了很多成果，大幅提高了固井质量。本文应用Fluent软件对水平井顶替进行数值实验，采用100米长的物理模型，顶替液为水泥浆，被顶替液为钻井液，系统研究不同密度差对界面长度和顶替效率的影响，为密度差的优选提供了参考。

1 物理模型

利用Gambit软件建立水平井固井顶替三维物理模型，忽略井眼不规则与扶正器的影响，环空尺寸：井眼直径为215.9mm，井径扩大率以8%计算，则环空直径为233.172mm，套管外径139.7mm，计算长度取100 m，居中度0.667(更接近现场情况)，计算区域内模拟的顶替流体为水泥浆, 其密度为1300kg/m3、1400kg/m3、1500kg/m3、1600kg/m3、1700kg/ m3、1800kg/m3；被顶替流体为钻井液，其密度为1300kg/m3。

2 数学模型和边界条件

水平井固井顶替过程为非牛顿流体在偏心环空中的液液流动，流动规律满足流体力学方程组，包括基本方程组、湍流方程、组分方程等。边界条件：水平井偏心环空顶替流场包括入口边界、出口边界、环空内外壁面边界、以及对称边界。

入口边界条件：采用速度入口边界条件，在入口位置直接对法向速度赋值。

出口边界条件：采用质量出口边界，利用相邻内部流场节点数据计算，满足质量守恒条件。

对称边界条件：在水平井环空左右两侧可以采用对称边界条件，这样模型求解半个流场即可。

壁面边界条件：在套管壁面和井筒壁面上，采用无滑移壁面边界条件。

3 数值模拟及结果分析

水泥浆顶替钻井液，为正密度差条件下的液液两相流动，在宽窄边效应、重力作用、质量扩散等多种因素耦合影响下，表现出特有的顶替界面特征。基于水平井段偏心环空两相流体力学数值实验模型，应用商业CFD软件Fluent模拟水泥浆对钻井液的顶替过程，其中界面长度是指顶替时间为100s时界面发展的长度，数值实验得出的结果如下(见表1)。

表1 不同密度差下数值实验结果

4 结语

①针对水平井固井顶替问题，建立了合适的两相流体力学数值实验模型，为水平井固井顶替提供了有效的研究手段。

②水平井固井顶替中顶替界面长度越长，顶替效率越低，两者规律性保持一致。

③在本文计算条件下，增大密度差，有利于减缓窄边滞留，降低顶替界面长度，提高固井顶替效率，所以在一定施工条件下，适当增大顶替液与被顶替液密度差对提高顶替效率和固井质量有一定的帮助。