影响固井作业安全的钻井液的流变参数

程庆伟 邓桥(中国石油大学(北京)， 北京 102249)

影响固井作业安全的钻井液的流变参数

程庆伟 邓桥(中国石油大学(北京)， 北京 102249)

为满足固井施工安全性的需求，研究钻井液流变参数对固井质量的影响，本文建立了100米长的水平井物理模型，基于水平井环空两相流体力学数值实验模型，考虑了两相界面的质量扩散、考虑了层流与湍流耦合作用，应用软件模拟了顶替钻井液过程，为合理优选钻井液流变参数提供了依据，从而达到安全固井施工的目的。

固井安全；数值模拟；钻井液；流变参数

0 引言

油气开发中，固井施工安全至关重要，为满足复杂井眼条件对固井钻井液性能的要求，钻井液流变参数的优选显得尤为关键。本文在前人的基础上，考虑两相界面的质量扩散、考虑层流与湍流耦合作用，数值模拟了不同钻井液流变参数条件下界面发展过程，为固井施工安全提供理论指导。

1 物理模型与网格划分

如图1所示，物理几何模型采用水平井环空三维空间模型，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100m，假设套管居中，计算区域内模拟的顶替流体为钻井液, 其密度为1900kg/m3；被顶替流体为钻井液(宾汉模式)，其密度为1300kg/m3。

图1 物理模型

选用结构网格对规则的环空模型进行网络划分，整个计算区域网格总数为110万，为了保证计算精度，进一步采用加密网格进行处理，计算结果与文中结果一致，证实了网格划分的合理性。图2为环空网格分布局部图，显示了三维物理模型的宽边截面网格、窄边截面网格、以及套管外壁面网格等部分网格特征。

图2 网格分布图

2 结果分析

不同钻井液稠度系数对顶替效率的影响见图3。

图3 钻井液稠度系数对顶替效率的影响

从图3可知，在各项固井施工参数与模拟参数基本一致的情况下，当钻井液稠度系数为0.3～0.6Pa·Sn 时，顶替效率随着稠度系数的增加而升高；钻井液稠度系数大于0.6～0.8 Pa·Sn时，顶替效率随着稠度系数的增加而略微降低。由此可以得出，固井顶替过程中，钻井液稠度系数大于0.6时，顶替效率较高。

3 结语

①针对水平井环空顶替问题，考虑物质输运模型描述两相流体之间的质量扩散与流态识别，建立了环空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采用了较长模型即100米长水平井物理模型进行模拟，计算结果更准确。

③本文计算条件下，钻井液稠度系数在0.6前后顶替效率规律发生反转，稠度系数大于0.6时，顶替效率较高，所以将流变参数控制在合理范围内能够获得较高的顶替效率。

④钻井液稠度系数直接影响顶替效率，优选钻井液稠度系数可以有效地改善固井质量，能够为现场施工提供理论依据同时提高固井施工的安全性。