综合评价固井顶替效率
2016-10-12艾正青石庆秦宏德邓理袁中涛张峰刘洋
艾正青，石庆，秦宏德，邓理，袁中涛，张峰，刘洋
（1.塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000；2.川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都610051）
综合评价固井顶替效率
艾正青*1，石庆2，秦宏德1，邓理2，袁中涛1，张峰1，刘洋2
（1.塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000；2.川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都610051）
目前广泛采用的数值模拟方法未考虑工作液间的化学不兼容性，实际上钻井液、隔离液、水泥浆相互接触后其物化性能都会发生明显变化，因此数值模拟方法存在很大缺陷。为科学评价固井顶替效率，选取钻井液、隔离液、水泥浆作为研究对象，分析了钻井液性能（钻井液的触变性、流变性、泥饼）、隔离液使用情况（隔离液用量、流变性、相容性）、水泥浆性能（水泥浆流变性、水泥浆稠化时间、水泥浆析水），建立了因素集、评价集、权重集，提出了固井顶替效率二级评价方法。通过实例分析发现，顶替效率二级评判方法能指导钻井液、隔离液、水泥浆的性能调节，有利于提高顶替效率；优先调节钻井液、隔离液、水泥浆中性能较差者能较明显提高顶替效率。
顶替效率；钻井液性能；隔离液；水泥浆性能；模糊数学；综合评价
固井的目的是形成良好的环空封固质量，防止油气水窜，为快速、安全钻进以及后续生产作业提供保障。固井质量取决于顶替效率与候凝效果，为了提高固井质量，需要分析影响顶替效率的各种因素，进而评价顶替效率，以寻求改善固井质量的方案。影响顶替效率的因素众多，主要包括以下几个方面：钻井液性能（钻井液的触变性、流变性、泥饼）、隔离液使用情况（隔离液用量、流变性、相容性）、水泥浆性能（水泥浆流变性、水泥浆稠化时间、水泥浆析水）等［1-6］。目前广泛采用的数值模拟方法仅从物理置换角度，以计算流体力学为基础，采用界面失踪方法，理论上分析了井眼质量、工作液性能对顶替效率的影响，其主要缺点在于未考虑工作液间的化学不兼容性，认为相互接触的2种工作液不发生化学反应，存在明显的界面，实际上钻井液、隔离液、水泥浆相互接触后其物化性能都会发生明显变化，因此数值模拟方法存在很大缺陷。基于此原因，本文利用模糊数学理论之一——多级模糊综合评价方法，对影响顶替效率的3个因素进行逐级评价，既考虑了工作液物理性能，又兼顾了接触污染的化学本质，能较科学评价顶替效率。
1 二级综合评价模型的建立
根据前面对顶替效率影响因素的分析，可以得到决定顶替因素的层次关系为：
顶替效率（x）=｛钻井液性能（x1），隔离液使用情况（x2），水泥浆性能（x3）｝
钻井液性能（x1）=｛触变性（x11），流变性（x12），泥饼（x13）｝
隔离液使用情况（x2）=｛隔离液用量（x21），隔离液流变性（x22），隔离液相容性（x23）｝
水泥浆性能（x3）=｛流变性（x31），失水（x32），析水（x33）｝
根据层次分析结果，综合评判顶替效率可以采用二级模糊综合评价。
1.1初级评价
（1）因素集。钻井液的性能主要包括触变性、流变性及泥饼。触变性是指钻井液静止后变稠的性质；流变性是指流体流动变形的性质；泥饼这里主要是指钻井液形成的滤饼厚度。钻井液性能的因素集为：
钻井液性能（x1）=｛触变性（x11），流变性（x12），泥饼（x13）｝
隔离液使用情况包括隔离液用量、隔离液流变性、隔离液相容性。隔离液用量用隔离液冲洗裸眼段某一层位的时间表示；隔离液流变性是指隔离液流变性是指隔离液流动变形的性质；隔离液相容性是指隔离液与水泥浆是否具备化学兼容性。隔离液使用情况的因素集为：
隔离液使用情况（x2）=｛隔离液用量（x21），隔离液流变性（x22），隔离液相容性（x23）｝
水泥浆的性能主要包括流变性、失水与析水。流变性是水泥浆流动变形的性质；失水用API失水量描述；析水是水泥浆在静止2h后析水的自由水的体积占整个水泥浆体积的百分数。水泥浆性能的因素集为：
水泥浆性能（x3）=｛流变性（x31），失水（x32），析水（x33）｝
（2）评价集。为了描述钻井液性能优劣、隔离液使用情况及井眼准备情况，将其分为5个等级，建立以下评价集：
V=｛很好，好，中，低，很低｝
（3）各因素隶属函数。根据固井时高风险的施工作业的特点，选用中间型的正态分布为基本的隶属函数，这也是最常见最重要的一种分布，表示为［7-9］：
①触变性隶属函数。触变性是钻井液静止后变稠的性质，用终切力减去初切力表示，固井时需要钻井液触变性越弱越好。假设触变性为dτ，则触变性的隶属函数为：
②钻井液流变性隶属函数。流变性是钻井液流动变形的能力，这里使用钻井液动切力描述流变性。动切力越小越有利于提高顶替效率，因此固井时钻井液应具备较小的动切力。假设动切力为τ0，则钻井液流变性的隶属函数为：
③泥饼隶属函数。泥饼是钻井液失水后形成的滤饼，用滤饼厚度进行描述。致密且厚度小的泥饼不仅能稳定井壁，而且能有效减小后续工作液如钻井液、隔离液、水泥浆等的失水，它与水泥石的胶结也好于疏松且厚度较大的泥饼，因此固井时需要泥饼厚度约小越好。假设泥饼厚度为d，则泥饼的隶属函数为：
④隔离液用量隶属函数。由于钻井液与水泥浆是化学不兼容的，为了保证固井施工安全提高顶替效率，需要在钻井液与水泥浆之间泵注一定体积的隔离液。通常以隔离液冲洗封固段顶部的时间来描述隔离液用量。当使用隔离液用量大于10min可以获得很好的顶替效率，小于3min顶替效率很差［1，6，10］。假设隔离液用量为ts，则隔离液用量隶属函数为：
⑤隔离液流变性。钻井液的流变性一般较差，高粘切值严重制约了顶替效率的提高，因此需要使用流变性良好的隔离液。隔离液与钻井液体系不同，隔离液由于土相含量低，依靠高粘度悬浮重晶石，因此动切力也较高，其评价标准与钻井液有所不同。假设隔离液动切力为τs，隔离液流变性隶属函数为：
⑥隔离液相容性。隔离液作为注入在钻井液与水泥浆之间的工作液，必须与水泥浆具备良好的化学相容性，才能保证固井施工安全，提高顶替效率。通过测量隔离液与水泥浆混浆（隔离液∶水泥浆=0.05∶0.95及隔离液∶水泥浆=0.95∶0.05）的流动度来描述相容性［3］。设混浆流动度为l，隔离液相容性隶属函数为：
⑦水泥浆流变性。水泥浆属于幂律流体，使用流性指数n来描述流变性。流性指数n反映了水泥浆与牛顿流体的差异，n越接近1，则流体越接近牛顿流体，流变性越好，能在较低的排量下达到紊流，有效驱替钻井液，顶替效率较高［1，11］。水泥浆流变性隶属函数为：
⑧水泥浆失水。水泥浆原浆的API失水量超过1500mL，固井作业中需要控制失水。低失水水泥浆性能稳定，并能减小储层损害，一般失水量小于50mL的水泥浆性能优良，失水量大于300mL的水泥浆性能很差。以FL表示失水量，失水量的隶属函数为：
⑨水泥浆析水。API对常规水泥浆体系的析水的最低要求是250mL的析水不超过3.5mL，即析水不超过水泥浆体积的1.4%，而在大斜度井或水平井的固井中要求析水为0mL。以v表示析水率，析水率的隶属函数为：
（4）权重模糊集。钻井液性能权重模糊集：
A1=（触变性，流变性，泥饼）=（1/3，1/3，1/3）
隔离液使用情况权重模糊子集：
A2=（隔离液用量，流变性，相容性）=（1/3，1/3，1/3）
直井固井水泥浆性能权重模糊子集：
A3=（流变性，失水，析水）=（0.4，0.3，0.3）
斜井或水平井固井水泥浆性能权重模糊子集：
A3=（流变性，失水，析水）=（0.2，0.4，0.4）
（5）初级评判计算。采用M（·，+）算子，此算子为“加权平均型”综合评价模型。
初级评判结果为：
1.2二级评判
根据前面分析顶替效率的层次关系：顶替效率（x）=｛钻井液性能（x1），隔离液使用情况（x2），水泥浆性能（x3）｝，可以列出顶替效率的模糊关系矩阵：
权重模糊集A=（1/3，1/3，1/3）
二级模糊综合评判结果为：
2 实例分析
某井7″尾管固井，井型是直井，固井施工前对钻井液、隔离液、水泥浆有表1所示的几种性能设计方案。
表1 钻井液、隔离液、水泥浆性能调整方案
顶替效率二级评判计算：
将初级评判结果带入上式，并归一化处理可得到顶替效率二级评判结果：
方案1：（0.11，0.34，0.38，0.10，0.06）
方案2：（0.23，0.35，0.31，0.07，0.04）
方案3：（0.16，0.38，0.30，0.09，0.06）
方案4：（0.23，0.34，0.33，0.05，0.04）
根据最大隶属度原则，方案1的顶替效率为中等，方案2的顶替效率为中等，方案3的顶替效率为好，方案4的顶替效率为好。根据评价结果可知，该井钻井液与水泥浆性能较差，调整钻井液与水泥浆可以明显改善顶替效率，而调整隔离液对顶替效率影响较小。
3 结论
（1）在分析了钻井液、隔离液、水泥浆性能基础上，提出了二级评价方法。
表2 顶替效率初级级评判结果
（2）通过实例分析发现，顶替效率二级评判方法能指导钻井液、隔离液、水泥浆的性能调节，有利于提高顶替效率。
（3）优先调节钻井液、隔离液、水泥浆中性能较差者能较明显提高顶替效率。
［1］刘崇建，黄柏宗，等.油气井注水泥技术理论与应用［M］.北京：石油工业出版社，2001.
［2］李早元，等.固井前钻井液地面调整及前置液紊流低返速顶替固井技术［J］.天然气工业，2005（1）.
［3］杨香艳，等.高密度抗污染隔离液在川中磨溪气田现场应用［J］.天然气工业，2006，26（11）.
［4］和传健，徐明，肖海东.高密度冲洗隔离液的研究［J］.钻井液与完井液，2004，9（21）.
［5］张铎远.浆体性能及井眼条件对顶替效率的影响研究［D］.中国石油大学，2007.
［6］张德润，张旭.固井液设计及应用［M］.北京：油工业出版社，2000.
［7］刘育骥.石油工程模糊数学［M］.成都：原成都科技大学出版社，1994.
［8］严思明，谷升高，莫军，等.水泥浆体系综合性能模糊评价方法［J］.天然气工业，2007，27（12）：89-92.
［9］李洪乾，李建国，何育荣，等.多级综合评判方法在固井质量评价中的应用［J］.西南石油学报，2000，22（2）：50-53.
［10］张明霞，向兴金，童志能，等.水泥浆前置液评价方法总论［J］.钻采工艺，2002（25）.
［11］刘大为，田锡君，廖润康.现代固井技术［M］.辽宁：辽宁科学技术出版社，1994.
TE256
A
1004-5716（2016）10-0079-04
2015-11-18
2015-11-19
艾正青（1978-），男（汉族），重庆人，高级工程师，现从事固井科研及管理工作。
