鄂尔多斯盆地致密气水平井固井顶替效率影响因素

2021-03-25夏忠跃解健程

天然气技术与经济 2021年1期

贾佳夏忠跃冯雷解健程

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津塘沽 300457）

0 引言

鄂尔多斯盆地致密气水平井钻井进入了快速发展阶段，钻井数量逐渐增多，水平井固井中的顶替效率低下问题也越来越凸显。影响固井顶替效率的因素很多，为了掌握不同因素对其影响规律，借助于数值模拟方法开展研究，根据质量、动量、能量守恒原则［1-4］，分别模拟分析不同因素的影响规律，确定最有利于顶替的参数值，以期提高致密气水平井的固井质量。

1 套管偏心度对顶替效率的影响

水平井固井过程中，由于重力的作用，容易出现偏心的情况（图1）。套管偏心后，与井筒之间的环空间隙尺寸不同，有大有小，小间隙处的水泥浆流动阻力大，速度比大间隙处的慢，难以形成塞流或者紊流［5-8］，使得小间隙处水泥环较薄甚至无水泥环，严重影响固井质量。

图1 套管偏心示意图

通过实验模拟分析表明，套管偏心对顶替效率有直接的影响。当套管不偏心时，顶替效率最大；而随着偏心度逐渐增大，顶替效率会逐渐降低；当偏心度增大至50%以上时，环空钻井液无法完全顶替，难以达到固井合格的目的。为了充分保证固井合格率，套管的偏心度必须小于33%，模拟分析的结果如图2所示。

图2 偏心度对顶替效率的影响示意图

随着套管偏心度的变大，顶替效率呈现出先增加后减小的趋势，当偏心度为0.2时，顶替效率达到96.7%，基本为最大顶替效率。正常固井时，由于水泥浆密度和钻井液密度的不同，会产生浮力，与水泥浆自身重力共同作用，使得顶替界面发生倾斜［9-11］；当偏心度从0逐渐增至0.2，使大环空间隙和小环空间隙处的速度不同，流动阻力不同，阻力不同可较好抑制水泥浆的重力作用，保持顶替界面相对稳定，使顶替效率增加；但当偏心度增至0.5时，偏心阻力差异成为顶替的主导因素，水泥浆更易向上侧大间隙流动，在下侧小间隙流动受到限制，顶替界面严重失稳，顶替效率随之降低。所以，偏心度维持0.2左右，可以实现最优的顶替效率。

2 顶替流速对顶替效率的影响

根据相关定义［12-13］，流速对雷诺数影响较大，当流速为0.2 m／s时，为塞流顶替；当流速大于0.2 m／s而小于2.3 m／s时，为层流顶替；当流速大于2.3 m／s时，转变为紊流顶替。赫巴模式下不同顶替速度对顶替效率的影响如图3所示。

图3 顶替速度对顶替效率的影响规律图

根据图3分析可知，当顶替速度为0.2 m／s时，水泥浆属于塞流顶替，顶替效率约96.2%，此时，在井筒中呈现均匀和稳定顶替状态，顶替效率较高。随着速度增快，流态由塞流转变为层流，大间隙和小间隙处的流速差增大，造成顶替界面不稳定，顶替效率减小。随着速度的继续增大，层流逐渐过渡为紊流，当速度增至2.3 m／s时，顶替状态为层流-紊流边界，速度继续增大，转变为紊流顶替状态，顶替效率随之逐渐增加。根据图3，采取低速顶替时，建议控制在0.6 m3／min以内；采取高速顶替时，建议控制在1.6m3／min以上。

3 顶替液密度差对顶替效率的影响

顶替时，水泥浆的密度差对顶替效率也会造成一定的影响，不同密度差对水泥浆顶替效率的影响如表1所示。

表1 水泥浆密度差对顶替效率的影响规律表

当钻井液密度为1 200 kg／cm3时，随着水泥浆密度的增加，顶替效率呈现先增加后降低的趋势。当密度差较小时，浮力的作用比较明显，水泥浆进行顶替时，会优先顶替环空上侧大间隙处的钻井液，而环空下侧小间隙处钻井液顶替不干净，顶替效率低，形成窜槽；随着密度差的增加，水泥浆的重力作用较为明显，小间隙处的顶替不干净的情况会有所缓解，顶替效率增加。根据实验结果可知，当密度差为0.7 g／cm3左右时，其顶替效率最高。

4 流体性能对顶替效率的影响

4.1 切力对顶替效率的影响

流体的流动性能是影响顶替效率不可忽视的一个因素［14-16］，而流体的切力又是流动性能的重要指标，所以考察流体的切力对顶替效率的影响也非常重要。在赫巴模式下，变动流体动切力，数值模拟分析顶替效率的变化规律（图4），随着流体动切力的增大，顶替效率相应的提高，当流体动切力为20 Pa时，顶替效率约93.6%。