川渝地区固井顶替效率影响因素分析

张伟，刘洋，鲜明

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川 成都 610052）

固井顶替效率是影响固井质量的重要因素，其研究始于1940年，JONES等首次通过实验开展了注水泥顶替机理研究，提出了套管居中度是影响顶替效率的重要因素[1]。1967年HOWARD提出了“临界动切力”概念[1]，系统研究了水泥浆与钻井液流变性级配对顶替效率的影响。1979年HAUT提出了紊流顶替理论，系统研究了环空流态、紊流接触时间对顶替效率的影响[2]。2014年冯福平[3]建立了固井顶替解析模型，并提出了偏心环空顶替理论。2019年孙劲飞[4]建立了大型顶替效率有限元模型，进一步系统分析了套管偏心、液体流变性、密度差、紊流等对顶替效率的影响，基于以上研究提出了影响固井顶替效率的六大因素：套管居中度、流体流动状态、紊流接触时间、钻井液流变性、触变性、水泥浆与钻井液密度差。

已有的研究成果主要基于两相流，即隔离液顶替钻井液、水泥浆顶替隔离液，其对川渝地区高压气井的适应性需要进一步验证[5-6]。因此，选取四川盆地磨溪-高石梯地区Φ177.8 mm尾管固井作为顶替效率计算对象，采用固井顶替模拟软件，分析套管居中度、环空返速、钻井液动切力、前置液浆柱结构4种主要因素对顶替效率的影响。

1 套管居中度对顶替效率影响分析

由于井斜及井径不规则，在套管自重及弯曲应力作用下，套管发生微小弯曲，偏离井眼轴线，无法实现100%居中度。在偏心环形空间内，不同间隙处的阻力并不相等，间隙小，阻力大，液体流动困难。采用固井顶替软件模拟顶替效率，计算参数如表1所示，套管居中度变化范围20%～70%。

表1 顶替效率计算参数

顶替效率计算结果如图1所示。顶替效率基本与套管居中度正相关，即套管居中度提高，顶替效率随之而增加。当套管居中度达到60%时，顶替效率为95.46%，固井质量能获得较好的保障。据此，建议套管平均居中度不应低于60%。而套管居中度达到70%时，顶替效率已经达到了97.75%，基本实现了“替尽”。为了实现较高的套管居中度，需要合理设计套管扶正器安放间距和类型。对于井斜超过30°井段，应考虑加密扶正器；井斜超过45°井段，参照1根套管安放1个扶正器，扶正器类型可考虑刚性扶正器和弹性扶正器间隔安放；水平井段应同时兼顾套管居中度和套管安全下入，考虑滚珠扶正器和弹性扶正器间隔安放。

图1 套管居中度对顶替效率影响

2 环空返速对顶替效率影响分析

前置液及水泥浆在不同的环空返速下呈现出不同的流态。按照流速从低到高，流体逐步从层流过渡到紊流。流体流速越高，剪切速率越高，越有利于清除井壁残留钻井液，是影响固井顶替效率的重要因素。为了合理设计施工排量，实现顶替效率最优化，分别计算套管居中度为50%和60%，环空返速在0.6～1.6 m·s-1范围内（川渝地区固井统计数据）的顶替效率，结果如图2和图3所示。

图2 居中度50%时返速对顶替效率影响

图3 居中度60%时返速对顶替效率影响

当环空返速超过1.2 m·s-1时，水泥浆达到了高速层流状态，顶替效率较1.0 m·s-1急剧增加；套管居中度为50%时，欲获得95%以上的顶替效率，环空返速不应低于1.2 m·s-1，套管居中度为60%时，欲获得95%以上的顶替效率，环空返速不应低于1.0 m·s-1。以Φ177.8 mm尾管固井为例，当施工排量达到1 m3·min-1时，环空返速就能满足1.0 m·s-1的要求；当施工排量达到1.2 m3·min-1时，环空返速就能满足1.2 m·s-1的要求。固井施工过程应重视施工连续性和施工排量的稳定性，保证返速达到高速层流。

3 钻井液动切力对顶替效率影响分析

钻井液体系在钻进过程中属于细分散体系，为保证悬浮岩屑及井壁稳定，具有较高的黏切值。而在固井时，为了获得较高的顶替效率，需要将钻井液体系转变为粗分散体系，弱凝胶特性，即具有低黏切值和触变性。为了在固井前对钻井液流变特性提出量化指标，分析钻井液动切力对顶替效率的影响规律。

钻井液动切力在6～16 Pa范围内的顶替效率计算结果如图4所示。在钻井液动切力超过8 Pa后，顶替效率急剧下降，是影响顶替效率的一个重要转折点。因此，欲获得95%以上的顶替效率，钻井液动切力不应超过8 Pa。通过川渝地区高石梯-磨溪区块、双鱼石构造、川西南区块、下川东区块数百口井次现场实践表明，钻井液密度低于2.30 g·cm-3时动切力均可调整至8 Pa以内，同时兼顾钻井液高温稳定性。当钻井液密度高于2.30 g·cm-3时流变性及高温性能调整较困难，可在泵注隔离液前泵注20～30 m3流变性较好的先导浆，其密度可低于钻井液0.03～0.05 g·cm-3，以置换裸眼段钻井液，提高顶替效率。

图4 钻井液对顶替效率影响

4 前置液浆柱结构对顶替效率影响分析

前置液用量分析国外已有经典理论，不再累述，本文将重点落于前置液浆柱结构对顶替效率的影响。前置液浆柱结构主要有3种：国内固井服务公司多采用冲洗型隔离液+后冲洗液，前冲洗液+冲洗型隔离液的前置液浆柱结构，而斯伦贝谢等国外固井服务公司则采用前冲洗液+黏性隔离液的前置液浆柱结构。因此，采用以下3种浆柱结构作为计算条件，分析顶替效率。

1）冲洗型隔离液+后冲洗液的前置液浆柱结构：密度2.20 g·cm-3冲洗型隔离液10 m3（塑性黏度30 mPa·s，动切力7 Pa）+密度1.03 g·cm-3的冲洗液3 m3。

顶替效率计算结果如图5所示。采用此前置液浆柱结构顶替效率为94.10%，较未使用隔离液的顶替效率提高2.51%。顶替结束后，有残留泥膜，但没有明显钻井液滞留区。

图5 浆柱结构1顶替效率

2）前冲洗液+冲洗型隔离液的前置液浆柱结构：密度1.03 g·cm-3的冲洗液3 m3+密度2.20 g·cm-3冲洗型隔离液10 m3（塑性黏度30 mPa·s，动切力7 Pa）。

顶替效率计算结果如图6所示。采用此前置液浆柱结构顶替效率为92.86%，较未使用隔离液的顶替效率提高0.27%。顶替结束后，窄间隙存在明显滞留区。

图6 浆柱结构2顶替效率

3）前冲洗液+黏性隔离液的前置液浆柱结构：密度1.03 g·cm-3的冲洗液3 m3+密度2.20 g·cm-3黏性隔离液10 m3（塑性黏度100 mPa·s，动切力10 Pa）。

顶替效率计算结果如图7所示。采用此前置液浆柱结构顶替效率为92.78%，较未使用隔离液的顶替效率提高0.19%。顶替结束后，基本无钻井液残留。

图7 浆柱结构3顶替效率

综上所述，采用冲洗型隔离液+后冲洗液的前置液浆柱结构有利于提高顶替效率，有助于改善界面冲刷效果，不存在明显钻井液滞留区；采用前冲洗液+黏性隔离液的前置液浆柱结构虽然顶替效率不高，但却实现了对钻井液的“替尽”，环空仅残留隔离液。在隔离液与水泥浆相容性好、对水泥石强度影响不大的前提下，可以选择前冲洗液+黏性隔离液的前置液浆柱结构。

5 结束语

通过分析套管居中度、环空返速、钻井液动切力、前置液浆柱结构对顶替效率的影响，对顶替参数提出以下要求：套管平均居中度不应低于60%；套管居中度为50%时，环空返速不应低于1.2 m·s-1，套管居中度为60%时，环空返速不应低于1.0 m·s-1；钻井液动切力不应超过8 Pa；采用冲洗型隔离液+后冲洗液的前置液浆柱结构有利于提高顶替效率，有助于改善界面冲刷效果。