密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究

颜培育

中海油田服务股份有限公司油田化学事业部伊拉克油化项目组 河北 廊坊 065000

密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究的重要性在石油工程领域中是不可忽视的，水平段固井是一种在地下进行的关键操作，用于在油气井中完成油层的开发与生产，密度差是指在固井过程中井筒内外不同介质的密度差异。密度差影响着固井过程中的流体运动和界面稳定性，如果密度差不合理或未考虑到密度差的影响，可能导致流体不稳定、固井液逆浸、水泥浆漏失等问题，从而引发井下事故和环境污染[1]。密度差会影响水泥浆在井筒内的上升速度、分布均匀性和附着性，研究密度差对固井顶替界面的影响，有助于优化水泥浆配方和固井操作参数，提高固井质量，确保油气井的长期稳定生产[2]。本次研究主要是引入数值模拟的方法，开展密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究，为保障固井作业的安全与质量奠定基础。

1 数值实验模型

1.1 水平段环空流场计算网格模型

在开展密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究时，建立水平段环空流场的计算网格模型是一个重要的步骤，该模型的合理建立可以帮助准确模拟流体在井筒内的流动行为，从而深入研究密度差对固井顶替界面的影响。首先要确定研究的水平段井筒区域范围，包括井口、水平段井段和井底等部分，根据研究目的，可选择只考虑水平段井段或者包括上下游区域，根据研究需求，可选择结构化网格或非结构化网格，结构化网格适用于较规则的几何形状，易于处理和计算，非结构化网格适用于复杂的几何形状，灵活性更高，将研究区域划分为小的网格单元，即网格划分，网格密度的选择需平衡计算精度和计算成本，对于关键区域，可以适当提高网格密度以获得更精细的模拟结果，确定各个边界的边界条件[3]。这些条件包括入口条件、出口条件、壁面条件等，确定所采用的流动模型，通常在石油工程中采用Navier-Stokes方程的简化形式，如雷诺平均N-S方程，选择适当的数值求解方法，如有限差分法、有限元法等，同时，需要考虑流体的不可压缩性以及流场中可能存在的多相流现象，利用计算流体力学软件对建立的网格模型进行数值模拟，在模拟前，应当对模型进行验证，比较模拟结果与实验数据或已有的解析解，确保模型的可靠性和准确性。此次研究中建立的模型水平井外径为215.9mm，考虑8%井径扩大率后的水平井外径为233 mm，采用139.7 mm外径套管进行固井的顶替情况，居中度分别设置为30%、50%、66.7%、85%和100%，在流场空间离散方面，采用了结构网格来布置离散点，网格数量设定为600万个，并进行了1000秒的固井顶替计算，为了更好地捕捉顶替界面，采用了网格局部加密技术进行流场计算。

1.2 水平段环空固井顶替流体力学模型

在开展密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究时，顶替界面的组分方程是用来描述界面上各组分的质量守恒关系的方程，在水平段固井中，涉及到多相流体，通常包括水泥浆、井液、气体和油等组分，此次研究采用简化的组分方程描述顶替界面上两种组分的质量守恒关系。在此次研究中，当某种组分的质量分数为0时，假设为一种固体流体，当某种组分的质量分数为1时，假设为另一种固体流体，当某种组分的质量分数处于0～1区间内时，假设为两种流体混浆的顶替界面。初值条件和边界条件是数值模拟中的关键要素，用于描述问题的初始状态和边界特性，在进行初值条件设定时，确定初始时刻，水平段井筒内各组分的密度分布情况，设定初始时刻各组分在水平段井筒内的速度场分布情况，包括大小和方向，设定初始时刻各组分在水平段井筒内的体积分数分布情况，即各组分的占比，此次研究中设定初始时刻速度场均为零[4]。在进行边界条件设定时，设置水平段井筒入口处的流体速度、密度、体积分数等条件，通常情况下，入口处可以设定为固定值或根据实际情况提供流体的注入速率和组分信息，设定水平段井筒出口处的流体压力或速度条件，用于模拟流体从水平段井筒流出的情况，设置套管内壁面的条件，通常可以采用固壁条件，即假设套管内壁面为固定且不渗透的，或者根据实际情况提供相应的壁面特性，如水泥浆的附着能力等[5]。

2 数值实验与结果分析

2.1 数值实验方案

在开展数值实验方案设计的过程中，需要研究不同密度差条件下水平段固井顶替界面的影响规律，分析密度差对固井质量的影响，建立合适的水平段固井模型，考虑到实际井筒条件，包括套管、井壁、固井浆体等参数，选择不同密度差水平段固井浆体组合，比如高密度浆体与低密度浆体的组合，并设定不同密度差的数值范围，在研究结束后，需要根据数值模拟结果，分析不同密度差条件下的固井顶替界面形成情况、固井质量、套管居中度等指标，对比不同密度差条件下的数值结果，得出密度差对水平段固井顶替界面的影响规律及固井质量的变化趋势。水平井固井顶替过程中存在两个界面：水泥浆顶替隔离液和隔离液顶替钻井液。文中以隔离液顶替钻井液为例进行研究，为了深入了解这种影响，文中设计了25个数值实验，分别考虑了5个不同居中度和5个不同密度差的情况。钻井液密度设置为1.20g/cm3，并基于相对运动的原理，在300m的环空网格模型上进行了1000秒的数值模拟，保存了每秒的顶替界面体积分数云图。本文的研究为水平井固井顶替过程提供了有价值的数据和结论，研究表明不同居中度和密度差会导致不同的顶替界面形态和稳定性，这对于优化固井顶替工艺，确保井下安全和提高产能具有重要意义，同时，文中提到这些结论对于水泥浆顶替隔离液也具有一定的参考价值，为未来研究提供了更广泛的应用前景。

2.2 居中度与密度差对顶替界面影响规律研究

在低居中度条件下，密度差对顶替的影响可能会更加显著，因为偏心位置会导致流体在水平井筒内形成不均匀的流动场，从而影响顶替界面的形成和演化过程，低居中度条件下，固井顶替界面可能会更加不稳定，因为在偏心位置，密度差可能会加剧流体的搅拌和混合，导致界面的波动和不规则性增强，低居中度条件可能导致顶替界面位置相对偏移，使得界面偏离原本居中位置，这可能对固井的密封效果和固井质量产生影响，在低居中度条件下，密度差可能会影响固井顶替的速率，使得顶替过程的时间变化，从而影响固井的施工进度和效率，密度差可能导致顶替界面形态的变化，例如界面的扩散、分层和分散现象。在中等居中度条件下，密度差对顶替的影响可能会表现出一些特定的规律，密度差可能会影响顶替界面的形态稳定性，相对于低居中度条件，中等居中度情况下，界面可能更趋向于稳定形态，不会出现明显的波动和不规则性，在中等居中度条件下，密度差可能会对居中位置附近的界面形成和演化产生更直接的影响，这些区域可能会对固井的密封性和固井质量产生更重要的影响，密度差可能会影响固井顶替的速率，在中等居中度条件下，界面的顶替速率可能处于中间水平，不会过于迅速或缓慢，密度差可能会影响顶替界面的宽度和扩散情况，在中等居中度条件下，界面的宽度可能会适中，不会过于扩散或收缩。在高居中度条件下，套管相对完全居中，使得固井顶替界面更加稳定，密度差可能会对界面的稳定性产生影响，但由于套管居中，界面可能更趋向于保持规则和稳定的形态，密度差对界面的宽度可能会有一定影响，在高居中度条件下，由于相对居中，界面宽度可能不会出现过于扩散或收缩的情况，而是处于适中状态，密度差可能对固井顶替的速率产生影响，相对居中的套管位置可能导致界面的顶替速率较为稳定，但密度差的变化可能影响顶替的时间尺度，密度差可能对界面形态产生微小的影响，相对较高的居中度条件可能使界面更加规则，但密度差可能在局部区域产生一些形态变化。理想居中度条件指的是水平井套管在水平井段中处于完全居中的位置，即套管完全对称于水平井的中心线，由于套管完全居中，顶替界面的形态可能会保持相对稳定和规则，不会出现明显的波动或变形，固井顶替过程可能会更加均匀和稳定，密度差对顶替速率的影响可能较为平缓，使得顶替界面形成的相对均匀，密度差可能会对顶替界面的宽度产生一定的影响，但在理想居中度条件下，由于套管位置的对称性，界面宽度可能相对受到较好的控制，密度差可能对界面位置的影响较为明显，因为套管完全居中，密度差将直接影响界面位置的偏移和形态。

2.3 对固井施工的指导意义

开展密度差对水平段固井顶替界面的影响规律研究对于提高固井作业的质量具有重要意义，研究结果将揭示密度差对固井顶替界面形态和稳定性的影响规律，根据研究结果，可以优化固井顶替工艺，选择合适的居中度和密度差来实现更稳定、更高效的固井顶替过程，这将有助于减少固井问题，提高固井质量，降低施工风险，研究可以揭示密度差对固井顶替界面的影响，帮助识别潜在的固井问题和不稳定因素，通过了解密度差的作用，可以采取相应的措施，确保固井的完整性和稳固性，避免固井失效和井下事故，合理选择密度差可以降低固井施工的复杂性和成本，研究结果将有助于优化固井液配方和操作参数，减少特殊添加剂的使用，从而节约施工成本。通过深入了解密度差对固井顶替界面的影响，可以优化固井工艺，提高固井质量，从而确保油气井的长期稳定生产，高质量的固井顶替过程将提高产能和增加开发效率，研究密度差对固井顶替界面影响的规律，需要借助先进的实验设备和数值模拟方法，这将推动固井技术的发展，促进固井领域的技术创新和改进。根据全文研究结果，通过在扶正器下入的条件和密度差的设计上做适当的调整，可以有效提高水平段套管的居中度，此外，推荐优先采用密度差较大的浆体设计，以实现理想的隔离液顶替效果，并显著提高固井界面的胶结程度和固井质量。

3 结束语

通过研究可以发现，在进行水平段固井时，当扶正器的扶正条件和密度差设计允许时，建议尽量提高套管的居中度与密度差。这样可以实现理想的隔离液顶替效果，从而提高固井质量。当井眼条件较差且扶正器下入困难时，可采用密度差较大的浆体设计，以显著减少偏心环空窄边的钻井液滞留，降低隔离液顶替界面混浆长度，从而提高隔离液顶替效率，进而提高固井质量。