影响固井注水泥顶替效率的主要问题及其研究进展

在油气井固井施工中，提高注水泥顶替效率是保证固井质量的关键。注水泥顶替效率低的3个原因如下：1）在井眼内，套管严重偏心，加之注水泥顶替动力不足，造成环空窄间隙处的钻井液不能被替走。水泥固化后，部分环空不能被水泥石封固，易成为层间窜流通道。2）环空壁面上形成了钻井液滞留层，导致水泥固化后壁面存在微裂缝，降低水泥石对套管和井壁的胶结强度，成为层间封隔失效的隐患。3）由于注水泥顶替界面失稳，水泥浆受到污染，改变了水泥浆性能，影响了水泥石的强度和渗透率特征，如果顶替界面进一步失稳，有可能导致环空钻井液窜槽。因此，通过分析影响注水泥顶替效率的主要原因，对其影响作用分别开展系统的机理研究，进而综合考虑，从而为提高水泥浆顶替效率、改善固井质量提供依据。

1 套管偏心度

套管偏心在井眼中是非常普遍的现象，尤其是在大斜度井和水平井中。偏心度e是衡量套管居中程度的常用参数。偏心环空各间隙宽度h是周向角准的函数（见图1）。

式中：ε为偏心距，cm；R为井眼半径，cm；r为套管外半径，cm。

环空内，流体流动阻力与环空间隙呈负相关关系。采用流体力学的方法，从推导的牛顿流体环空速度分布方程可以看出：当偏心度为60%时，环空宽窄间隙处的流体速度之比达到16，雷诺数之比达到64。具有屈服特性的非牛顿流体（如钻井液），有可能停滞在环空最窄间隙处而不能被替出。

为保证固井质量和后续油气安全生产，要求位于偏心环空最窄间隙处的钻井液也能够流动而被替净。研究表明，当套管偏心度达到某一临界值后，无论如何调整流体性能，环空窄间隙处的钻井液也不能被替走，顶替效果都很差。实践表明，在水平井内，若套管偏心度大于33%，环空窄间隙处的钻井液则难以被驱替。Wilson等通过室内实验发现，水平井内套管偏心度不应大于40%。陈家琅等通过受力分析估算出偏心环空钻井液能被驱替时的极限最窄间隙，但认为水泥浆和钻井液的接触面为规则的圆弧，得出的结果实用性差，没有得到现场实际应用。总之，目前关于偏心环空极限偏心度的研究成果多来自现场经验总结和实验结论，缺少具体的计算方法。

环空窄间隙钻井液能被驱替时的套管极限偏心度，与井斜角、水泥浆与钻井液的密度差、流速以及水泥浆和钻井液的屈服应力等因素有关。但目前有关标准只是简单地规定“套管许可偏心距取值为环空间隙的1/3”，作为套管扶正器安装间距的原则。采用该标准进行扶正器设计而不考虑工程实际，可能导致扶正器安装数量不足，难以实现对套管偏心度的控制。

2 环空壁面上钻井液滞留层

在钻井结束后，井眼环空内充满钻井液。在任意某环空间隙，注水泥顶替从其中间部分开始，逐渐向两壁面（井壁、套管壁）扩展。若顶替动力与阻力达到力学平衡，水泥浆对钻井液的驱替范围逐渐稳定，部分钻井液就会滞留下来形成滞留层。钻井过程中，在井壁和套管外壁上也会形成一层致密的钻井液滤饼，但滤饼不在笔者所指的钻井液滞留层范围内（见图2）。

减小和消除井壁和套管壁上的钻井液滞留层，是防止水泥固化后壁面出现微裂缝、保证固井质量的关键。Beirute等提出壁面切应力是钻井液滞留层的主要拖曳力，分析了2块平板间切应力的分布特征；邓建民只是针对低速塞流直井注水泥顶替的情况，从水泥浆顶替钻井液受力角度出发，分析了顶替后钻井液零滞留的条件；冯福平等借助力学平衡条件，计算接触界面在环空间隙内达到稳定后的位置，却未考虑两相流体在接触界面上的应力耦合。

通过上述分析可得，对钻井液滞留层的研究主要解决以下三方面的问题：1）分析钻井液滞留层的形成条件；2）确定滞留层厚度的计算方法；3）探索防止产生钻井液滞留层的定量关系。但目前关于钻井液滞留层的研究尚未出现全面细致的定量分析结果，是今后注水泥顶替机理理论研究的一个重要方面。

3 注水泥顶替界面稳定性

水泥浆顶替钻井液或前置液时，顶替界面一般有稳态、失稳和钻井液窜槽3种形态。保持注水泥顶替界面稳态，可减小顶替界面在环空的延伸长度，减少钻井液与水泥浆混掺，避免钻井液滞留，提高顶替效率。顶替界面形态是多种因素共同作用的结果，目前仍难以实现井眼状况、流体性能参数和顶替流态对其影响的综合分析。注水泥顶替界面稳定性机理的研究目的是根据井眼环空的现场实际情况，通过调整钻井液和水泥浆的性能参数以及设计合理的顶替排量，追求稳态的顶替界面。

3.1 研究方法

目前，关于注水泥顶替界面稳定性机理的研究方法主要有：1）借助相似原理模拟实际井眼环空，采用水泥浆与钻井液或它们的相似液进行实验研究，观察顶替界面；2）借助流体力学软件（如Fluent），建立环空几何模型，数值模拟两相流体之间的顶替界面；3）借助流体力学基本原理或从流体受力角度出发，对固井顶替界面特征进行理论研究。

但是，无论实验方法还是数值模拟方法，均无法得到各因素对顶替界面影响的综合作用。对于如何优化流体的流变参数，主要是一些定性的建议，缺少量化的计算方法。此外，在实验研究中，从长度和环空间隙比值角度考虑，实验装置难以做到与实际井眼环空真正的几何相似，而且按照动力学相似原理要求，所有量纲为1的参数需要与相应的现场数值相匹配，达到这种要求难度很大。软件数值模拟是注水泥顶替研究的新方法，可直观得到顶替界面，却难以实现在全井尺寸上的模拟顶替过程，并且建立的几何模型比较简单，不能与真实的井眼条件相符合。

借助流体力学基本原理或从流体受力角度出发理论研究注水泥顶替，可以分析不同因素间的相互作用以及对顶替界面的综合作用，有利于获得定量的研究结论，有助于进行注水泥顶替参数的合理调整。因此，研究注水泥顶替机理时，应以理论分析为主，实验方法和数值模拟方法进行辅助。目前，注水泥顶替界面稳定性的理论研究成果适用范围有限，考虑因素较少，急需进一步完善适用于不同井斜角的偏心环空中两相非牛顿流体之间的顶替界面理论模型。

3.2 理论模型

两相流体间的顶替理论建立在单相流体环空运动规律的基础之上，且已存在相当数量的关于牛顿流体或非牛顿流体环空运动规律的理论成果。但是，这些研究通常只考虑流体在环空轴线方向上的流动，将流体流动方程简化为一维方程，然后结合定解条件，对环空速度分布、压降梯度等进行推导。在此基础上，考察两相流体在界面处的速度和应力耦合条件，进一步对注水泥顶替进行分析。该理论的基础点在于认为环空内的顶替是只发生在环空轴线方向的“一维顶替”。从流体受力角度考虑，在直井或井斜角较小的井眼环空内，流体重力主要分布在井眼轴向方向上，因此适用“一维顶替”理论。而在大斜度井和水平井内，由于重力或密度差影响，流体存在环空周向方向上的流动，周向速度对顶替界面形态的影响作用不能忽略，因此“一维顶替”的理论不符合大斜度井或水平井内的注水泥顶替实际情况。

利用Hele-Shaw模型，Bittleston等对大斜度井内的注水泥层流顶替机理进行了研究。Hele-Shaw模型是一个二维流动模型，研究间隙很小的2块无穷大平板之间流体的流动特征。从几何尺寸上考虑，将环空按周向角展开，偏心环空可看作由一系列间隙随周向角变化的2块平板组成，环空轴向、周向长度远远大于环空间隙宽度。另外，在大斜度井或水平井内，流体的环空径向速度与轴向速度和周向速度相比，可以忽略。因此，从环空尺寸特征和环空内流体速度特征分析，Hele-Shaw模型非常适合处理大斜度井和水平井环空内的流场问题。为描述注水泥顶替界面，Bittleston等以Hele-Shaw模型为基础，分析环空内的流函数分布，借助平流扩散方程，用某相流体在混浆段的浓度等值线或界面运动方程来表征顶替界面。

目前，以Hele-Shaw模型为基础的固井顶替界面理论研究，是关于该课题的最新发展方向，初步实现了规则井眼偏心环空中顶替界面整体形态的预测。利用Hele-Shaw模型，可进一步开展非规则井眼、偏心度与井斜角沿井眼变化、套管旋转等情况的顶替界面形态预测。国内注水泥顶替界面的理论研究仍以考虑“一维顶替”为主，而借助Hele-Shaw模型进行顶替界面预测并以此优化固井设计的研究刚刚起步。针对固井实际井眼条件与施工工况，开展更加细致的注水泥顶替界面研究，为固井设计提供参考和依据，也是注水泥顶替机理研究的重要内容。

4 研究方向

目前，固井顶替设计的主要依据仍然以现场施工经验和室内实验的定性结论为主。关于注水泥顶替机理，在整体上仍缺乏系统的理论研究（尤其是在大斜度井和水平井中）。因此，笔者提出相应的后续研究方向，以为进一步的研究提供参考。1）通过确定套管极限偏心度与流体性能参数、井眼环空条件、流速、井斜角等因素之间的定量关系，建立偏心环空极限偏心度模型。2）建立环空壁面上钻井液滞留层厚度的计算模型，确定无滞留层形成时流体性能参数之间满足的定量关系。3）针对固井实际井眼条件与施工工况，借助Hele-Shaw模型开展注水泥顶替界面研究，探索保持顶替界面稳态的定量条件。

利用极限偏心度模型，合理设计扶正器的类型和安放间距，避免由扶正器设计不足或过多造成的下套管偏心严重或下套管阻力过大问题，保证套管偏心度在允许的范围内，做好固井施工前的下套管工作。根据环空壁面上不形成钻井液滞留层的定量关系，合理调整流体性能参数；在此基础上，结合井斜角、井眼环空条件和套管偏心真实情况，进一步调整流体性能参数，保证注水泥顶替界面的稳态。二者结合，从而为固井注水泥顶替设计提供理论上的参考与依据。

版权声明 | 来源：《断块油气田》；作者：李建新等；版权归原作者所有。

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