定向井水平井环空偏心流体顶替机理研究

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1、定向井水平井环空偏心流体顶替机理研究摘要：研究定向井、水平井环空偏心流动规律。定向井、水平井由于井眼弯曲，套管管柱受多种力的影响，使套管易贴近井壁，造成环空一边宽一边窄，窄边的泥浆不能被置换或顶替干净，从而造成水泥环厚度不均，窄边处的水泥环由于薄在声变图上不能被反映出来，在提高管柱居中度的情况下，可通过延长紊流接触时间，增大水泥浆与泥浆的动塑比，采取合适的顶替压力和宽度以提高顶替效率。　　关键词：定向井水平井环空偏心流顶替机理　　　　1定向井、水平井环空偏心流动规律研究　　为了分析固井中两种流体的顶替现象，利于两相理论研究泥浆、水泥浆在偏心环空的顶替流动。定向井、水平

2、井偏心注水泥顶替时，环空流场分布不均匀，致使偏心环空中间隙难以顶替，在一定的偏心度下，宽间隙处已经达到紊流，窄间隙处可能处于滞流状态，环空顶替不干净形成泥浆条带影响封固质量，从而影响固井质量。　　E=e/（R2-R1），（1）；　　h=（R22-e2sin2Ø）1/2-R1+ecosØ，（2）　　由（1）式可得：hmin=R2-R1-e；hmax=R2-R1+e　　式中：E-偏心度，无因次；e-偏心距，m；Ø-周向角，rad；h-任一Ø处的环空宽度，m。　　现将泥浆、水泥浆在偏心环空的顶替流动作如下假设：　　（1

3、）忽略相界处的渗混、扩散级水泥浆、泥浆接触后的化学反应等因素对于顶替流动的影响。　　（2）在偏心环空周向角Ø，Ø+dØ处作两个半径，他们与环空内外壁组成一足够小的流环区域（如图2阴影部分），设流体在该区域内的流动可以看成是两平行平板间的流动。两平板间距为h，由于周向角Ø选取的任一性，因此，可以分析偏心环空中任一位置的顶替流动。提高顶替效率就是要求偏心环空中任一过流断面内任一周向角中都能最大限地充满水泥浆。在此分析的基础上，可以将偏心环空顶替效率问题近似地转化成求解任一流断面上水泥浆流量Qc在某一条件下的极限问题。

4、　　（1）Qc=f（a）　　对a求导。　　（2）当时，Qc有极大值。此时：　　一般来说一口井的井眼几何条件是不变的，但是水泥浆，泥浆的性能参数是可以调整的，只要给出一组水泥浆、泥浆的性能参数及压力梯度，便可以得到一个a值。（2）式整理得：　　现给定一组为无穷小量，忽略不记，可得到的极限值为：　　由上式可知，水泥浆顶替宽度al取决于压降、水泥浆密度及两种流体的动塑比，显然动塑比是影响顶替效率的关键因素，根据Qc，al与顶替效率之间的正比关系，为提高顶替效率应采取如下措施：（1）增大泥浆的动塑比；减小水泥浆的动塑比；采取合理的顶替压力梯度。　　使用流速旋转仪器作出泥浆和水

5、泥浆在600、300、100转速下的读数，使用塑性粘度和动切力公式计算出泥浆和水泥浆的塑性粘度和动切力。泥浆的塑性粘度一般为0.01-0.016pa.s，动切力为10-13pa；水泥浆塑性粘度为0.05-0.07pa.s，动切力为70-73pa。　　2现场应用　　现场严格要求钻井队使用了悬流刮泥器进行通井作业，有效的刮掉了井壁的假泥饼和虚泥饼，下套管时井底三根套管使用了悬流发生器，使底角固井质量有了很大的改善。如果最窄间隙处的泥浆被顶替干净，那么偏心环空最窄间隙为极限情况，求得合理的顶替压力梯度计算公式：　　；最窄间隙值的顶替压力梯度为：　　在套管居中度达到临界度67

6、%以上的基础上进行现场偏心环空流动规律试验和研究修正，给出符合施工现场的良好的泥浆和水泥浆参数，从而达到保证和提高固井质量的目的。　　3结束语　　流体动塑比是影响顶替效率的关键因素。使用了悬流刮泥器进行通井作业，下套管使用悬流发生器，有助于提高窄边的顶替效率。良好的套管居中度是固井质量的保证。