四参数流变模式及其在固井水泥浆中的应用

为了提高固井作业中水泥浆顶替效率的计算精度,提出用四参数流变模式描述固井水泥浆的流变性能。采用回归分析的数学方法得到了宾汉、幂律、卡森、赫-巴及四参数模式的流变参数,然后用残差平方和的均值Sr来表征各模式与实测值的拟合效果。充分考虑各种力系的平衡关系建立了四参数模式下水泥浆在倾斜偏心环空中顶替钻井液的数学模型。并选择应用于现场的6种适用于复杂井固井的新型水泥浆体系的流变性测量数据进行了验证。四参数流变模式在各水泥浆体系不同剪切速率下的计算值与实测值的残差平方和的均值都小于1.1,一般在0.2左右,最小达到了0.04,其残差平方和均值之和2.81,远小于宾汉、幂律、卡森和赫-巴模式。验证结果表明,四参数流变模式在各水泥浆体系不同剪切速率下的计算值与实测值的残差平方和的均值都最小,拟合最为精确,能在全剪切速率范围内精确描述水泥浆的流变性,适用于各种水泥浆体系,其顶替模型适用于各类井型。      

水泥浆时变性对注水泥水力参数的影响分析

油气井固井注水泥过程中,水泥浆始终存在水化反应,水泥浆的流变特性也将发生相应的变化。这一时变性能必然影响到浆体流态和其他流动参数。在油气井固井水泥浆的时变性研究的基础上,进一步研究了井底循环温度对水泥浆时变性的影响。并运用非线性最小二乘法,对水泥浆流变参数随时间变化曲线进行了拟合,得出流变参数的计算公式。通过实例,进行了水泥浆流变参数的时变性对注水泥水力参数的影响分析。结果表明,井底循环温度越高,水泥浆的时变性越强;恒定流速施工,时变性对循环摩阻压降影响较大;要保持某一流态顶替,需保证相应的临界流速或排量。     

水包油钻井液高温高压流变性研究

用7400型高温高压流变仪对“八五”期间研制的华北任平1井低密度水包油乳化钻井液高温高压流变性进行了实验研究。系统地测试了温度、压力对该钻井液流变性的影响;运用宾汉模式、幂律模式、卡森模式和赫-巴模式对该钻井液高温高压流变数据进行了系统拟合分析,得出赫-巴模式是描述该钻井液高温高压流变性的最佳模式,就工程应用而言,二参数的卡森模式也可以用于描述水包油乳化钻井液高温高压流变性。并研究了赫-巴流变方程中各参数随温度和压力的变化规律;还对该钻井液高温高压流变数据进行了回归分析,建立了预测低密度水包油乳化钻井液高温高压流变性能的模式。     

不同流态下水泥浆环空顶替的数值模拟研究

油气井固井过程中,水泥浆替净钻井液是高质量固井的前提条件.以赫巴模式作为研究水泥浆流变性的模型,并得出其流变参数的计算方法.通过运用数值模拟的方法,得出在不同流态下水泥浆性能和井身条件对环空顶替效率的影响规律.结果表明,塞流和湍流更有利于提高顶替效率,且不同流态下流变参数对顶替效率的影响规律类似,即水泥浆流性指数和稠度系数数值大于0.5时,顶替效率较高;静切力对顶替效率的影响变化幅度甚微;而井型越复杂,井斜角越大,顶替效率越低.研究结果将为优化固井注水泥设计和提高固井质量提供重要的理论依据,有利于指导现场的施工.     

深井水基钻井液高温高压流变特性的研究

为随时了解深部井段的钻井液性能,对塔里木油田的一些常用水基钻井液体系的高温高压流变性进行了试验研究,并测定了该油田常用水基钻井液在不同温度和压力下的流变性。对大量的试验数据进行了回归处理,得出了计算水基钻井液在井下温度、压力条件时表观粘度和塑性粘度的数学模型。这有利于现场监测钻井液在井下的流变情况,并及时采取相应的处理措施。     

超低密度水泥浆体系在庆深气田应用成功

2006年4月28日，在达深3井油层固井中，大庆石油管理局钻探集团钻井一公司首次应用超低密度水泥浆体系获得成功。此项技术填补了大庆油田完井技术空白。该井位于庆深气田安达断陷西部探区，完钻井深3850米，井底温度高达170℃，对固井水泥浆的高温流变性要求极高，且该井在钻进过程中曾发生严重井漏，如果使用常规的固井水泥浆体系，固井质量难以保证。因此，固井施工前，大庆石油管理局钻探集团钻井一公司质量室的工程技术人员，从优选水泥浆体系入手，通过把钻具下至井底，对钻具与井壁之间的环空进行地层承压试验，得出超低密度水泥浆体系能满足施工需要的结论。     

单一环空窄间隙条件下固井液当量循环密度及其数值模拟计算

窄间隙环空是油气固井作业中遇到的主要挑战之一,由于环空间隙急剧减小,导致局部剖面平均流速快速增大,进而使得井底固井水泥浆的当量循环密度显著提高,从而大大增加了压漏地层的风险。文章借助计算流体力学软件Fluent对单一环空窄间隙条件下固井水泥浆的层流流动进行分析,采用直接数值模拟来验证MetznerReed(MR)理论方法的准确性。同时,通过分析宾汉、幂律和赫巴三种非牛顿流体流变模型对固井液当量循环密度计算结果的影响,对三款主流钻完井软件在处理不同流变模型时的适应性进行了对比分析。通过研究发现,MR法与直接数值模拟法的固井液当量循环密度计算结果基本一致,因此MR法是一种计算窄间隙条件下固井液当量循环密度更为精确的方法。此外,在窄间隙环空中,井底固井液当量循环密度的计算结果对流变模型十分敏感,而不同钻完井软件在分析不同流变模型时又具有各自不同的适应性。因此,在实际进行窄间隙固井的水泥浆设计时,基于流变特性测试数据采用最小二乘法优选水泥浆的流变模型,再根据流变模型进行钻完井软件的选择。     

钻井液/泥浆水利学计算软件实现——系统设计

高温高压环境中钻井／压井泥浆流变特性对钻井和压井作业有重要影响，为此设计了高温、高压环境下钻井／压井泥浆流变参数分析和计算程序，通过采用工区、井位、计算任务的三层数据模式和基于流程的计算任务实例动态管理，实现了高温高压环境下水泥浆摩阻系数、压力损失等流变性能的自动计算、分析和可视化，为在复杂工况下井场人员快速方便调节泥浆粘度等流变特性提供效应手段。     

控压固井注入阶段流体密度和流变性分段预测方法

为解决控压固井注入阶段入井流体密度及流变性预测难的问题,设计了流体密度和流变性测量试验,基于试验结果优选了流变模式,建立了考虑不同流体性能差异的温压耦合模型,提出了流体密度和流变参数的分段预测方法。以川北地区X井为例进行了模拟计算,模拟结果表明：采用分段方法可将赫巴模式、四参数模式等多种流变模式作为优选对象,能更精确地描述流体的流变性;控压固井注入阶段采用常规计算方法,井口回压值偏低,大大增加了地层气侵风险,且不同方法预测的环空温度场相差不大;温度和压力的耦合作用对于流体密度和流变性及其变化规律的影响较大,也会对环空浆柱结构的设计及固井施工效果产生重要影响。研究结果为控压固井设计施工提供了理论依据。     

温度压力对水泥浆流变性的影响规律研究

温度与压力是影响水泥浆流变性的客观关键因素。选取了有一定代表性的4种水泥浆,测定了在不同温度、压力下的流变性,根据试验结果,分析了温度、压力对水泥浆流变曲线、水泥浆流型、流变参数及水力参数的影响。研究表明,实际的注水泥流变学设计应考虑温度、压力对水泥浆流变性的影响,温度对流变性的影响要比压力显著得多。     

温度及外加剂对水泥浆流变性的影响

水泥浆流变性与水灰比、水泥颗粒的粒度和形状、水泥化学组分及颗粒表面上组分的相对分布、外加剂种类和加量、试验条件(温度和压力)等众多因素密切相关，因此对特定浆体流变模式及流变规律的确定结果，往往因研究者及实验条件不同而存在差别。以嘉华G级油井水泥为研究对象，以流变学基本原理为基础，以高温高压流变仪获得的流变测试曲线为依据，采用赫切尔—巴尔克莱模式本构关系确立了在不同井温下水泥浆体流变模型，探讨了温度、外加剂等对流变性能的影响规律及其本质，为深井水泥浆体系设计及流变学计算提供了基础。计算及分析结果表明，建立的流变模式及确定的流变参数值具有良好的精度。     

考虑循环温度影响下注水泥流变性能计算方法

在注水泥过程中,钻井液与水泥浆在不同井深位置所受到的作用温度是不同的。在深井情况下,高温对流体流变性能的影响更加明显。通过对高温高压流体流变实验数据的分析处理,建立了通过测定2个温度下流体流变性能数据,从而计算不同温度下流体流变性能变化规律（剪切应力）的计算模型与方法,并提出了针对深井注水泥具体分段考虑温度对流变性影响计算的方法。通过对流变实验测试数据的计算误差分析,说明该计算方法的实际误差是可接受的,计算方法是可行的。      

固井水泥浆的时变性分析

固井设计中，水泥浆的流变性是重要参数。对水泥浆流变参数估计偏差较大，将引起由此计算出的循环摩阻压力和施工设计排量出现偏差，导致顶替效率不高，甚至压漏地层。目前，国内外在注水泥设计时，都将水泥浆视为非时变性非牛顿流体。但是，水泥浆一旦配制后则开始发生水化反应。这必将影响水泥浆的流变性，水泥浆在不同的水化阶段显示不同的流变特征。为此，研究了不同水化阶段的水泥浆的流变特性。结果认为，在中、低剪切速率下，水泥浆的时变特征显著，而水泥浆在顶替过程中剪切速率多为300 s^-1以下。注水泥浆施工设计时，必须对水泥浆的时变性予以足够重视。     

影响油井水泥浆流变性的因素

油井水泥浆的流变性是水泥浆配方设计的核心及安全施工的前提。本文分析了影响油井水泥浆流变性的主要因素：水泥的矿物组成（主要讨论中间相）即Ｃ４ＡＦ和Ｃ３Ａ对水泥浆的流变性影响很大,而易与硫酸盐反应生成钙矾石（ＡＦｔ）,不利于水泥石的长期稳定性;碱含量即Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ总含量,熟料中碱对水泥浆的影响超过Ｃ３Ａ;当水泥的粒度（比表面）颗粒粒径大于７５ｕｍ时,分散剂几乎不起作用;温度主要是通过加速或延缓水泥的水化速度而影响水泥浆的流变性;压力的增加会加速水泥的水化;化学外加剂也能改善水泥浆的流变性。并提出了水泥浆配方流变学设计的试验流程。     

高效双分散剂F-2的研制与应用

为解决固井替浆过程中钻井液和水泥浆接触后混合浆体流变性变差的问题,采用氧化-还原引发共聚反应,合成了一种高效双分散剂F-2。根据行业标准对其性能进行了评价,结果表明:聚合物钻井液和常用水泥浆加入双分散剂F-2后,其流变性能得到改善;常用水泥浆加入双分散剂F-2有助于提高水泥石强度;加入双分散剂F-2的常用水泥浆与聚合物钻井液按不同比例混合后,其流变性能没有出现明显的突变;双分散剂F-2的最优加量为0.5%。双分散剂F-2在胜利油田2口非常规水平井固井中进行了试验,在水泥浆顶替钻井液的过程中,没有出现由于钻井液与水泥浆相混流变性变差的问题,整个固井施工过程顺利,其中1口井的第一界面胶结质量优质率高达95%,第二界面胶结强度中等以上,而未应用双分散剂F-2的邻井第一、二界面胶结质量仅为合格。双分散剂F-2不仅能对水泥浆和钻井液起到良好的分散效果,也为固井替浆过程中出现的浆体增黏、变稠问题提供了新的解决途径。      

深水油藏窄密度窗口气井固井动态仿真模拟研究与应用

针对中国南海西部油田固井施工过程中存在的井筒内温差大、密度窗口窄等复杂问题,考虑温度、压力对固井流体密度及流变性的影响,建立了固井动态注替模型,并依据瞬态加速度法得到了井内实际流量计算方法,基于测井数据、井身结构参数、固井泥浆性能参数及固井施工参数等,计算了固井过程中各地层薄弱点的当量循环密度及各阶段的井内动态参数。通过对南海西部油田LD1-X井的固井实例,提出了提高深水油藏窄密度窗口气井安全高效固井的技术措施:合理的浆柱结构设计、变排量顶替技术、注水泥全阶段的仿真模拟等。现场应用结果表明,以上技术措施可有效解决大温差窄密度窗口气井的安全固井问题。该研究对南海西部油田的固井施工具有重要指导意义。     

深水油气井浅层固井水泥浆性能研究

针对深水油气井浅层固井存在的逆向温度场,对水泥浆在低温下的稠化时间、抗压强度和流变性能进行了分析,结果显示:在低温下水泥浆的稠化时间明显延长,抗压强度发展缓慢,流变性能变差。因此,针对深水固井试验中温度模拟方法与陆地固井的不同,介绍了深水固井循环温度和静止温度的确定方法,设计了可以用来测试深水固井水泥浆性能的稠化试验装置及静胶凝试验装置。同时设计了不同密度的深水固井水泥浆配方,并对其性能进行了测试,结果表明,所设计的不同密度深水固井水泥浆,在低温条件下早期强度发展快（4 MPa/16h）,流变性好,防气窜能力强,沉降稳定性能好,能满足深水表层套管固井的需要。      

油基钻井液组分对水泥浆性能的影响及其机理

针对固井时油基钻井液与水泥浆掺混易产生接触污染进而影响施工安全的问题,开展了油基钻井液各组分对水泥浆流变性、稠化时间、抗压强度等性能影响的研究,同时结合扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱等手段,初步探索了油基钻井液各组分对水泥浆性能影响的机理。实验结果表明:油基钻井液的掺混会使水泥浆流变性变差、水泥石抗压强度降低,影响顶替效率及水泥环的封隔能力;柴油、主乳化剂、副乳化剂等单组分对水泥浆流变性能的影响不大,而由柴油、内部水相与乳化剂搅拌形成的乳状液则会对水泥浆性能产生几乎与油基钻井液同等程度的影响。研究结果表明:乳状液圈闭了水泥浆中的自由水,导致浆体变稠,使水泥颗粒无法与自由水有效结合,阻碍水泥浆的水化,导致水泥石结构疏松多孔,影响了水泥石的强度。对策建议:可使用添加合适表面活性剂的先导浆、隔离液等措施来缓解接触污染。     

库车山前低返速固井钻井液低剪切流变特性研究

针对塔里木库车山前超高压气井四开低返速固井过程中钻井液实际处于低剪切流动状态和现场采用全剪切速率流变测试数据拟合其流变模式和流变参数的不足,研究了库车山前钻井液在低返速固井过程中的低剪切速率范围、对应的流变模式和流变参数及其对注水泥环空流动摩阻系数的影响。研究结果表明,在低返速固井过程中,钻井液的剪切速率明显小于1022 s?1（600 r/min）,且对应的流变模式及流变参数与全剪切速率范围内的差异巨大,导致基于二者的注水泥环空摩阻系数也存在较大的差异,从而影响对注水泥环空压力计算的精确控制。为此,对低返速固井,应根据其低剪切速率范围内的流变模式和流变参数计算环空流动压耗,控制固井排量,提高低返速防漏固井的成功率。