提高水平井注水泥顶替效率的几点认识

[摘 要]合理运用顶替技术提高顶替效率，对于水平井获得良好固井质量是至关重要的。套管居中度、顶替液与被顶替液流变性能的差异、顶替流态与紊流接触时间、水泥浆密度均匀性、钻井液调整结果等都会不同程度的影响水泥浆顶替效率。本论文从水泥浆顶替效率的基本概念出发，总结出一套提高水平井固井质量的技术措施，对现场水平井固井作业有一定的指导意义。

[关键词]水平井；泥浆；固井；顶替效率

中图分类号：TE256.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01

1.顶替流动的基本概念

为了保证环形空间的密封质量，首先需要考虑的是如何使环空充满水泥浆。充满的过程，实际上是水泥浆驱替或顶替钻井液的过程[1]。水泥环在环形空间顶替钻井液的程度，常用顶替效率表示。

（1）体积顶替效率

为环形空间封固段水泥浆体积与环形空间体积之比，即：

（1）

当时，水泥浆全部替换了钻井液，注水泥质量优良；当时，水泥浆部分替换了钻井液。愈低，注水泥质量愈差。

（2）截面顶替效率

体积顶替效率并不能完全反映环空局部截面上钻井液严重窜槽的情况，有时体积顶替效率较好，而局部截面上的顶替效率却较差，如套管偏心后窄间隙的位置。因此，评价水泥浆的顶替质量，还应考虑封固段各截面的顶替效率（）：

（2）

2.提高注水泥顶替效率的措施

水平井中，套管、泥浆、水泥浆及隔离液等所受重力方向已经不再是轴向而是径向。这一重力使套管很难居中，总是靠向低边。由于比重差的原因，使得重的固体（钻井遗留的岩屑及水泥浆、泥浆中的固相）和液体（通常水泥浆比泥浆重）总是沉向低侧，形成岩屑床及水泥浆在低边形成指进现象（所为指进现象就是流速剖面尖锐、呈指形、不平缓），影响顶替效率。

2.1 提高套管在井眼中的居中度

由于井斜角影响，水平井中套管、钻井液、水泥浆和隔离液，所受重力方向已不再是轴向而是径向，这一重力极易使套管偏心，一旦套管偏心对水泥浆顶替存在以下难点：

（1）水泥浆紊流顶替能确保最佳的固井质量，但随套管偏心度增加，其临界排量逐渐增大。研究表明，水泥浆最佳顶替流态为紊流，因此为降低水泥浆紊流顶替临界排量，提高水泥浆顶替效率，需提高套管居中度[2]。

（2）在套管偏心的环空中，宽环间隙边的水泥浆流动阻力总小于窄环间隙边，造成宽环间隙边水泥浆流动速度总是大于窄环间隙边，从而形成水泥浆窜流。

通过上述分析可知，提高水平井顶替效率的有效途径有：一是通过扶正器的合理选型与安放[3]，尽量提高套管居中度；二是尽可能地提高施工时的顶替排量。

2.2 紊流施工

由于水泥浆在水平井段为横向流动，对钻井液不能产生浮力作用，钻井液在环空窄边流动更加困难，而紊流注水泥作业能对钻井液产生良好的驱替效果，防止在钻井液的滞留区形成窜槽。因此，设计的原则是：只要井下条件允许，优先选用紊流施工。紊流顶替接触时间的确定可以由图1可知。

由图可知，当水泥浆处于层流或层流过渡到紊流期间，Re=2369时，接触时间对窄间隙水泥浆顶替效果的影响并不明显，其顶替效率仅有70%左右；当Re=2855时，各间隙水泥浆顶替效率接近100%，紊流接触时间为5-6min，一般推荐紊流接触时间为6-8min。

2.3 替浆时采用套管漂浮技术

在大斜度井段和水平井段，套管在自重作用下会紧贴井壁下侧。为了保证偏心环空的良好封固，在替浆过程中，在大斜度井段和水平井段替入低密度液体，如清水5～8作为后置液，尽量提高水泥浆与套管内顶替液的密度差，使水泥浆在环空上返时在密度差作用下产生浮力，以利于套管扶正居中，进而提高顶替效率，有利于水泥环均匀封固。

2.4 使用性能优良的前置液

在水平井钻井过程中，为了顺利钻达设计井深和顺利下套管，在钻井液中往往要加入原油或其他剂，使固井前井壁和套管壁上粘附一层油浆、油膜，它将导致水泥环界面胶结性能较差。这种情况下水泥石的界面胶结强度近似为零，严重得影响固井质量。因此，注水泥前必须采用合理的冲洗液，乳化、冲洗、携带粘附在井下环空界面上的油浆、油膜，并改善井壁、管壁的亲水性。

冲洗液在功能上侧重于稀释钻井液，冲洗井壁和套管壁，提高对钻井液的顶替效率和水泥环界面胶结质量，其性能特点主要有以下几点：

（1）具有较低的密度（1.0～1.10），可有效破坏井壁的油润环境，使井壁由亲油性向亲水性转变；

（2）冲洗液流态接近牛顿流体且具有较低的紊流临界排量，对泥饼有较强的浸透力，能降低钻井液粘度与切力；

（3）稀释性能好，冲刷井壁与套管效果好；

（4）冲洗液用量应保持紊流条件下l0min以上接触时间。

3.认识与结论

（1）水平井中套管和流体由于受力方向的原因极易使套管偏心，为了提高水泥浆顶替效率，必须尽量提高套管居中度。

（2）紊流注水泥作业能对钻井液产生良好的驱替效果，防止在钻井液的滞留区形成窜槽。

（3）在大斜度井段和水平井段替入低密度液体，尽量提高水泥浆与套管内顶替液的密度差，以利于套管扶正居中，进而提高顶替效率。

（4）活动套管柱可以改变顶替过程液体流场，对顶替偏心环空间窄间隙及滞留在井壁的泥糊和泥饼是非常有利的。

（5）注水泥前必须采用合理的冲洗液，乳化、冲洗、携带粘附在井下环空界面上的油浆、油膜，并改善井壁、管壁的亲水性。

参考文献

[1] 刘崇建，黄柏宗，徐同台等.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，1993.

[2] 曲永哲.水平井套管安全下入理论研究[D].西南石油大学，2009.

[3] 郑志刚，杨红丽等.提高水平井固井质量的几点认识[J].内蒙古石油化工，2009，23：52-53.