深海固井頂替液參數的數值模擬

胡佳佳(中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249)

深海固井頂替液參數的數值模擬

胡佳佳(中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249)

本文數值模擬了深海固井頂替過程，其中頂替液為水泥漿，基于100米長的物理模型，基于兩相流體力學數值實驗模型，考慮了兩相界面的質量擴散、考慮了層流與湍流耦合作用，應用流體軟件模擬頂替過程，獲得了不同頂替液流變參數下頂替效率的發展規律。

深海固井；數值模擬；水泥漿；頂替效率

0 引言

深海固井頂替作業中，水泥漿的流變參數是影響頂替效率和固井質量的關鍵因素之一，由于頂替效率涉及影響因素較多，如地層條件、井身結構、流體流變參數等，目前國內還難以利用室內實驗精確物理模擬，所以學者們大多數采用數值模擬方法，但數值模擬過程往往采用的是短尺寸模型。本文應用Fluent軟件對水平井頂替進行數值實驗，采用100米長的物理模型，應用大型計算機進行數值實驗，其中頂替液為水泥漿，被頂替液為鉆井液，系統研究不同水泥漿流變參數對頂替效率的影響，得出水泥漿流變參數臨界值，為水泥漿流變參數的優選提供了參考。

1 數值實驗模型

流變模式的合理選擇是優化水泥漿配方設計的前提，目前國內外普遍選擇賓漢流變模式和冪律流變模式來描述水泥漿的流變性能。油氣井注水泥時，由賓漢塑性流體模型和冪律模型進行水力學計算的結果都相當接近，但冪律模型更為精確，所以本文水泥漿使用冪律流變模式，鉆井液則使用賓漢流變模式。

①冪律方程的形式為：

式中：

τ為切應力，Pa；

K為稠度系數，Pa·sn；

γ為剪切速率，s-1；

n為流性指數，無因次。

②賓漢方程的形式為：

式中：

τ為切應力，Pa；

τ0為動切力，Pa；

ηp為塑性粘度，Pa·s；

γ為剪切速率，s-1。

2 數值實驗

基于以上物理模型和數學模型進行數值實驗，水泥漿頂替鉆井液為正密度差條件下之間的液液兩相流動，在寬窄邊效應、重力作用、質量擴散等多種因素耦合影響下，表現出特有的頂替界面特征。在鉆井液的塑性粘度、動切力及水泥漿流性指數已知的情況下，模擬水泥漿流性指數對頂替過程的影響，具體參數值如下表：模擬水泥漿稠度系數對頂替過程影響

頂替液 密度(kg/m3) 流性指數 稠度系數(Pa·sn)水泥漿 1900 0.5 0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8被頂替液 密度(kg/m3)塑性粘度(Pa·s) 動切力(Pa)鉆井液 1300 0.02 20

在水泥漿和鉆井液的參數參照表的情況下，不同水泥漿稠度系數對頂替效率的影響見圖。

水泥漿稠度系數對頂替效率的影響

在各項固井施工參數與模擬參數基本一致的情況下，當水泥漿稠度系數為0.3～0.6Pa ·Sn 時，頂替效率隨著稠度系數的增加而升高；水泥漿稠度系數大于0.6～0.8Pa ·Sn時，頂替效率隨著稠度系數的增加而略微降低。由此可以得出，固井頂替過程中，水泥漿稠度系數大于0.6時，頂替效率較高。

3 結語

(1)針對深海固井頂替問題，考慮物質輸運模型描述兩相流體之間的質量擴散與流態識別，建立了數值實驗模型，為深海固井頂替提供了有效的研究手段。

(2)在本文計算條件下，水泥漿稠度系數對頂替效率影響規律明顯，稠度系數則在0.6前后規律發生反轉，稠度系數大于0.6時，頂替效率較高，所以將流變參數控制在合理范圍內能夠獲得較高的頂替效率。