水平井固井頂替不同密度差數(shù)值模擬研究

汪鵬 鄧橋(中國石油大學(xué)(北京)石工學(xué)院, 北京 102249 )

水平井固井頂替不同密度差數(shù)值模擬研究

汪鵬 鄧橋(中國石油大學(xué)(北京)石工學(xué)院, 北京 102249 )

針對水平井固井頂替問題，本文通過建立物理模型，應(yīng)用Fluent軟件模擬了水泥漿對鉆井液的頂替過程，揭示了不同水泥漿與鉆井液密度差條件下界面長度與頂替效率的發(fā)展規(guī)律。

密度差；固井頂替；數(shù)值模擬；頂替效率

0 引言

水平井固井頂替作業(yè)中，頂替液與被頂替液的密度差是影響頂替效率和固井質(zhì)量的關(guān)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(jié)構(gòu)、流體流變參數(shù)等，國內(nèi)外學(xué)者對水平井頂替進(jìn)行了大量的研究，取得了很多成果，大幅提高了固井質(zhì)量。本文應(yīng)用Fluent軟件對水平井頂替進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，采用100米長的物理模型，頂替液為水泥漿，被頂替液為鉆井液，系統(tǒng)研究不同密度差對界面長度和頂替效率的影響，為密度差的優(yōu)選提供了參考。

1 物理模型

利用Gambit軟件建立水平井固井頂替三維物理模型，忽略井眼不規(guī)則與扶正器的影響，環(huán)空尺寸：井眼直徑為215.9mm，井徑擴(kuò)大率以8%計(jì)算，則環(huán)空直徑為233.172mm，套管外徑139.7mm，計(jì)算長度取100 m，居中度0.667(更接近現(xiàn)場情況)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)模擬的頂替流體為水泥漿, 其密度為1300kg/m3、1400kg/m3、1500kg/m3、1600kg/m3、1700kg/ m3、1800kg/m3；被頂替流體為鉆井液，其密度為1300kg/m3。

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

水平井固井頂替過程為非牛頓流體在偏心環(huán)空中的液液流動，流動規(guī)律滿足流體力學(xué)方程組，包括基本方程組、湍流方程、組分方程等。邊界條件：水平井偏心環(huán)空頂替流場包括入口邊界、出口邊界、環(huán)空內(nèi)外壁面邊界、以及對稱邊界。

入口邊界條件：采用速度入口邊界條件，在入口位置直接對法向速度賦值。

出口邊界條件：采用質(zhì)量出口邊界，利用相鄰內(nèi)部流場節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算，滿足質(zhì)量守恒條件。

對稱邊界條件：在水平井環(huán)空左右兩側(cè)可以采用對稱邊界條件，這樣模型求解半個流場即可。

壁面邊界條件：在套管壁面和井筒壁面上，采用無滑移壁面邊界條件。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

水泥漿頂替鉆井液，為正密度差條件下的液液兩相流動，在寬窄邊效應(yīng)、重力作用、質(zhì)量擴(kuò)散等多種因素耦合影響下，表現(xiàn)出特有的頂替界面特征?；谒骄纹沫h(huán)空兩相流體力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑧?yīng)用商業(yè)CFD軟件Fluent模擬水泥漿對鉆井液的頂替過程，其中界面長度是指頂替時間為100s時界面發(fā)展的長度，數(shù)值實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果如下(見表1)。

表1 不同密度差下數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

①針對水平井固井頂替問題，建立了合適的兩相流體力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑸樗骄叹斕嫣峁┝擞行У难芯渴侄巍?/p>

②水平井固井頂替中頂替界面長度越長，頂替效率越低，兩者規(guī)律性保持一致。

③在本文計(jì)算條件下，增大密度差，有利于減緩窄邊滯留，降低頂替界面長度，提高固井頂替效率，所以在一定施工條件下，適當(dāng)增大頂替液與被頂替液密度差對提高頂替效率和固井質(zhì)量有一定的幫助。