川渝地區固井頂替效率影響因素分析

張偉，劉洋，鮮明

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，四川 成都 610052）

固井頂替效率是影響固井質量的重要因素，其研究始于1940年，JONES等首次通過實驗開展了注水泥頂替機理研究，提出了套管居中度是影響頂替效率的重要因素[1]。1967年HOWARD提出了“臨界動切力”概念[1]，系統研究了水泥漿與鉆井液流變性級配對頂替效率的影響。1979年HAUT提出了紊流頂替理論，系統研究了環空流態、紊流接觸時間對頂替效率的影響[2]。2014年馮福平[3]建立了固井頂替解析模型，并提出了偏心環空頂替理論。2019年孫勁飛[4]建立了大型頂替效率有限元模型，進一步系統分析了套管偏心、液體流變性、密度差、紊流等對頂替效率的影響，基于以上研究提出了影響固井頂替效率的六大因素：套管居中度、流體流動狀態、紊流接觸時間、鉆井液流變性、觸變性、水泥漿與鉆井液密度差。

已有的研究成果主要基于兩相流，即隔離液頂替鉆井液、水泥漿頂替隔離液，其對川渝地區高壓氣井的適應性需要進一步驗證[5-6]。因此，選取四川盆地磨溪-高石梯地區Φ177.8 mm尾管固井作為頂替效率計算對象，采用固井頂替模擬軟件，分析套管居中度、環空返速、鉆井液動切力、前置液漿柱結構4種主要因素對頂替效率的影響。

1 套管居中度對頂替效率影響分析

由于井斜及井徑不規則，在套管自重及彎曲應力作用下，套管發生微小彎曲，偏離井眼軸線，無法實現100%居中度。在偏心環形空間內，不同間隙處的阻力并不相等，間隙小，阻力大，液體流動困難。采用固井頂替軟件模擬頂替效率，計算參數如表1所示，套管居中度變化范圍20%～70%。

表1 頂替效率計算參數

頂替效率計算結果如圖1所示。頂替效率基本與套管居中度正相關，即套管居中度提高，頂替效率隨之而增加。當套管居中度達到60%時，頂替效率為95.46%，固井質量能獲得較好的保障。據此，建議套管平均居中度不應低于60%。而套管居中度達到70%時，頂替效率已經達到了97.75%，基本實現了“替盡”。為了實現較高的套管居中度，需要合理設計套管扶正器安放間距和類型。對于井斜超過30°井段，應考慮加密扶正器；井斜超過45°井段，參照1根套管安放1個扶正器，扶正器類型可考慮剛性扶正器和彈性扶正器間隔安放；水平井段應同時兼顧套管居中度和套管安全下入，考慮滾珠扶正器和彈性扶正器間隔安放。

圖1 套管居中度對頂替效率影響

2 環空返速對頂替效率影響分析

前置液及水泥漿在不同的環空返速下呈現出不同的流態。按照流速從低到高，流體逐步從層流過渡到紊流。流體流速越高，剪切速率越高，越有利于清除井壁殘留鉆井液，是影響固井頂替效率的重要因素。為了合理設計施工排量，實現頂替效率最優化，分別計算套管居中度為50%和60%，環空返速在0.6～1.6 m·s-1范圍內（川渝地區固井統計數據）的頂替效率，結果如圖2和圖3所示。

圖2 居中度50%時返速對頂替效率影響

圖3 居中度60%時返速對頂替效率影響

當環空返速超過1.2 m·s-1時，水泥漿達到了高速層流狀態，頂替效率較1.0 m·s-1急劇增加；套管居中度為50%時，欲獲得95%以上的頂替效率，環空返速不應低于1.2 m·s-1，套管居中度為60%時，欲獲得95%以上的頂替效率，環空返速不應低于1.0 m·s-1。以Φ177.8 mm尾管固井為例，當施工排量達到1 m3·min-1時，環空返速就能滿足1.0 m·s-1的要求；當施工排量達到1.2 m3·min-1時，環空返速就能滿足1.2 m·s-1的要求。固井施工過程應重視施工連續性和施工排量的穩定性，保證返速達到高速層流。

3 鉆井液動切力對頂替效率影響分析

鉆井液體系在鉆進過程中屬于細分散體系，為保證懸浮巖屑及井壁穩定，具有較高的黏切值。而在固井時，為了獲得較高的頂替效率，需要將鉆井液體系轉變為粗分散體系，弱凝膠特性，即具有低黏切值和觸變性。為了在固井前對鉆井液流變特性提出量化指標，分析鉆井液動切力對頂替效率的影響規律。

鉆井液動切力在6～16 Pa范圍內的頂替效率計算結果如圖4所示。在鉆井液動切力超過8 Pa后，頂替效率急劇下降，是影響頂替效率的一個重要轉折點。因此，欲獲得95%以上的頂替效率，鉆井液動切力不應超過8 Pa。通過川渝地區高石梯-磨溪區塊、雙魚石構造、川西南區塊、下川東區塊數百口井次現場實踐表明，鉆井液密度低于2.30 g·cm-3時動切力均可調整至8 Pa以內，同時兼顧鉆井液高溫穩定性。當鉆井液密度高于2.30 g·cm-3時流變性及高溫性能調整較困難，可在泵注隔離液前泵注20～30 m3流變性較好的先導漿，其密度可低于鉆井液0.03～0.05 g·cm-3，以置換裸眼段鉆井液，提高頂替效率。

圖4 鉆井液對頂替效率影響

4 前置液漿柱結構對頂替效率影響分析

前置液用量分析國外已有經典理論，不再累述，本文將重點落于前置液漿柱結構對頂替效率的影響。前置液漿柱結構主要有3種：國內固井服務公司多采用沖洗型隔離液+后沖洗液，前沖洗液+沖洗型隔離液的前置液漿柱結構，而斯倫貝謝等國外固井服務公司則采用前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結構。因此，采用以下3種漿柱結構作為計算條件，分析頂替效率。

1）沖洗型隔離液+后沖洗液的前置液漿柱結構：密度2.20 g·cm-3沖洗型隔離液10 m3（塑性黏度30 mPa·s，動切力7 Pa）+密度1.03 g·cm-3的沖洗液3 m3。

頂替效率計算結果如圖5所示。采用此前置液漿柱結構頂替效率為94.10%，較未使用隔離液的頂替效率提高2.51%。頂替結束后，有殘留泥膜，但沒有明顯鉆井液滯留區。

圖5 漿柱結構1頂替效率

2）前沖洗液+沖洗型隔離液的前置液漿柱結構：密度1.03 g·cm-3的沖洗液3 m3+密度2.20 g·cm-3沖洗型隔離液10 m3（塑性黏度30 mPa·s，動切力7 Pa）。

頂替效率計算結果如圖6所示。采用此前置液漿柱結構頂替效率為92.86%，較未使用隔離液的頂替效率提高0.27%。頂替結束后，窄間隙存在明顯滯留區。

圖6 漿柱結構2頂替效率

3）前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結構：密度1.03 g·cm-3的沖洗液3 m3+密度2.20 g·cm-3黏性隔離液10 m3（塑性黏度100 mPa·s，動切力10 Pa）。

頂替效率計算結果如圖7所示。采用此前置液漿柱結構頂替效率為92.78%，較未使用隔離液的頂替效率提高0.19%。頂替結束后，基本無鉆井液殘留。

圖7 漿柱結構3頂替效率

綜上所述，采用沖洗型隔離液+后沖洗液的前置液漿柱結構有利于提高頂替效率，有助于改善界面沖刷效果，不存在明顯鉆井液滯留區；采用前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結構雖然頂替效率不高，但卻實現了對鉆井液的“替盡”，環空僅殘留隔離液。在隔離液與水泥漿相容性好、對水泥石強度影響不大的前提下，可以選擇前沖洗液+黏性隔離液的前置液漿柱結構。

5 結束語

通過分析套管居中度、環空返速、鉆井液動切力、前置液漿柱結構對頂替效率的影響，對頂替參數提出以下要求：套管平均居中度不應低于60%；套管居中度為50%時，環空返速不應低于1.2 m·s-1，套管居中度為60%時，環空返速不應低于1.0 m·s-1；鉆井液動切力不應超過8 Pa；采用沖洗型隔離液+后沖洗液的前置液漿柱結構有利于提高頂替效率，有助于改善界面沖刷效果。