如何提高水泥浆顶替效率

如何提高水泥浆顶替效率

影响水泥环封固质量的首要因素是提高顶替效率，没有良好的顶替效率，其它任何措施都不会对固井质量起到很好作用（如防止窜槽措施），但顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素，受到井眼条件、钻井液性能、水泥浆性能、浆体结构设计、施工参数、前置液接触时间等等的影响，在提高顶替效率的措施上，主要采取加入套管扶正器、在套管串上加泥饼刷、活动套管等。以上技术措施的理论基础是保持两相流界面的平整。普遍的共识是紊流顶替固井效果最好。实际上，由于受井眼条件、固井设备等因素的制约，层流顶替在固井施工中最多，并且同样获得了很好的施工效果，说明除了公认的紊流顶替之外还有更重要的因素影响顶替效率。
 
     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，实际上是水泥浆顶替钻井液的过程。水泥浆与钻井液的顶替质量应满足以下基本要求：
    ①注水泥浆井段的环形空间，钻井液应全部被水泥浆顶替干净，无窜槽现象存在；
②水泥浆返高和套管内水泥塞的高度必须符合设计要求，过高、过低或因套管偏心引起的不同间隙处的返高差异都是不允许的。
     1、影响顶替效率的因素
有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提。通过国内外研究发现影响注水泥顶替效率因素主要有如下六种因素：
套管在井内的居中度；
液体在环空间的流动状态；
紊流时液体流过封隔层位所接触的时间；
钻井液的触变性；
钻井液与水泥浆的流变性能；
水泥浆与钻井液的密度差。
 
  2、钻井液的阻力和水泥浆的动力
钻井液的阻力和水泥浆的动力是保证两相液体顶替效果的基本因素。
阻力：钻井液的流动性能，环形空间的几何尺寸，特征以及近壁层的厚度。近壁层厚度愈大，滞留在边壁的钻井液会多，钻井液的窜槽愈严重。
动力：水泥浆与钻井液流动的压力梯度，活动套管引起的牵引力，水泥浆与钻井液交界面上速度差引起的牵引力以及密度差引起的浮力。
增大水泥浆动力，减少钻井液阻力，是保证两相液体流动的基本措施，而实现两相液体界面的均匀顶替和减少近壁层厚度则是提高水泥浆顶替效率所要解决的主要问题。
  3.1水泥浆的环空流态
以紊流顶替技术为基础一般要求水泥浆的性能为：流性指数在0.6～0.8之间，稠度系数在0.1～0.3之间，不同的尺寸井眼与套管，在不同排量下水泥浆流态如表1。
从表中可以看出，在不考虑井眼扩大的情况下有：
①Φ241.3mm井眼下Φ177.8mm套管和Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，水泥浆在环空中以层流或过渡状态存在，排量只有接近2.0m3/min时才能达到紊流状态；

②Φ215.9mm井眼下Φ177.8mm套管，水泥浆在环空中以紊流状态或过渡状态存在，当替浆排量降低至1.0m3/min左右时，水泥浆的流动状态以层流和过渡状态出现。
③Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，排量从1.0m3/min升至2.0m3/min，水泥浆的流动状态是层流或过渡流态。
    在同心环形空间内，紊流顶替技术已经比较成熟，但是在实际固井施工中，由于钻井目的层愈来愈深，定向井愈来愈多，油气层固井中套管居中度、循环压耗和环空间隙等因素的影响，水泥浆在环空中的返速受到很大限制，难以达到紊流顶替。
通过国内外的研究和固井实践证明，在井下条件确定的情况下，水泥浆环空流动的壁面剪应力在提高水泥浆顶替效率方面起着决定性的作用。