固井环空水泥浆顶替流动机理探究摘要：顶替效率是影响固井质量的重要因素，顶替过程中能否将残余泥浆完全顶替对固井质量有重要的影响，为了更好地了解和掌握水泥浆顶替效率降低而引起地下窜槽对粘砂套管固井质量的影响，从粗糙表面套管井的水泥浆的顶替效率角度出发，开展了粘砂套管顶替效率的理论与实验研究，以验证粘砂套管影响固井质量程度。Abstract：Substitutionefficiencyisanimportantfactorofcementingquality.Whethercanreplacetheresidualmudcompletelyhasanimportantinfluenceonthecementingqualityduringtheprocessofsubstitution.Forabetterunderstandandmasteroftheinfluenceofadhesionsandcasingcementingqualitywhendecreasingthesubstitutionefficiencyofcementpasteduetoundergroundchanneling,wedevelopthetheoreticalandexperimentalresearchoftheadhesionsandcasingsubstitutionefficiencytoprovetheeffectdegreeofcementingqualitybytheadhesionsandcasingfromthepointofsubstitutionefficiencyofroughsurfacecasingwellssementpaste・关键词：固井质量；顶替效率；水泥浆；流体流动Keywords:cementingquality；substitutionefficiency；cementpaste；fluid-flow：TE256文献标识码：A：1006-4311(2013)20-0070-020引言固井质量的好坏直接影响到完成后续工艺的效果，影响油井原油采收率。为了获得高质量的固井作业，水泥浆顶替效率和界面的胶结强度是两个非常重要的因素。为此，人们一方面对注水泥的顶替机理研究作了很多的工作，试图找出影响水泥浆顶替效率的各种因素以及它们之间关系。以保证注水泥井段的环形空间中钻井液应全部被水泥浆顶替干净，无窜槽现象存在。G.C.Howard和J.B.Clark进行了注水泥顶替模拟试验，首先认识了泥浆性能的重要性，并指出降低泥浆粘度有利于提高注水泥顶替效率。R.C.Haut和R.J.Crook提出了泥浆不流动系数的概念。理论研究所作的一些假设很不精确，因而一些实验数据无法得到正确的解释。理论上假设了界面速度剖面可以用单一流体的速度剖面建立模型。B.Nelson指出活动套管能提高顶替效率，并给出了活动套管的冲程和旋转套管的转速。本文提出了水泥浆流体在套管环空的计算，并分别计算了不同粗糙表面水泥浆的的流动规律，为后续固井质量的研究提供了理论支持。1泥浆顶替原理与顶替水力计算流体在环形空间流动时流速剖面如图1所示。根据流体流变特性，流体动塑比与流核存在以下关系式:■=HXH(1)以a表示流核宽度占环形间隙的比，常称核隙比。即：a=H=H(2)式中■为水泥浆顶替的平均速度，m/s；D2为环空直径,m；D1为套管直径，m；?啄为流核宽度，m。2水泥浆顶替流动状态的确定根据相似原理知道雷诺数是表示惯性力和粘滞力对比关系。雷诺数较小，说明惯性力较弱，粘滞力居主导地位，流动呈层流状态；雷诺数较大，表明惯性力占主导地位，流动呈紊流状态。在工程上一般取圆管的临界雷诺数：Rec二2000(3)当Re?燮2000时，流动为层流，当Re?叟2000时，即认为流动已经为紊流。雷诺数的表达式：Re=・(4)利用量纲理论，可得：CD=f(Re)(5)对于球体：CD=FD/■?籽V2<^d(6)Re二？籽V®d/v(7)式(2-6)经过整理可以导出：FD=B?籽V2^dCD(8)式中FD为流体绕流的压差阻力；Vs为流体的流动速度;为球体的直径。3实例研究已知：Re=196mni,Rh=245mm,水泥浆密度？籽c=l.2g/cm3,泥浆密度？籽m=l.2g/cm3,nm=nc=O.5,Km=Kc=O.8PaS2,T=6min,粘砂砂粒2〜4mm,4〜6mm,用逐步逼近的方法（Jacobi迭代法）求解方程，数值解结果如图2：计算结果得出：随着顶替速度的增大，顶替效率在逐渐增大，当速度达到某一值时，顶替效率突然增大，此时的顶替速度称为临界顶替速度。当顶替速度达到再继续增加时，对光滑套管而言，顶替效率基本达到100%,而表面粗糙套管顶替效率达到80%左右，而且顶替效率并不随着顶替速度的增大而持续增大，表明剩余的泥浆无法顶替。通过对顶替效率的研究得出，由于顶替效率的影响，表面粗糙套管井的环空窜槽间隙比光滑套管井的顶替效率大一个数量级，为油气窜槽提供了一个有利的通道。影响固井质量。理论研究表明，水泥浆上返时呈紊流状态是提高顶替效...