綜合評價(jià)固井頂替效率

艾正青，石慶，秦宏德，鄧?yán)?，袁中濤，張峰，劉?/p>

（1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051）

綜合評價(jià)固井頂替效率

艾正青*1，石慶2，秦宏德1，鄧?yán)?，袁中濤1，張峰1，劉洋2

（1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000；2.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051）

目前廣泛采用的數(shù)值模擬方法未考慮工作液間的化學(xué)不兼容性，實(shí)際上鉆井液、隔離液、水泥漿相互接觸后其物化性能都會發(fā)生明顯變化，因此數(shù)值模擬方法存在很大缺陷。為科學(xué)評價(jià)固井頂替效率，選取鉆井液、隔離液、水泥漿作為研究對象，分析了鉆井液性能（鉆井液的觸變性、流變性、泥餅）、隔離液使用情況（隔離液用量、流變性、相容性）、水泥漿性能（水泥漿流變性、水泥漿稠化時(shí)間、水泥漿析水），建立了因素集、評價(jià)集、權(quán)重集，提出了固井頂替效率二級評價(jià)方法。通過實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，頂替效率二級評判方法能指導(dǎo)鉆井液、隔離液、水泥漿的性能調(diào)節(jié)，有利于提高頂替效率；優(yōu)先調(diào)節(jié)鉆井液、隔離液、水泥漿中性能較差者能較明顯提高頂替效率。

頂替效率；鉆井液性能；隔離液；水泥漿性能；模糊數(shù)學(xué)；綜合評價(jià)

固井的目的是形成良好的環(huán)空封固質(zhì)量，防止油氣水竄，為快速、安全鉆進(jìn)以及后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)提供保障。固井質(zhì)量取決于頂替效率與候凝效果，為了提高固井質(zhì)量，需要分析影響頂替效率的各種因素，進(jìn)而評價(jià)頂替效率，以尋求改善固井質(zhì)量的方案。影響頂替效率的因素眾多，主要包括以下幾個(gè)方面：鉆井液性能（鉆井液的觸變性、流變性、泥餅）、隔離液使用情況（隔離液用量、流變性、相容性）、水泥漿性能（水泥漿流變性、水泥漿稠化時(shí)間、水泥漿析水）等［1-6］。目前廣泛采用的數(shù)值模擬方法僅從物理置換角度，以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，采用界面失蹤方法，理論上分析了井眼質(zhì)量、工作液性能對頂替效率的影響，其主要缺點(diǎn)在于未考慮工作液間的化學(xué)不兼容性，認(rèn)為相互接觸的2種工作液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，存在明顯的界面，實(shí)際上鉆井液、隔離液、水泥漿相互接觸后其物化性能都會發(fā)生明顯變化，因此數(shù)值模擬方法存在很大缺陷?；诖嗽?，本文利用模糊數(shù)學(xué)理論之一——多級模糊綜合評價(jià)方法，對影響頂替效率的3個(gè)因素進(jìn)行逐級評價(jià)，既考慮了工作液物理性能，又兼顧了接觸污染的化學(xué)本質(zhì)，能較科學(xué)評價(jià)頂替效率。

1　二級綜合評價(jià)模型的建立

根據(jù)前面對頂替效率影響因素的分析，可以得到?jīng)Q定頂替因素的層次關(guān)系為：

頂替效率（x）=｛鉆井液性能（x1），隔離液使用情況（x2），水泥漿性能（x3）｝

鉆井液性能（x1）=｛觸變性（x11），流變性（x12），泥餅（x13）｝

隔離液使用情況（x2）=｛隔離液用量（x21），隔離液流變性（x22），隔離液相容性（x23）｝

水泥漿性能（x3）=｛流變性（x31），失水（x32），析水（x33）｝

根據(jù)層次分析結(jié)果，綜合評判頂替效率可以采用二級模糊綜合評價(jià)。

1.1初級評價(jià)

（1）因素集。鉆井液的性能主要包括觸變性、流變性及泥餅。觸變性是指鉆井液靜止后變稠的性質(zhì)；流變性是指流體流動(dòng)變形的性質(zhì)；泥餅這里主要是指鉆井液形成的濾餅厚度。鉆井液性能的因素集為：

鉆井液性能（x1）=｛觸變性（x11），流變性（x12），泥餅（x13）｝

隔離液使用情況包括隔離液用量、隔離液流變性、隔離液相容性。隔離液用量用隔離液沖洗裸眼段某一層位的時(shí)間表示；隔離液流變性是指隔離液流變性是指隔離液流動(dòng)變形的性質(zhì)；隔離液相容性是指隔離液與水泥漿是否具備化學(xué)兼容性。隔離液使用情況的因素集為：

隔離液使用情況（x2）=｛隔離液用量（x21），隔離液流變性（x22），隔離液相容性（x23）｝

水泥漿的性能主要包括流變性、失水與析水。流變性是水泥漿流動(dòng)變形的性質(zhì)；失水用API失水量描述；析水是水泥漿在靜止2h后析水的自由水的體積占整個(gè)水泥漿體積的百分?jǐn)?shù)。水泥漿性能的因素集為：

水泥漿性能（x3）=｛流變性（x31），失水（x32），析水（x33）｝

（2）評價(jià)集。為了描述鉆井液性能優(yōu)劣、隔離液使用情況及井眼準(zhǔn)備情況，將其分為5個(gè)等級，建立以下評價(jià)集：

V=｛很好，好，中，低，很低｝

（3）各因素隸屬函數(shù)。根據(jù)固井時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)的施工作業(yè)的特點(diǎn)，選用中間型的正態(tài)分布為基本的隸屬函數(shù)，這也是最常見最重要的一種分布，表示為［7-9］：

①觸變性隸屬函數(shù)。觸變性是鉆井液靜止后變稠的性質(zhì)，用終切力減去初切力表示，固井時(shí)需要鉆井液觸變性越弱越好。假設(shè)觸變性為dτ，則觸變性的隸屬函數(shù)為：

②鉆井液流變性隸屬函數(shù)。流變性是鉆井液流動(dòng)變形的能力，這里使用鉆井液動(dòng)切力描述流變性。動(dòng)切力越小越有利于提高頂替效率，因此固井時(shí)鉆井液應(yīng)具備較小的動(dòng)切力。假設(shè)動(dòng)切力為τ0，則鉆井液流變性的隸屬函數(shù)為：

③泥餅隸屬函數(shù)。泥餅是鉆井液失水后形成的濾餅，用濾餅厚度進(jìn)行描述。致密且厚度小的泥餅不僅能穩(wěn)定井壁，而且能有效減小后續(xù)工作液如鉆井液、隔離液、水泥漿等的失水，它與水泥石的膠結(jié)也好于疏松且厚度較大的泥餅，因此固井時(shí)需要泥餅厚度約小越好。假設(shè)泥餅厚度為d，則泥餅的隸屬函數(shù)為：

④隔離液用量隸屬函數(shù)。由于鉆井液與水泥漿是化學(xué)不兼容的，為了保證固井施工安全提高頂替效率，需要在鉆井液與水泥漿之間泵注一定體積的隔離液。通常以隔離液沖洗封固段頂部的時(shí)間來描述隔離液用量。當(dāng)使用隔離液用量大于10min可以獲得很好的頂替效率，小于3min頂替效率很差［1，6，10］。假設(shè)隔離液用量為ts，則隔離液用量隸屬函數(shù)為：

⑤隔離液流變性。鉆井液的流變性一般較差，高粘切值嚴(yán)重制約了頂替效率的提高，因此需要使用流變性良好的隔離液。隔離液與鉆井液體系不同，隔離液由于土相含量低，依靠高粘度懸浮重晶石，因此動(dòng)切力也較高，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與鉆井液有所不同。假設(shè)隔離液動(dòng)切力為τs，隔離液流變性隸屬函數(shù)為：

⑥隔離液相容性。隔離液作為注入在鉆井液與水泥漿之間的工作液，必須與水泥漿具備良好的化學(xué)相容性，才能保證固井施工安全，提高頂替效率。通過測量隔離液與水泥漿混漿（隔離液∶水泥漿=0.05∶0.95及隔離液∶水泥漿=0.95∶0.05）的流動(dòng)度來描述相容性［3］。設(shè)混漿流動(dòng)度為l，隔離液相容性隸屬函數(shù)為：

⑦水泥漿流變性。水泥漿屬于冪律流體，使用流性指數(shù)n來描述流變性。流性指數(shù)n反映了水泥漿與牛頓流體的差異，n越接近1，則流體越接近牛頓流體，流變性越好，能在較低的排量下達(dá)到紊流，有效驅(qū)替鉆井液，頂替效率較高［1，11］。水泥漿流變性隸屬函數(shù)為：

⑧水泥漿失水。水泥漿原漿的API失水量超過1500mL，固井作業(yè)中需要控制失水。低失水水泥漿性能穩(wěn)定，并能減小儲層損害，一般失水量小于50mL的水泥漿性能優(yōu)良，失水量大于300mL的水泥漿性能很差。以FL表示失水量，失水量的隸屬函數(shù)為：

⑨水泥漿析水。API對常規(guī)水泥漿體系的析水的最低要求是250mL的析水不超過3.5mL，即析水不超過水泥漿體積的1.4%，而在大斜度井或水平井的固井中要求析水為0mL。以v表示析水率，析水率的隸屬函數(shù)為：

（4）權(quán)重模糊集。鉆井液性能權(quán)重模糊集：

A1=（觸變性，流變性，泥餅）=（1/3，1/3，1/3）

隔離液使用情況權(quán)重模糊子集：

A2=（隔離液用量，流變性，相容性）=（1/3，1/3，1/3）

直井固井水泥漿性能權(quán)重模糊子集：

A3=（流變性，失水，析水）=（0.4，0.3，0.3）

斜井或水平井固井水泥漿性能權(quán)重模糊子集：

A3=（流變性，失水，析水）=（0.2，0.4，0.4）

（5）初級評判計(jì)算。采用M（·，+）算子，此算子為“加權(quán)平均型”綜合評價(jià)模型。

初級評判結(jié)果為：

1.2二級評判

根據(jù)前面分析頂替效率的層次關(guān)系：頂替效率（x）=｛鉆井液性能（x1），隔離液使用情況（x2），水泥漿性能（x3）｝，可以列出頂替效率的模糊關(guān)系矩陣：

權(quán)重模糊集A=（1/3，1/3，1/3）

二級模糊綜合評判結(jié)果為：

2　實(shí)例分析

某井7″尾管固井，井型是直井，固井施工前對鉆井液、隔離液、水泥漿有表1所示的幾種性能設(shè)計(jì)方案。

表1　鉆井液、隔離液、水泥漿性能調(diào)整方案

頂替效率二級評判計(jì)算：

將初級評判結(jié)果帶入上式，并歸一化處理可得到頂替效率二級評判結(jié)果：

方案1：（0.11，0.34，0.38，0.10，0.06）

方案2：（0.23，0.35，0.31，0.07，0.04）

方案3：（0.16，0.38，0.30，0.09，0.06）

方案4：（0.23，0.34，0.33，0.05，0.04）

根據(jù)最大隸屬度原則，方案1的頂替效率為中等，方案2的頂替效率為中等，方案3的頂替效率為好，方案4的頂替效率為好。根據(jù)評價(jià)結(jié)果可知，該井鉆井液與水泥漿性能較差，調(diào)整鉆井液與水泥漿可以明顯改善頂替效率，而調(diào)整隔離液對頂替效率影響較小。

3　結(jié)論

（1）在分析了鉆井液、隔離液、水泥漿性能基礎(chǔ)上，提出了二級評價(jià)方法。

表2　頂替效率初級級評判結(jié)果

（2）通過實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，頂替效率二級評判方法能指導(dǎo)鉆井液、隔離液、水泥漿的性能調(diào)節(jié)，有利于提高頂替效率。

（3）優(yōu)先調(diào)節(jié)鉆井液、隔離液、水泥漿中性能較差者能較明顯提高頂替效率。

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TE256

A

1004-5716（2016）10-0079-04

2015-11-18

2015-11-19

艾正青（1978-），男（漢族），重慶人，高級工程師，現(xiàn)從事固井科研及管理工作。