密度差對水平段固井頂替界面影響規(guī)律研究

顏培育

中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部伊拉克油化項(xiàng)目組 河北 廊坊 065000

密度差對水平段固井頂替界面影響規(guī)律研究的重要性在石油工程領(lǐng)域中是不可忽視的，水平段固井是一種在地下進(jìn)行的關(guān)鍵操作，用于在油氣井中完成油層的開發(fā)與生產(chǎn)，密度差是指在固井過程中井筒內(nèi)外不同介質(zhì)的密度差異。密度差影響著固井過程中的流體運(yùn)動(dòng)和界面穩(wěn)定性，如果密度差不合理或未考慮到密度差的影響，可能導(dǎo)致流體不穩(wěn)定、固井液逆浸、水泥漿漏失等問題，從而引發(fā)井下事故和環(huán)境污染[1]。密度差會(huì)影響水泥漿在井筒內(nèi)的上升速度、分布均勻性和附著性，研究密度差對固井頂替界面的影響，有助于優(yōu)化水泥漿配方和固井操作參數(shù)，提高固井質(zhì)量，確保油氣井的長期穩(wěn)定生產(chǎn)[2]。本次研究主要是引入數(shù)值模擬的方法，開展密度差對水平段固井頂替界面影響規(guī)律研究，為保障固井作業(yè)的安全與質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 水平段環(huán)空流場計(jì)算網(wǎng)格模型

在開展密度差對水平段固井頂替界面影響規(guī)律研究時(shí)，建立水平段環(huán)空流場的計(jì)算網(wǎng)格模型是一個(gè)重要的步驟，該模型的合理建立可以幫助準(zhǔn)確模擬流體在井筒內(nèi)的流動(dòng)行為，從而深入研究密度差對固井頂替界面的影響。首先要確定研究的水平段井筒區(qū)域范圍，包括井口、水平段井段和井底等部分，根據(jù)研究目的，可選擇只考慮水平段井段或者包括上下游區(qū)域，根據(jù)研究需求，可選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適用于較規(guī)則的幾何形狀，易于處理和計(jì)算，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適用于復(fù)雜的幾何形狀，靈活性更高，將研究區(qū)域劃分為小的網(wǎng)格單元，即網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度的選擇需平衡計(jì)算精度和計(jì)算成本，對于關(guān)鍵區(qū)域，可以適當(dāng)提高網(wǎng)格密度以獲得更精細(xì)的模擬結(jié)果，確定各個(gè)邊界的邊界條件[3]。這些條件包括入口條件、出口條件、壁面條件等，確定所采用的流動(dòng)模型，通常在石油工程中采用Navier-Stokes方程的簡化形式，如雷諾平均N-S方程，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值求解方法，如有限差分法、有限元法等，同時(shí)，需要考慮流體的不可壓縮性以及流場中可能存在的多相流現(xiàn)象，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對建立的網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬前，應(yīng)當(dāng)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，比較模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或已有的解析解，確保模型的可靠性和準(zhǔn)確性。此次研究中建立的模型水平井外徑為215.9mm，考慮8%井徑擴(kuò)大率后的水平井外徑為233 mm，采用139.7 mm外徑套管進(jìn)行固井的頂替情況，居中度分別設(shè)置為30%、50%、66.7%、85%和100%，在流場空間離散方面，采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來布置離散點(diǎn)，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定為600萬個(gè)，并進(jìn)行了1000秒的固井頂替計(jì)算，為了更好地捕捉頂替界面，采用了網(wǎng)格局部加密技術(shù)進(jìn)行流場計(jì)算。

1.2 水平段環(huán)空固井頂替流體力學(xué)模型

在開展密度差對水平段固井頂替界面影響規(guī)律研究時(shí)，頂替界面的組分方程是用來描述界面上各組分的質(zhì)量守恒關(guān)系的方程，在水平段固井中，涉及到多相流體，通常包括水泥漿、井液、氣體和油等組分，此次研究采用簡化的組分方程描述頂替界面上兩種組分的質(zhì)量守恒關(guān)系。在此次研究中，當(dāng)某種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，假設(shè)為一種固體流體，當(dāng)某種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1時(shí)，假設(shè)為另一種固體流體，當(dāng)某種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于0～1區(qū)間內(nèi)時(shí)，假設(shè)為兩種流體混漿的頂替界面。初值條件和邊界條件是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵要素，用于描述問題的初始狀態(tài)和邊界特性，在進(jìn)行初值條件設(shè)定時(shí)，確定初始時(shí)刻，水平段井筒內(nèi)各組分的密度分布情況，設(shè)定初始時(shí)刻各組分在水平段井筒內(nèi)的速度場分布情況，包括大小和方向，設(shè)定初始時(shí)刻各組分在水平段井筒內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)分布情況，即各組分的占比，此次研究中設(shè)定初始時(shí)刻速度場均為零[4]。在進(jìn)行邊界條件設(shè)定時(shí)，設(shè)置水平段井筒入口處的流體速度、密度、體積分?jǐn)?shù)等條件，通常情況下，入口處可以設(shè)定為固定值或根據(jù)實(shí)際情況提供流體的注入速率和組分信息，設(shè)定水平段井筒出口處的流體壓力或速度條件，用于模擬流體從水平段井筒流出的情況，設(shè)置套管內(nèi)壁面的條件，通常可以采用固壁條件，即假設(shè)套管內(nèi)壁面為固定且不滲透的，或者根據(jù)實(shí)際情況提供相應(yīng)的壁面特性，如水泥漿的附著能力等[5]。

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)方案

在開展數(shù)值實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的過程中，需要研究不同密度差條件下水平段固井頂替界面的影響規(guī)律，分析密度差對固井質(zhì)量的影響，建立合適的水平段固井模型，考慮到實(shí)際井筒條件，包括套管、井壁、固井漿體等參數(shù)，選擇不同密度差水平段固井漿體組合，比如高密度漿體與低密度漿體的組合，并設(shè)定不同密度差的數(shù)值范圍，在研究結(jié)束后，需要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析不同密度差條件下的固井頂替界面形成情況、固井質(zhì)量、套管居中度等指標(biāo)，對比不同密度差條件下的數(shù)值結(jié)果，得出密度差對水平段固井頂替界面的影響規(guī)律及固井質(zhì)量的變化趨勢。水平井固井頂替過程中存在兩個(gè)界面：水泥漿頂替隔離液和隔離液頂替鉆井液。文中以隔離液頂替鉆井液為例進(jìn)行研究，為了深入了解這種影響，文中設(shè)計(jì)了25個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別考慮了5個(gè)不同居中度和5個(gè)不同密度差的情況。鉆井液密度設(shè)置為1.20g/cm3，并基于相對運(yùn)動(dòng)的原理，在300m的環(huán)空網(wǎng)格模型上進(jìn)行了1000秒的數(shù)值模擬，保存了每秒的頂替界面體積分?jǐn)?shù)云圖。本文的研究為水平井固井頂替過程提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)論，研究表明不同居中度和密度差會(huì)導(dǎo)致不同的頂替界面形態(tài)和穩(wěn)定性，這對于優(yōu)化固井頂替工藝，確保井下安全和提高產(chǎn)能具有重要意義，同時(shí)，文中提到這些結(jié)論對于水泥漿頂替隔離液也具有一定的參考價(jià)值，為未來研究提供了更廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 居中度與密度差對頂替界面影響規(guī)律研究

在低居中度條件下，密度差對頂替的影響可能會(huì)更加顯著，因?yàn)槠奈恢脮?huì)導(dǎo)致流體在水平井筒內(nèi)形成不均勻的流動(dòng)場，從而影響頂替界面的形成和演化過程，低居中度條件下，固井頂替界面可能會(huì)更加不穩(wěn)定，因?yàn)樵谄奈恢?，密度差可能?huì)加劇流體的攪拌和混合，導(dǎo)致界面的波動(dòng)和不規(guī)則性增強(qiáng)，低居中度條件可能導(dǎo)致頂替界面位置相對偏移，使得界面偏離原本居中位置，這可能對固井的密封效果和固井質(zhì)量產(chǎn)生影響，在低居中度條件下，密度差可能會(huì)影響固井頂替的速率，使得頂替過程的時(shí)間變化，從而影響固井的施工進(jìn)度和效率，密度差可能導(dǎo)致頂替界面形態(tài)的變化，例如界面的擴(kuò)散、分層和分散現(xiàn)象。在中等居中度條件下，密度差對頂替的影響可能會(huì)表現(xiàn)出一些特定的規(guī)律，密度差可能會(huì)影響頂替界面的形態(tài)穩(wěn)定性，相對于低居中度條件，中等居中度情況下，界面可能更趨向于穩(wěn)定形態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)和不規(guī)則性，在中等居中度條件下，密度差可能會(huì)對居中位置附近的界面形成和演化產(chǎn)生更直接的影響，這些區(qū)域可能會(huì)對固井的密封性和固井質(zhì)量產(chǎn)生更重要的影響，密度差可能會(huì)影響固井頂替的速率，在中等居中度條件下，界面的頂替速率可能處于中間水平，不會(huì)過于迅速或緩慢，密度差可能會(huì)影響頂替界面的寬度和擴(kuò)散情況，在中等居中度條件下，界面的寬度可能會(huì)適中，不會(huì)過于擴(kuò)散或收縮。在高居中度條件下，套管相對完全居中，使得固井頂替界面更加穩(wěn)定，密度差可能會(huì)對界面的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但由于套管居中，界面可能更趨向于保持規(guī)則和穩(wěn)定的形態(tài)，密度差對界面的寬度可能會(huì)有一定影響，在高居中度條件下，由于相對居中，界面寬度可能不會(huì)出現(xiàn)過于擴(kuò)散或收縮的情況，而是處于適中狀態(tài)，密度差可能對固井頂替的速率產(chǎn)生影響，相對居中的套管位置可能導(dǎo)致界面的頂替速率較為穩(wěn)定，但密度差的變化可能影響頂替的時(shí)間尺度，密度差可能對界面形態(tài)產(chǎn)生微小的影響，相對較高的居中度條件可能使界面更加規(guī)則，但密度差可能在局部區(qū)域產(chǎn)生一些形態(tài)變化。理想居中度條件指的是水平井套管在水平井段中處于完全居中的位置，即套管完全對稱于水平井的中心線，由于套管完全居中，頂替界面的形態(tài)可能會(huì)保持相對穩(wěn)定和規(guī)則，不會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)或變形，固井頂替過程可能會(huì)更加均勻和穩(wěn)定，密度差對頂替速率的影響可能較為平緩，使得頂替界面形成的相對均勻，密度差可能會(huì)對頂替界面的寬度產(chǎn)生一定的影響，但在理想居中度條件下，由于套管位置的對稱性，界面寬度可能相對受到較好的控制，密度差可能對界面位置的影響較為明顯，因?yàn)樘坠芡耆又?，密度差將直接影響界面位置的偏移和形態(tài)。

2.3 對固井施工的指導(dǎo)意義

開展密度差對水平段固井頂替界面的影響規(guī)律研究對于提高固井作業(yè)的質(zhì)量具有重要意義，研究結(jié)果將揭示密度差對固井頂替界面形態(tài)和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，根據(jù)研究結(jié)果，可以優(yōu)化固井頂替工藝，選擇合適的居中度和密度差來實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更高效的固井頂替過程，這將有助于減少固井問題，提高固井質(zhì)量，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，研究可以揭示密度差對固井頂替界面的影響，幫助識(shí)別潛在的固井問題和不穩(wěn)定因素，通過了解密度差的作用，可以采取相應(yīng)的措施，確保固井的完整性和穩(wěn)固性，避免固井失效和井下事故，合理選擇密度差可以降低固井施工的復(fù)雜性和成本，研究結(jié)果將有助于優(yōu)化固井液配方和操作參數(shù)，減少特殊添加劑的使用，從而節(jié)約施工成本。通過深入了解密度差對固井頂替界面的影響，可以優(yōu)化固井工藝，提高固井質(zhì)量，從而確保油氣井的長期穩(wěn)定生產(chǎn)，高質(zhì)量的固井頂替過程將提高產(chǎn)能和增加開發(fā)效率，研究密度差對固井頂替界面影響的規(guī)律，需要借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)值模擬方法，這將推動(dòng)固井技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)固井領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。根據(jù)全文研究結(jié)果，通過在扶正器下入的條件和密度差的設(shè)計(jì)上做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以有效提高水平段套管的居中度，此外，推薦優(yōu)先采用密度差較大的漿體設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)理想的隔離液頂替效果，并顯著提高固井界面的膠結(jié)程度和固井質(zhì)量。

3 結(jié)束語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行水平段固井時(shí)，當(dāng)扶正器的扶正條件和密度差設(shè)計(jì)允許時(shí)，建議盡量提高套管的居中度與密度差。這樣可以實(shí)現(xiàn)理想的隔離液頂替效果，從而提高固井質(zhì)量。當(dāng)井眼條件較差且扶正器下入困難時(shí)，可采用密度差較大的漿體設(shè)計(jì)，以顯著減少偏心環(huán)空窄邊的鉆井液滯留，降低隔離液頂替界面混漿長度，從而提高隔離液頂替效率，進(jìn)而提高固井質(zhì)量。