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水泥浆环空流动数值模拟及固井质量控制方法研究

李洪乾  
【摘要】: 本文为胜利油田承担的中石化重点攻关项目“多底井分支井钻采配套技术”中的部分研究内容。 首先对胜利油田分支水平井塑性水泥浆体系进行了流变测量,结果表明用宾汉流变模式描述其流变规律,比较适合具体情况。 其次,从理论上分析了以前研究工作中的不足,并建立了由螺旋流道扶正器诱导的环空螺旋流场数值计算的控制方程。在湍流条件下,通过分析给出了偏心环空螺旋流场采用代数雷诺应力模型来封闭使湍流运动控制方程组。 通过对215.9mm×139.7mm和117.5mm×88.9mm环空结构的水泥浆流动进行数值模拟,得到了螺旋扶正器后环空流动速度分布、偏心环空流动速度分布及压降变化规律,结果表明:套扶的螺旋角对于旋流速度在套扶出口1m内影响很大,螺旋角越大,旋流速度越大,而在套扶出口1m以外套扶的螺旋角对于旋流速度的影响明显趋缓;旋流速度在螺旋套扶出口1m内迅速衰减;给定螺旋角度条件下流量对旋流速度有较大的影响,流量越大,旋流速度数值越大,因此,适当提高顶替流量对提高顶替效率有益;在流量为1.91m~3/min的情形下,对于215.9mm×139.7mm环空结构,30°~60°四道螺旋套扶的有效旋流长度约为6~8m;当流量Q=1.1m~3/min时,117.5mm×88.9mm环空结构螺旋角为45°螺旋套扶有效旋流长度为3.4m,由此可以看出,环空间隙的大小有效旋流长度的长短起着决定性的作用;螺旋角在大于45°时螺旋流道的流动压耗显著增加,螺旋套扶螺旋角的确定应以45°为宜。 从理论上对环空流动界面稳定性进行了分析,建立了界面惯性稳定性的基本方程。分析认为,为了提高固井质量,应该通过在合适距离增加旋流套管扶正器,提高套管居中度等来实现,分析认为界面加速运动不利于界面的稳定,不稳定发展速率正比于Atwood~(1/2)。 建立了套管扶正器安放间距的有限元算法。利用建立的有限元算法对胜利油田常用的五种环空结构(244.48mm×177.8mm、215.9mm×177.8mm、215.9mm×139.7mm、152.4mm×101.6mm、152.4mm×88.9mm) 进行了套管扶正器的安放间距的数模分析,认为水平段扶正器安放间距 分别为8.Zm,6.3m,7m,7.sin,5.sin。并设计了一种新型的中空套管刚性 扶正器,用于提高套管串的居中度。 运用模糊数学的多级综合评判理论,建立了一套评判影响固井质量 的主次因素实用方法。结果表明,在影响固井优质率的三大类因素中, 固井施工参数起着最重要的作用,依次是钻井液性能参数和井眼状况参 数。 最后,通过室内实验和理论模型在胜利油田49口开发井和第一口 分支水平井(桩卜支平1井)上的应用,表明本文所建立的模型与方法 可以用于固井设计和套管串设计,并且对很好地进行固井质量的控制具 有重要意义。


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