胡佳佳(中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249)

深海固井顶替液参数的数值模拟

胡佳佳(中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249)

本文数值模拟了深海固井顶替过程，其中顶替液为水泥浆，基于100米长的物理模型，基于两相流体力学数值实验模型，考虑了两相界面的质量扩散、考虑了层流与湍流耦合作用，应用流体软件模拟顶替过程，获得了不同顶替液流变参数下顶替效率的发展规律。

深海固井；数值模拟；水泥浆；顶替效率

0 引言

深海固井顶替作业中，水泥浆的流变参数是影响顶替效率和固井质量的关键因素之一，由于顶替效率涉及影响因素较多，如地层条件、井身结构、流体流变参数等，目前国内还难以利用室内实验精确物理模拟，所以学者们大多数采用数值模拟方法，但数值模拟过程往往采用的是短尺寸模型。本文应用Fluent软件对水平井顶替进行数值实验，采用100米长的物理模型，应用大型计算机进行数值实验，其中顶替液为水泥浆，被顶替液为钻井液，系统研究不同水泥浆流变参数对顶替效率的影响，得出水泥浆流变参数临界值，为水泥浆流变参数的优选提供了参考。

1 数值实验模型

流变模式的合理选择是优化水泥浆配方设计的前提，目前国内外普遍选择宾汉流变模式和幂律流变模式来描述水泥浆的流变性能。油气井注水泥时，由宾汉塑性流体模型和幂律模型进行水力学计算的结果都相当接近，但幂律模型更为精确，所以本文水泥浆使用幂律流变模式，钻井液则使用宾汉流变模式。

①幂律方程的形式为：

式中：

τ为切应力，Pa；

K为稠度系数，Pa·sn；

γ为剪切速率，s-1；

n为流性指数，无因次。

②宾汉方程的形式为：

式中：

τ为切应力，Pa；

τ0为动切力，Pa；

ηp为塑性粘度，Pa·s；

γ为剪切速率，s-1。

2 数值实验

基于以上物理模型和数学模型进行数值实验，水泥浆顶替钻井液为正密度差条件下之间的液液两相流动，在宽窄边效应、重力作用、质量扩散等多种因素耦合影响下，表现出特有的顶替界面特征。在钻井液的塑性粘度、动切力及水泥浆流性指数已知的情况下，模拟水泥浆流性指数对顶替过程的影响，具体参数值如下表：模拟水泥浆稠度系数对顶替过程影响

顶替液 密度(kg/m3) 流性指数 稠度系数(Pa·sn)水泥浆 1900 0.5 0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8被顶替液 密度(kg/m3)塑性粘度(Pa·s) 动切力(Pa)钻井液 1300 0.02 20

在水泥浆和钻井液的参数参照表的情况下，不同水泥浆稠度系数对顶替效率的影响见图。

水泥浆稠度系数对顶替效率的影响

在各项固井施工参数与模拟参数基本一致的情况下，当水泥浆稠度系数为0.3～0.6Pa ·Sn 时，顶替效率随着稠度系数的增加而升高；水泥浆稠度系数大于0.6～0.8Pa ·Sn时，顶替效率随着稠度系数的增加而略微降低。由此可以得出，固井顶替过程中，水泥浆稠度系数大于0.6时，顶替效率较高。

3 结语

(1)针对深海固井顶替问题，考虑物质输运模型描述两相流体之间的质量扩散与流态识别，建立了数值实验模型，为深海固井顶替提供了有效的研究手段。

(2)在本文计算条件下，水泥浆稠度系数对顶替效率影响规律明显，稠度系数则在0.6前后规律发生反转，稠度系数大于0.6时，顶替效率较高，所以将流变参数控制在合理范围内能够获得较高的顶替效率。