大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGE大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)摘要在固井施工過程中，固井注水泥的高低直接影響到固井質(zhì)量的好壞，沒有良好的固井注水泥效率，采取其它任何措施都不會對固井質(zhì)量起到很好作用。固井質(zhì)量差，直接影響的到油氣井壽命和采收率，嚴(yán)重的直接導(dǎo)致油井報(bào)廢。影響頂替效率的因素復(fù)雜多變，本文針對影響固井注水泥各個(gè)因素包括井身質(zhì)量、水泥漿和泥漿的流變性能、紊流接觸時(shí)間、環(huán)空頂替流態(tài)等主要因素開展深入研究，得出一些結(jié)論和認(rèn)識，結(jié)合大慶油田深井固井頂替效率低的實(shí)際，通過對現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行單一影響因素和多方面影響因素綜合分析，在深井固井施工設(shè)計(jì)和現(xiàn)場技術(shù)制定等方面拓展研究。并編制平衡固井注水泥軟件，它對固井注水泥有一定幫助。關(guān)鍵詞：井身質(zhì)量；固井；固井質(zhì)量；井身結(jié)構(gòu)AbstractInthewellcementationconstructionprocess,displacingefficiencytheheightdirectlytoaffectthecementjobquality,notgooddisplacingefficiency,takesotheranymeasuresallnottobeabletoplayverywelltothewellcementationqualityrole.cementjobqualitybad,directinfluencetooilgaswelllifeandrecoveryratio,itisseriousdirectlycausestheoilwelltodiscard.Theinfluencecomplexdisplacingefficiencythefactortobechangeable,thisarticledisplacingefficiencyeachfactorinviewoftheinfluenceincludingwellborequality,thecementmortarandthemudchangestheperformance,theturbulentflowcontactduration,thelinkspatiallyreplacesthefluidstateandsoontheprimaryfactordevelopmentthoroughresearch,drawssomeconclusionsandtheunderstanding,unifiestheDaqingOilFielddeepwellcementationtodisplacingtheefficiencylowreality,throughcarriesonthesoleinfluencefactorandthevariousinfluencefactorgeneralizedanalysistothescenemeasureddata,gradestheaspectinthedeepwellcementationexecutiveprojectandthescenetechnologysystemtodeveloptheresearch.AndtaketheXudeep8wellsastheexampleelaboratedhowconstructsintheactualsceneconsideredmanyinfluencesfactorenhancesdisplacingefficiency,theguaranteecementjobquality.Andorganizationalbalancewellcementationcementingsoftware,Ithascertainhelptothewellcementationcementing.Keywords：Wellborequality；Deepwell；cementjobquality；Thedrivepipecomesbetween前言在石油固井過程中，固井作業(yè)被認(rèn)為是連接鉆井工程與采油工藝的紐帶，而在固井作業(yè)時(shí)一次注水泥其主要目的之一就是提高橫截面與封固段注水泥的頂替效率，使一次注水泥達(dá)到“替凈”，提供優(yōu)質(zhì)的固井質(zhì)量。半個(gè)世紀(jì)以來頂替效率與注水泥機(jī)理，在國內(nèi)外進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，并得出一些可行的重要結(jié)論，但如何從理論上定量計(jì)算一次注水泥頂替效率及現(xiàn)場注水泥作業(yè)和頂替效率等方面的問題，仍需要進(jìn)一步的研究與探索，為固井施工現(xiàn)場提供如何考慮的理論依據(jù)。目前，鉆井技術(shù)發(fā)展迅速，深井、復(fù)雜井、特殊工藝井的鉆井工藝技術(shù)日趨成熟，固井技術(shù)需要配套發(fā)展。為了滿足油田勘探、開發(fā)需要，實(shí)現(xiàn)原油硬穩(wěn)定，天然氣快發(fā)展的戰(zhàn)略需要，這就要求我們必須提高固井質(zhì)量。影響固井質(zhì)量因素有很多，要得到良好的固井質(zhì)量最重要的是提高注水泥的頂替效率，沒有良好的頂替效率，其它任何措施都不會對固井質(zhì)量起到很好作用。但頂替效率是固井施工過程中最難控制的因素。所以說頂替效率對固井質(zhì)量有決定性的影響，一旦頂替效率不高，井壁殘存泥餅或環(huán)空泥漿竄槽將直接形成環(huán)空竄流通道，從而引發(fā)環(huán)空竄流，導(dǎo)致固井作業(yè)失敗。根據(jù)系統(tǒng)工程的概念，頂替效率與所有參與注水泥頂替過程的因素，包括套管居中度、水泥漿與泥漿的流態(tài)、紊流接觸時(shí)間、泥漿觸變性以及水泥漿和泥漿的密度有關(guān)，并受其影響、控制。為此本項(xiàng)目針對大慶油田徐家圍子地區(qū)的深井固井展開了理論與實(shí)際相結(jié)合的深入研究，以提高頂替效率為手段，以確保固井質(zhì)量為目標(biāo)，進(jìn)一步研究固井頂替機(jī)理以及如何具體提高頂替效率的技術(shù)措施，為大慶油田深井固井施工設(shè)計(jì)及措施制定提供依據(jù)。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章 概述 11.1固井注水泥的意義 11.2國內(nèi)外固井注水泥發(fā)展現(xiàn)狀 11.3研究內(nèi)容 3第2章影響固井注水泥效率的因素以及各因素之間的關(guān)系 52.1固井注水泥效率的定義 52.2固井中水泥漿頂替泥漿的運(yùn)動規(guī)律研究 62.3井身質(zhì)量對固井注水泥效率的影響 92.4泥漿與水泥漿的流變性能 19第3章平衡固井注水泥軟件設(shè)計(jì) 253.1Delphi7.0簡介 253.2數(shù)據(jù)庫簡介 273.3軟件設(shè)計(jì) 273.3.5注水泥設(shè)計(jì) 30結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33PAGE33概述1.1固井注水泥的意義目前，鉆井技術(shù)發(fā)展迅速，深井、復(fù)雜井、特殊工藝井的鉆井工藝技術(shù)日趨成熟，固井技術(shù)需要配套發(fā)展。為了滿足油田勘探、開發(fā)需要，實(shí)現(xiàn)原油硬穩(wěn)定，天然氣快發(fā)展的戰(zhàn)略需要，這就要求我們必須提高固井質(zhì)量。影響固井質(zhì)量因素有很多，要得到良好的固井質(zhì)量最重要的是提高注水泥的頂替效率，沒有良好的頂替效率，其它任何措施都不會對固井質(zhì)量起到很好作用。但頂替效率是固井施工過程中最難控制的因素。所以說頂替效率對固井質(zhì)量有決定性的影響，一旦頂替效率不高，井壁殘存泥餅或環(huán)空泥漿竄槽將直接形成環(huán)空竄流通道，從而引發(fā)環(huán)空竄流，導(dǎo)致固井作業(yè)失敗。根據(jù)系統(tǒng)工程的概念，頂替效率與所有參與注水泥頂替過程的因素，包括套管居中度、水泥漿與泥漿的流態(tài)、紊流接觸時(shí)間、泥漿觸變性以及水泥漿和泥漿的密度有關(guān)，并受其影響、控制。為此本項(xiàng)目針對大慶油田徐家圍子地區(qū)的深井固井展開了理論與實(shí)際相結(jié)合的深入研究，以提高頂替效率為手段，以確保固井質(zhì)量為目標(biāo)，進(jìn)一步研究固井頂替機(jī)理以及如何具體提高頂替效率的技術(shù)措施，為大慶油田深井固井施工設(shè)計(jì)及措施制定提供依據(jù)。1.2國內(nèi)外固井注水泥發(fā)展現(xiàn)狀目前國外BJ、福拉斯馬斯特、道威爾、哈里伯頓和諾斯科等五大能源技術(shù)服務(wù)公司都生產(chǎn)基本水泥，我國只生產(chǎn)一類油井水泥（波特蘭水泥）。基本水泥共有十三類：波特蘭水泥、高鋁水泥、市售低密度水泥、市售膨脹水泥、微細(xì)波特蘭水泥、微細(xì)波特蘭水泥和微細(xì)高爐礦渣混合物、高細(xì)度水泥、高爐礦渣、微細(xì)高爐礦渣、波特蘭水泥和高爐礦渣的混合物、可儲存的液體水泥、酸溶水泥、合成樹脂水泥。美國殼牌石油公司及幾個(gè)其它石油公司的一批科研開拓者，在多功能鉆井液（UF）性能、膠凝漿特性、泥餅固化、界面膠結(jié)等方面作了大量的實(shí)驗(yàn)（剪切膠結(jié)，激活劑的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，水平井大型井筒頂替模擬試驗(yàn)），研制出新型“鉆井”固井液技術(shù)，只是在原有鉆井液配方的基礎(chǔ)上，添加不多的高爐淬廠渣或其它可水化材料，基本上不影響鉆井液的其它性能。新型“鉆井”固井液技術(shù)采用UF鉆井、MTC固井提高了鉆井液和固井液的相溶性，有效地解決了傳統(tǒng)固井水泥漿與鉆井液的不相溶問題，從而實(shí)現(xiàn)了第一、二界面的良好分隔和膠結(jié)強(qiáng)度，特別是提高第二界面的膠結(jié)質(zhì)量，減少和阻止油氣、水流體的層間竄通，而且由于激活劑的擴(kuò)散和滲透，使泥餅形成了固化的致密泥漿，阻止循環(huán)漏失和水泥漿液柱回落。新型“鉆井”固井液與普通油井水泥漿相比，調(diào)節(jié)性能的外加劑價(jià)廉，而且具有低失水、強(qiáng)度發(fā)展快、沉降穩(wěn)定性好、耐污染等特點(diǎn)，新型“鉆井”固井液技術(shù)淡化了頂替機(jī)理和頂替技術(shù)，解決了廢棄鉆井液排放造成的環(huán)境保護(hù)問題。

美國和加拿大用新型“鉆井”固井液技術(shù)在4個(gè)油田進(jìn)行了23口井的施工作業(yè)，以解決各油田存在的固井循環(huán)漏失及地層膠結(jié)不好問題。美國聯(lián)合太平洋能源公司在開采了56年的老油田斯特霍頓油田應(yīng)用使用多種油井水泥及外加劑始終沒有解決第二界面膠結(jié)不好問題，而使頁巖坍塌，導(dǎo)致水竄和油氣竄發(fā)生，應(yīng)用新型“鉆井”固井液技術(shù)，解決此問題，提高了固井質(zhì)量。在油田完井過程中，影響油井固井質(zhì)量的首要因素是頂替效率，沒有良好的頂替效率，其它任何措施都不會對固井質(zhì)量起到很好作用。頂替效率是固井施工過程中最難控制的因素，受到井身質(zhì)量、鉆井液性能、水泥漿性能、漿體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工參數(shù)、前置液接觸時(shí)間等等的影響。因此，半個(gè)多世紀(jì)以來，注水泥頂替機(jī)理研究一直是國內(nèi)外固井界重點(diǎn)研究的課題。1940年,P.H.Jones和D.Berdine對注水泥頂替機(jī)理進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究。他們著重提出,泥漿、水泥漿都是非牛頓液體,需要一定的壓降才能達(dá)到一定的流速。如果套管偏心,就極易在寬間隙處流動而窄間隙處形成竄槽。因此扶正套管是減少竄槽的有力措施。1948年,G.C.Howard和J.B.Clark進(jìn)行了注水泥頂替模擬實(shí)驗(yàn),首先認(rèn)識到泥漿性能的重要性,提高水泥漿返速及降低泥漿粘度,對提高水泥漿的頂替效率有重要作用等。1949年,W.D.Owsley進(jìn)一步指出,提高井眼規(guī)則度和套管居中度,使用紊流頂替等,有利于提高頂替效率。1964年Brice和Holmes提出水泥漿紊流接觸封固層的時(shí)間不低于10min能有效提高頂替效率。1967年,Mclean等指出,降低泥漿靜切力對水泥漿的頂替效果有較好的影響,另外,他們還提出了水泥漿臨界動切力的概念,當(dāng)水泥漿的動切力大于該值時(shí),頂替效果是明顯的；并認(rèn)為水泥漿與泥漿的比重差引起的浮力有助于提高水泥漿的頂替效率。1969年,Parker等指出,采用返回速度低于0.5m/s的塞流頂替,可以改善井徑擴(kuò)大處殘留泥漿的頂替作用。1979年,1980年和1982年Hault、R.J.Crook等連續(xù)發(fā)表文章,他們在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步總結(jié)出泥餅性能和最大靜切力是影響頂替效率的兩個(gè)最主要的因素,特別強(qiáng)調(diào)不流動的泥餅和因觸變性停滯在井壁的泥漿,是難以頂替干凈的。并指出高的上返速度,即使未達(dá)到紊流總比低返速下的頂替效率好。ZurdoNorel等人進(jìn)行了長達(dá)300m的全尺寸水平井注水泥模擬實(shí)驗(yàn),研究了流態(tài)、套管偏心、井眼形狀對頂替效率的影響。1984年,國內(nèi)開始了注水泥頂替研究。西南石油學(xué)院在國內(nèi)建立了環(huán)空頂替動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置,之后大慶石油管理局鉆井研究所也建立了注水泥頂替實(shí)驗(yàn)裝置。通過大量實(shí)驗(yàn)研究表明：套管的居中度、水泥漿流態(tài)、紊流接觸時(shí)間、泥漿的觸變性和水泥漿與泥漿的密度差,是影響水泥漿頂替效率的重要因素。其中,套管居中度、紊流流態(tài)及紊流接觸時(shí)間是最主要的因素；固井界于20世紀(jì)80年代開始加強(qiáng)對隔離液的研究,提出隔離液能在合理的泵速下進(jìn)入紊流而不產(chǎn)生過大的摩阻壓降，可以加重而使其密度大于泥漿但小于水泥漿,且沒有過多的固相沉降，具有低失水，給套管和地層創(chuàng)造水濕環(huán)境；隔離液能與水泥漿和泥漿相容。1991年,Jakobsen等人建立了熒光示蹤法動態(tài)注水泥模擬實(shí)驗(yàn)裝置。國內(nèi)西南石油學(xué)院根據(jù)該方法的原理建立了類似的實(shí)驗(yàn)裝置,并對更多的因素進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,成果有:增大水泥漿與泥漿密度差,增大泥漿流性指數(shù),減小水泥漿流性指數(shù),減小泥漿稠度系數(shù),增大水泥漿稠度系數(shù),增大流量,減小套管偏心度,都有利于提高頂替效率；并提出活動套管所誘導(dǎo)的回流與剪切流場是提高注水泥頂替效率的有利因素。根據(jù)以上所述，不同研究者，經(jīng)過研究得到不同的結(jié)果，這除了其實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)備等因素不同，一方面是由于注水泥頂替效率測量上的差異，一般在注水泥后，將凝固后的試件切割成若干段進(jìn)行分析，還有研究者，采用電阻率法，熒光示蹤法，確定頂替效率大??；另一方面在研究影響頂替效率的各種因素時(shí)，很難固定其他因素，孤立的研究某一因素。因此，影響幅度和所得結(jié)論難免具有一定的片面性。60多年以來，科研工作者對頂替效率室內(nèi)研究已做了大量工作，對其影響固井頂替效率的主要因素基本已取得大致相同的結(jié)論，但對現(xiàn)場實(shí)際固井頂替效率研究較少。而現(xiàn)場工程技術(shù)人員在固井施工時(shí)則非常關(guān)心固井實(shí)際的頂替效率能達(dá)到多少，本題目就是基于此思想從各個(gè)方面對影響深井固井頂替效率的因素進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，得到一些結(jié)論，進(jìn)而來指導(dǎo)現(xiàn)場的施工。1.3研究內(nèi)容研究可施工井套損段的應(yīng)力狀態(tài)研究分析變形、外漏、錯(cuò)斷等幾種典型井的套損應(yīng)力狀態(tài)，建立套損應(yīng)力狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，用于指導(dǎo)修井方法的優(yōu)選和壓裂方法的確定。優(yōu)選和研究適宜的修井方法以對套管產(chǎn)生較低的傷害為目標(biāo)，結(jié)合理論分析，優(yōu)選和研究適宜的修井方法，為實(shí)施壓裂施工提供基本條件。研究多層壓裂方法根據(jù)套損井的損壞程度和修復(fù)情況，結(jié)合油層的地質(zhì)情況，研究可對套損段進(jìn)行分卡、合卡、平衡保護(hù)，并能實(shí)施多個(gè)層段壓裂的工藝方法。研制壓裂管柱及配套工具按照套損井壓裂對管柱的要求，以壓裂不引起2次套變?yōu)槟繕?biāo)，進(jìn)行壓裂管柱及配套工具研制，管柱的組成工具可多級下井，實(shí)現(xiàn)管柱下得去、起得出，遇卡管柱事故能分體。第2章影響固井注水泥效率的因素以及各因素之間的關(guān)系2.1固井注水泥效率的定義提高頂替效率防止環(huán)空混竄一直是石油固井工程中最重要的技術(shù)問題。確定一種流體對另一種流體的頂替能力時(shí)，最常見的參數(shù)為頂替效率。我們常把水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆井液的程度，稱為固井注水泥效率。注水泥漿段注水泥漿段任一截面當(dāng)時(shí)，水泥漿全部頂替了泥漿，注水泥質(zhì)量優(yōu)良；當(dāng)時(shí)，水泥漿頂替了部分泥漿，愈低注水泥質(zhì)量愈不好，實(shí)際上頂替效率反應(yīng)了注水泥段或截面上水泥漿與泥漿的分配情況。保證環(huán)行空間的密封質(zhì)量，首先需要考慮的是如何使環(huán)空充滿水泥漿。充滿的過程，實(shí)際是水泥漿頂替鉆井液的過程。水泥漿與鉆井液的頂替質(zhì)量應(yīng)該滿足以下基本要求：（1）水泥漿井段的環(huán)形空間，泥漿應(yīng)該全部被水泥漿頂替干凈，無竄槽顯現(xiàn)存在；（2）水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞的高度必須符合設(shè)計(jì)要求，過高、過低或因套管偏心引起的不同間隙處的返高差異都是不允許的。有效地驅(qū)替鉆井液，提高注水泥的頂替效率是清除鉆井液竄槽、保證水泥膠結(jié)質(zhì)量和水泥環(huán)密封效果的基本前提。根據(jù)多年來國內(nèi)外對水泥漿頂替效率的研究，可以得出影響水泥漿頂替效率的六種因素：（1）套管在井內(nèi)居中情況；（2）流體在環(huán)空間的流動狀態(tài)；（3）紊流時(shí)液體流過封隔層位所接觸的時(shí)間；（4）水泥漿與鉆井液的觸變性；（5）鉆井液與水泥漿的流變性能；（6）水泥漿與鉆井液的的密度差。2.2固井中水泥漿頂替泥漿的運(yùn)動規(guī)律研究在固井工程中，水泥漿對泥漿的頂替，可以看成是賓漢流體在偏心環(huán)空中的軸向?qū)恿黜斕?。在研究兩種賓漢流體頂替的軸向速度時(shí)，僅是將單相流動速度簡單地疊加，其實(shí)質(zhì)是假設(shè)壓士梯度沿徑向?yàn)槌?shù)，研究賓漢流體在偏心環(huán)空中的頂替規(guī)律時(shí)，假設(shè)頂替液沿流道中心流動，而被頂替液(泥漿)沿壁面附近流動，這實(shí)際上是研究了兩種賓漢流體的“環(huán)空”流動。顯然，這種流動與實(shí)際頂替情況相差甚遠(yuǎn)。許多學(xué)者經(jīng)過研究已經(jīng)證明，對于非牛頓流體在偏心環(huán)空中的流動，可以用變高度的平板流模型來近似的進(jìn)行研究。當(dāng)內(nèi)管外徑和外管內(nèi)徑的比值大于0.3時(shí)，用變高度的平板流模型代替偏心環(huán)空中流動，具有滿意的精確度。當(dāng)環(huán)空內(nèi)徑與外徑比值大于0.6時(shí)，可以用平板流模型精確模擬偏心環(huán)空中的流動。在固井工程中，一般情況下都能滿足上述內(nèi)外管徑比條件，即完全可用平板流模型研究水泥漿的頂替過程。2.2.1賓漢流體在偏心環(huán)空中頂替的數(shù)學(xué)模型對于賓漢流體在偏心環(huán)空中頂替，現(xiàn)將偏心環(huán)空作出圖2-1：圖2-1偏心環(huán)空中頂替模型由幾何關(guān)系有：（2-1）式中：——環(huán)空間隙寬度的二分之一，m；——套管偏心距，m；——井眼半徑，m；——套管外半徑，m；——周向角，弧度。由流體力學(xué)理論知，賓漢流體在偏心環(huán)空中流動的平衡微分方程是：（2-2）式中:——流體密度，kg/m3；——軸向流速，m/s；——軸向坐標(biāo)，m；——重力加速度，m/s2。由平板流模型，以及水泥漿和泥漿的本構(gòu)方程可以得到水泥漿對泥漿的頂替模型為：（2-3）式中：——環(huán)空出口壓力，Pa；——環(huán)空進(jìn)口壓力，Pa；——環(huán)空長度，m；——徑向等速區(qū)寬度的二分之一，m；——在t=0時(shí)的b，m。式（2-3）中，徑向等速區(qū)寬度的一半b，可由等速區(qū)的平衡方程得出：（2-4）為某一值下的等速區(qū)內(nèi)水泥漿與泥漿界面的高度，即（2-5）式（2—5）中，令，，則（2-6）這是大家熟悉的賓漢流體單相流動時(shí)的流核寬度的一半。式（2-3）中的初始條件是考慮水泥漿未進(jìn)入環(huán)空之前，環(huán)空中僅充滿泥漿，屬于單一流體偏心環(huán)空軸向流動。由此確定了式（2-3）中的速度初始條件。式（2-3）中的由式（2-6）計(jì)算。從理論上講，在上述邊界條件與初始條件下可以求解頂替數(shù)學(xué)模型式（2-3），但由于該模型是關(guān)于水泥漿與泥漿的界面位置函數(shù)的三階非線性偏微分方程，求解十分困難，下面求該模型的數(shù)值解。2.2.2頂替模型數(shù)值解注水泥的目的是要封固目的層段并要求較好的水泥環(huán)質(zhì)量，它最終體現(xiàn)在水泥漿頂替泥漿的程度，即頂替效率。剖面頂替效率（2-7）整體頂替效率（2-8）式中：——流量，m3/s；——有效頂替時(shí)間，即從水泥漿進(jìn)入環(huán)空開始計(jì)算的時(shí)間s；——環(huán)空橫截面積，m2。反映了某一（）值下水泥漿頂替泥漿的程度，顯然，完全取決于該剖面下的界面位置分布狀態(tài)。反映了整個(gè)井內(nèi)水泥漿對泥漿頂替程度。不難證明，對同心環(huán)空而言，整體頂替效率與剖面頂替效率是一致的；而對偏心環(huán)空，整體頂替效率比剖面頂替效率更重要。下面是用逐步逼近的方法求解式（2-3）的幾個(gè)典型算例。已知,mm，mm,mm,s,；；其它參數(shù)見表2-1。表2-1賓漢流體流變參數(shù)對頂替效率的影響算例g/cm3g/cm3PaPamPasmPasm311.001.0050.051.5573.720.91.0050.051.5575.075.476.355.331.001.0050.051.5576.075.476.355.341.001.001.651.50.050.051.5573．576.080.045.451.001.001.51.650.050.051.5574.777.381.755.361.0001.0060.051.5572.674.778.342.471.001.0050.061.5574.476.981.355.381.001.0050.051.8673.075.178.850.1由算例1和2可知，減小泥漿密度，其整體頂替效率增加。由算例1和3可知，增大水泥漿密度，其整體頂替效率增加。又算例1和4可知，增大水泥漿動切應(yīng)力，其整體頂替效率下降。剖面頂替效率也下降。由算例1和5可知，增大水泥漿動切應(yīng)力，其整體頂替效率增加，剖面頂替效率也增加。由算例1和6可知，增大泥漿塑性粘度也下降。由算例1和7可知，增大水泥漿塑性粘度，其整體頂替效率增加，剖面頂替效率增大，由算例1和8可知，增大流量Q，其整體頂替效率增加，而剖面頂替效率等下降。這是因?yàn)榱髁吭龃螅瑝毫μ荻仍龃?，造成等速區(qū)寬度減?。◤氖剑?-4），（2-6）得到證明），所以剖面頂替效率下降。但由于流量使得寬間隙與窄間隙處的流速差別減小，因而整體頂替效率增加。由算例1—3的剖面頂替效率增減可以解釋如下；由于密度差的增大，浮力效應(yīng)增大，而窄間隙處的浮力效應(yīng)比寬間隙處的大的多，這加速了窄間隙處的流動，從而使窄間隙處的等速式寬度減小。因此，窄間隙處的剖面頂替效率下降。又因?yàn)榱髁亢愣?，所以相對而言，寬間隙處的流速將會下降，致使寬間隙處的等速式寬度增大，所以寬間隙處的剖面頂替效率增大。2.3井身質(zhì)量對固井注水泥效率的影響井身質(zhì)量決定了套管在井內(nèi)的居中情況，井身質(zhì)量是由井徑大小、井徑規(guī)則度、井徑擴(kuò)大率及全角變化率等因素具體評價(jià)。井徑大小、井眼的規(guī)則程度與井斜角是影響固井質(zhì)量的主要因素。如果井眼太大固井施工過程中各種流體不易達(dá)到紊流，即不易驅(qū)替凈環(huán)空泥漿；井眼太小或井斜角大易使套管靠壁，套管周圍不易形成均勻水泥環(huán)。井眼的橫剖面呈不規(guī)則的橢圓形或“糖葫蘆”形，縱剖面呈“鋸齒形”。如果還存在幾個(gè)“大肚子”沖蝕井段，不論頂替排量多大，都很難將其中的泥漿驅(qū)替干凈。另外彎曲井眼中套管不易居中，極大地改變了頂替過程中環(huán)形空間的流速分布，增加了驅(qū)替窄邊泥漿的難度。而這些殘留的泥漿往往和水泥漿相混.嚴(yán)重地影響了水泥漿的流變性和膠結(jié)強(qiáng)度。井眼不規(guī)則易造成頂替死角，施工中形成混漿帶。這對注水泥的頂替效率有很大影響。2.3.1井徑擴(kuò)大率與井徑規(guī)則度對固井注水泥效率的影響井徑擴(kuò)大率和井徑規(guī)則度是影響井身質(zhì)量的重要因素。井徑的好壞作為評價(jià)井身質(zhì)量的一種手段，在固井時(shí)應(yīng)用比較廣泛。但是通過理論研究和現(xiàn)場的實(shí)際報(bào)告表明，用井徑擴(kuò)大率來衡量井眼是否規(guī)則，這種方法比較單一，而且無法體現(xiàn)井徑變化程度給固井質(zhì)量帶來的影響，它只是單方面反映井眼尺寸對井身質(zhì)量的影響。我們引進(jìn)影響井身質(zhì)量的又一個(gè)概念，即井徑規(guī)則度，它是反應(yīng)任意井段乃至全井井徑規(guī)則程度的物理量，井徑規(guī)則度等于所求井段井徑的標(biāo)準(zhǔn)方差。它是通過現(xiàn)場實(shí)際測出的井徑數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出全井以及連續(xù)若干井段的井徑變化程度及井徑擴(kuò)大率，以此來評價(jià)井身質(zhì)量，進(jìn)而確定井徑對固井質(zhì)量的影響。針對井徑擴(kuò)大會給鉆井作業(yè)及以后的開發(fā)增加難度，及在鉆井過程中，井徑擴(kuò)大使鉆屑難以攜帶，卡鉆遇阻，長段劃眼；從固井實(shí)際現(xiàn)場來看，井徑擴(kuò)大致使固井時(shí)水泥漿返速低，出現(xiàn)竄槽，封固質(zhì)量差等。井徑不規(guī)則，井壁穩(wěn)定性差，頂替效率低。我們應(yīng)該在鉆井過程中盡可能把井打直，為完井提供良好的井身質(zhì)量，為固井質(zhì)量的提高奠定良好的基礎(chǔ)。下面就大慶油田徐家圍子地區(qū)16口深層氣井的平均井徑擴(kuò)大率和井徑規(guī)則度對頂替效率的影響進(jìn)行分析:表2-2井徑擴(kuò)大率對頂替效率影響井號平均井徑擴(kuò)大率%頂替效率%徐深86.997.16徐深928.383.88續(xù)表2-2徐深36.986.26徐深6038.693.62徐深8014.296.5徐深90215.872.18徐深90118.780.99徐深1112.486徐深30119.188.03徐深1021.169.19汪深10113.884.08升深2-713.482.8升深2-122483.2升深2-619.587.6汪深90512.992.54升深2-2515.587.8根據(jù)上表可以作出井徑擴(kuò)大率與固井效率的散點(diǎn)圖，如圖2-2：圖2-2井徑擴(kuò)大率與頂替效率關(guān)系從散點(diǎn)圖2-2可以看出，隨著井徑擴(kuò)大率的增大，水泥漿的頂替效率在逐漸下降，在井徑擴(kuò)大率小于10%的范圍內(nèi)，頂替效率基本都在90%以上，其頂替效率達(dá)到良好。而在10%到20%的范圍內(nèi)，頂替效率呈下降趨勢。總體來說，頂替效率的高低與井徑擴(kuò)大率成反比的關(guān)系。在固井施工時(shí)，要得到良好的水泥漿頂替效率，應(yīng)該把井徑擴(kuò)大率控制在10%以內(nèi)，這樣才能保證固井的質(zhì)量良好。另外，由于影響頂替效率的因素是多方面的，所以當(dāng)井徑擴(kuò)大率大于10%以上時(shí)，應(yīng)該盡量控制好影響頂替效率的其它各方面的因素，使其同樣能夠得到較高的頂替效率。表2-3井徑規(guī)則度對頂替效率影響井號井徑規(guī)則度%頂替效率%徐深88.5497.16徐深917.5983.88徐深311.1686.26徐深6035.4193.62徐深8014.1396.5徐深9029.4472.18徐深90111.3480.99徐深1110.1186徐深30112.1488.03徐深1024.1269.19汪深10111.2184.08升深2-712.3282.8升深2-129.6283.2升深2-69.1487.6汪深9055.3292.54升深2-2510.4487.8根據(jù)表2-3可以作出井徑規(guī)則度與頂替效率的散點(diǎn)圖，如圖2-3：圖2-3井徑規(guī)則度與固井效率關(guān)系從散點(diǎn)圖2-3可以看出，隨著井徑規(guī)則度的增大，水泥漿的頂替效率逐漸下降。也就是說井身越不規(guī)則，油井的頂替效率越差，得不到良好的固井質(zhì)量。所以說，在固井施工時(shí)應(yīng)該盡量控制油井的井徑規(guī)則度，使其井徑規(guī)則度小于12%，最好低于10%，這樣才能提高油井固井時(shí)的頂替效率，得到良好的固井質(zhì)量。表2-4井徑擴(kuò)大率、井徑規(guī)則度與固井效率關(guān)系井號井徑規(guī)則度%平均井徑擴(kuò)大率%頂替效率%徐深810.416.997.16徐深917.5928.383.88徐深311.166.986.26徐深6035.418.693.62徐深8014.1314.396.5徐深9029.4415.872.18徐深90111.3418.780.99徐深1110.1112.486徐深30112.1419.188.03徐深1024.1221.169.19汪深10111.2113.884.08升深2-712.3213.482.8升深2-129.622483.2升深2-69.1419.587.6汪深9055.3212.992.54升深2-2510.4415.587.8井徑擴(kuò)大率與井徑規(guī)則度對固井效率的影響很重要。當(dāng)井徑規(guī)則的情況下，說明該井打的比較直，沒有出現(xiàn)鋸齒狀，井徑擴(kuò)大率也很理想，這時(shí)的頂替效率很高；當(dāng)井徑擴(kuò)大率較小時(shí)，說明該井的井眼較小，沒有出現(xiàn)“大肚子”的地方，井徑規(guī)則度一般都很理想，使該井的頂替效率達(dá)到理想值。但不是絕對的。因?yàn)橛绊戫斕嫘实囊蛩厥嵌喾矫娴?，單一的因素不是起決定作用的，要想使固井的質(zhì)量良好，就得在固井施工時(shí)考慮多方面的影響因素，盡量做到使這些因素對固井效率的影響降低到最小，確保固井質(zhì)量良好。2.3.2扶正器安放位置的設(shè)計(jì)固井施工時(shí)在套管上加扶正器，是對套管偏心程度有所約束，進(jìn)而影響水泥漿的頂替效率。為了研究常規(guī)扶正器對水泥漿頂替效率的影響，在非滲透性地層中進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用的水泥漿能在循環(huán)時(shí)出現(xiàn)固相沉降。并且還采用了前置液。試驗(yàn)中扶正器放置的位置分成3類：（1）扶正器放置在套管的正中；（2）扶正器放置在套管端部起的1/3和2/3處；（3）扶正器放置在套管端部起的1/3處。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）套管下半部分的頂替效率要比以前采用同樣水泥漿但沒有使用扶正器的試驗(yàn)高得多；（2）扶正器兩端的水泥漿頂替效率都得到了改善，由此斷定扶正器確實(shí)有助于提高水泥漿頂替效率；（3）扶正器的弓形顯然能干擾周圍水泥漿的流動方式，從而改善水泥漿頂替效率。然而，扶正器這種作用僅限于其周圍1～2m之內(nèi)。扶正器除了能改善套管的居中度外，還可以減少下套管的摩擦阻力。扶正器的選擇取決于井眼狀況及扶正器的受力情況，大斜度井，水平井中常使用的套管扶正器有兩種類型：一種是彈性扶正器，一種是剛性扶正器。彈性扶正器適合于井徑大而不規(guī)則的井眼；剛性扶正器適合于井眼軌跡規(guī)則，井徑均勻的井眼，不適合有“狗腿”或井徑擴(kuò)大的井段。剛性扶正器的外徑與井眼之間要有一定的間隙，一般比井眼直徑小10～15mm。下入套管時(shí)，為了獲得好的套管居中，使用扶正器的數(shù)量、安放位置，大多采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，從而得到最佳的扶正器使用數(shù)量和安裝間距。關(guān)于套管扶正器安裝間距計(jì)算方法應(yīng)按SY/T5334-88標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。另外，為了使設(shè)計(jì)計(jì)算方便，現(xiàn)場施工采用下面的公式：（2-9）式中：——扶正器間距，m；——套管彎曲撓度，cm；——套管單位長度重量，kg/m；——套管外徑，cm；——套管內(nèi)徑，cm；——井斜角，（）。在大慶地區(qū)的深井固井作業(yè)中，通常在主力油層井段，一根套管加1只扶正器；在非主力油層井段，每兩根套管加一個(gè)扶正器，這樣可以很好的將套管居中度控制在67%以上，有利于水泥漿的頂替，獲得較高的頂替效率，保證深井的固井質(zhì)量良好。2.3.3套管居中度下入的套管在井內(nèi)的居中情況是影響注水泥頂替效率的一個(gè)很重要的因素，我們通常把套管的圓心偏離井筒圓心的程度稱為套管的偏心度，可以用偏心度(e)表示。套管偏心是注水泥時(shí)引起泥漿竄槽的主要原因，它可以引起環(huán)形空間間隙的不對稱變化，進(jìn)而使液體的流速、流量以及流態(tài)在不同間隙中發(fā)生變化。從而影響水泥漿的頂替質(zhì)量，即頂替效率。所以我們在下入套管時(shí)，應(yīng)該盡量使套管居于井筒的中心部位，減小偏心度，為固井的后期工作做好準(zhǔn)備，以提高其頂替效率。套管在井內(nèi)居中時(shí)，由于同心環(huán)形空間四周的間隙均等，液體流動阻力在各個(gè)方向完全一樣。液體流動時(shí)，環(huán)形空間的液體就會以相同的速度全部流動，不存在滯流區(qū)，頂替效率的高、低主要取決于頂替時(shí)的流態(tài)（層流、塞流、紊流）。由于套管居中，整個(gè)環(huán)形四周阻力相同，不會出現(xiàn)環(huán)形某一邊泥漿沒有被替走的情況，由于頂替時(shí)水泥漿的流態(tài)不同在井壁和套管外壁附近卻有可能殘余一部分泥漿，其滯留泥漿的多少或厚度決定于流態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)及資料表明，不論是層流頂替、塞流頂替還是紊流頂替，套管居中的情況下，水泥漿的頂替效率都比較高，都在90%以上，其中紊流頂替最好，塞流頂替次之，層流頂替最差。如果井眼偏斜，套管偏離井眼中心，環(huán)形空間各方向的間隙大小均不相等，因此環(huán)形空間各方向開始流動的阻力也不相同，這樣就會造成環(huán)形空間各方向泥漿被頂替的情況不一樣。由于套管偏心，各方向間隙的阻力梯度也不一樣。因此就可能出現(xiàn)寬間隙處的泥漿開始流動了，而窄間隙處的泥漿卻滯留在原位置，不能流動。下面根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步來說明兩相液體的頂替規(guī)律及其有關(guān)因素對頂替效率的影響，從而使理論機(jī)理研究更好的應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)際。表2-5套管居中時(shí)水泥漿的頂替效率流態(tài)實(shí)驗(yàn)次數(shù)水泥漿與鉆井液的性能差返回速度m/s水泥漿雷諾數(shù)Re%塞流40.20.66301109140.10.25408098.8紊流40.20.610020013100.71.122001000094層流100.26301005300.20.6600100092總計(jì)18次平均值94表2-6套管偏心度為0.58時(shí)水泥漿的頂替效率間隙位置實(shí)驗(yàn)次數(shù)水泥漿與鉆井液的性能差返回速度m/s水泥漿雷諾數(shù)Re%寬58290.20.85010031423一般>350097.6中201000350.30.610080094.5290.050.151050.5窄總計(jì)58次平均值80.3表2-7流量對水泥漿頂替效率的影響間隙位置mm實(shí)驗(yàn)次數(shù)環(huán)形空間流量L/s返回速度m/s頂替效率%窄（18.9）4164.0168.3737140.40.839.43從表2-5至表2-7可知：（1）偏心環(huán)形空間的水泥漿頂替效率遠(yuǎn)低于套管居中時(shí)的水泥漿頂替效率；（2）在偏心環(huán)形空間內(nèi)，不同間隙的水泥漿，其頂替情況不完全一樣，水泥漿在窄間隙的頂替效率比寬間隙和中間間隙低40%左右；（3）水泥漿在寬間隙的雷諾數(shù)一般都大于3500，頂替效率較高；而中間間隙的雷諾數(shù)一般都較小，但是水泥鍵的頂替效率仍然較高，這說明寬間隙的紊流撓動已經(jīng)影響和擴(kuò)大到中間間隙，從而加速了鉆井液的流動，到對窄間隙范圍的影響卻較小。如果在繼續(xù)增大寬間隙的紊流程度，窄間隙的鉆井液有可能被頂替干凈；（4）套管居中時(shí)，液體的流態(tài)對頂替效率雖然有影響，但是卻不是很明顯.在套管偏心時(shí)，流量和流態(tài)對窄間隙水泥漿的頂替效率不盡相同，低速塞流最好，高速次之，中速最差。偏心是造成環(huán)空流體流動狀態(tài)和速度分布不均勻的根本原因，套管居中將能從根本上解決頂替效率問題，為此根據(jù)偏心影響機(jī)理，應(yīng)該采取以下措施：（1）采用旋轉(zhuǎn)套管工藝，旋轉(zhuǎn)套管的目的不僅僅是為了增加液體對壁面的剪切力，更重要的是它可以將窄間隙的壁面移到寬間隙處，使套管壁上滯留的泥漿及時(shí)被沖洗帶走；（2）合理設(shè)計(jì)頂替返速，應(yīng)根據(jù)偏心環(huán)空速度分布情況，以使窄間隙處沖洗液也達(dá)到紊流流動為標(biāo)準(zhǔn)；（3）處理好泥漿，使泥漿粘度盡可能低，加大沖洗液的用量及提高環(huán)空頂替速度，均會對偏心環(huán)空頂替有所改善。套管居中是提高頂替效率的最好方法之一，在徐家圍子地區(qū)，井深都在3500m以上，最深的徐深3井井深達(dá)到4763.82m，這么長的井段，套管偏心是不可避免的，因此在封固段以內(nèi)采用加密加放彈性限位扶正器的方法，在大肚子井眼處加放剛性旋流扶正器，在保證套管居中度的情況下，以保證把死泥漿循環(huán)出來。通過現(xiàn)場的實(shí)際數(shù)據(jù)表明，合理使用扶正器，提高套管居中度是提高頂替效率、防止泥漿竄槽以及由此而引發(fā)的環(huán)空竄流的有效途徑。2.3.4活動套管對固井注水泥效率的影響活動套管能改善環(huán)空流場，消除滯留，提高頂替效率，下面我們利用流體力學(xué)理論及冪律流體在楔形區(qū)域中的流動方程，分析了上下活動套管時(shí)水泥漿及泥漿在偏心環(huán)空中形成的流場，并研究了上下活動套管對頂替效率的影響?，F(xiàn)在用平板流模型研究上下活動套管在偏心環(huán)空中產(chǎn)生的流場。這時(shí)U表示上下活動套管的速度，h仍然表示環(huán)空間隙寬度。上下活動套管會使井底壓力有所增減，井底壓力的變化值就是所謂的波動壓力。上提與下放堵口套管誘導(dǎo)的流場為：（2-10）（2-11）式中表示波動壓力，即由于上提套管造成的井底壓力降低值或下放套管引起的井底壓力升高值,顯然。當(dāng)上提套管時(shí)，取“+”號；當(dāng)下放套管時(shí)，取“-”號。令可得領(lǐng)速度點(diǎn)的坐標(biāo)，即（2-12）由下式確定：（2-13）由下式確定：（2-14）聯(lián)合求解（2-12）-（2-14）式，就可以確定,,。于是，上提下放堵口套管的流場就可以由（2-10），（2-11）式完全確定。由（2-10），（2-11）式可以看出，上下活動套管使環(huán)空內(nèi)流體處于剪切狀態(tài)。正是這種剪切作用消除了泥漿形成膠凝結(jié)構(gòu)的可能性，使滯留泥漿處于剪切運(yùn)動狀態(tài)。這就是上下活動套管能消除滯留，提高頂替效率的機(jī)理。下面通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明活動套管對頂替效率的影響，見表2-8表2-8活動套管對注水泥效率的影響實(shí)驗(yàn)序號流動狀態(tài)活動套管頂替效率%69.6mm82.5mm95.2mm1層流未活動602紊流未活動663層流上下活動1.5774紊流上下活動1.5795層流未活動6347376紊流未活動6963557層流上下活動1.57876688紊流上下活動1.58785679紊流上下活動1.5908780從表2-8中可知，頂替效率隨井眼尺寸增大而減小，活動套管比不活動套管的頂替效率高。在擴(kuò)大井段中，使用上下活動套管可獲得更高的頂替效率?？偟膩碚f，活動套管能有效的提高頂替效率，保證固井質(zhì)量良好。2.4泥漿與水泥漿的流變性能泥漿的流變性是指在外力作用下，泥漿發(fā)生流動和變形的特征，其中流動性是主要方面。該特性通常用泥漿的流變曲線和塑性粘度、動切力、靜切力、表面粘度等流變參數(shù)來進(jìn)行描述的。泥漿的流變性是泥漿的一項(xiàng)基本性能，它起到攜帶巖屑保證井底和井眼的潔凈，懸浮巖屑和重晶石，提高機(jī)械鉆速和保持井眼規(guī)則及井下安全的作用。如果泥漿中有堵漏劑或鉆井液濾失大，易在井壁形成較為堅(jiān)固的泥餅，不易被沖洗掉，影響第一界面膠結(jié)質(zhì)量。如果泥漿被油污染或混有大量潤滑劑等會使套管表而形成一層用一般沖洗液和隔離液都難以沖洗掉的薄膜，從而影響套管與水泥環(huán)間聲波的耦合，顯示為第一界面膠結(jié)差。泥漿中固相沉降的能力與泥漿的低剪切粘度(屈服值和膠凝強(qiáng)度)有關(guān)。研究證明，低的泥漿膠凝強(qiáng)度有助于垂直井身中的泥漿驅(qū)替，但是國外研究表明，在斜直井身中，如果泥漿的膠凝強(qiáng)度太低，固相的沉降將會嚴(yán)重影響泥漿的驅(qū)替。泥漿的阻力和水泥漿的動力是保證兩相液體頂替效果的基本因素：阻力：泥漿的流動性能，環(huán)形空間的幾何尺寸，特征以及近壁層的厚度。近壁層厚度愈大，滯留在邊壁的泥漿會多，泥漿的竄槽愈嚴(yán)重；動力：水泥漿與泥漿流動的壓力梯度，活動套管引起的牽引力，水泥漿與泥漿交界面上速度差引起的牽引力以及密度差引起的浮力。增大水泥漿動力，減少泥漿阻力，是保證兩相液體流動的基本措施，而實(shí)現(xiàn)兩相液體界面的均勻頂替和減少近壁層厚度則是提高水泥漿頂替效率所要解決的主要問題。2.4.1水泥漿的流態(tài)水泥漿在用來頂替泥漿的過程中可能發(fā)生紊流、塞流、層流三種流態(tài)，每一種流態(tài)情況下，水泥漿頂替泥漿的程度都是不同的，所的到的頂替效率也是不一樣的。所以說，應(yīng)用不同的流態(tài)來驅(qū)替泥漿是固井作業(yè)中的重點(diǎn)，下面就分別闡述一下各個(gè)流態(tài)下的頂替理論，用于指導(dǎo)固井的現(xiàn)場施工。（1）紊流頂替理論該理論認(rèn)為，當(dāng)流體達(dá)到紊流，流體流速剖面分布平緩，這樣有利于頂替液對被頂替液的軸向均勻頂替，而不發(fā)生頂替液的舌進(jìn)現(xiàn)象。該頂替方式曾一度被認(rèn)為是最有效的頂替。因此，設(shè)計(jì)者往往首先按紊流頂替進(jìn)行設(shè)計(jì);但水泥漿因其粘度大，形成紊流時(shí)的壓降大，這往往受到地層承壓能力和機(jī)泵能力的限制，且紊流邊界層流速很低，驅(qū)動能力弱；尤其對于不規(guī)則井眼，往往在局部形成回流，造成泥漿滯留，造成第一界面水泥膠結(jié)質(zhì)量差。（2）塞流頂替理論塞流頂替理論認(rèn)為，塞流運(yùn)動的其中一大特點(diǎn)是流體流速剖面非常平緩，頂替液對被頂替液都進(jìn)行塞流狀態(tài)流動時(shí)，二者間不發(fā)生互相摻混，有利于提高頂替效率。這項(xiàng)技術(shù)多應(yīng)用于井壁疏松地層和井下壓力安個(gè)窗口窄的封固段固井。但因頂替液往往受其流變性能的可調(diào)性限制，要形成寬流核、高流速的塞流頂替。而低速塞流頂替往往造成驅(qū)動力弱，尤其是對邊壁的高粘附的泥漿、虛泥餅更是無能為力；小流核、高流速的塞流頂替往往造成頂替液的舌進(jìn)，不利于頂替。（3）層流頂替理論層流頂替技術(shù)因其易造成頂替液發(fā)生舌進(jìn)現(xiàn)象，使頂替液與被頂替液之間相互摻混。為了克服這一缺點(diǎn)，理論界提出使用有效層流頂替技術(shù)。所謂有效層流頂替是指，利用頂替液與被頂替液的流變性差異和密度級差，使頂替液與被頂替液之間互不摻混，從而形成均勻頂替。這種頂替理論逐漸被更多的設(shè)計(jì)者和作業(yè)者接受和采用。但是要達(dá)到有效層流頂替，必須套管居中度高，而且同樣存在一維頂替的缺點(diǎn)，即對邊壁的高粘附泥漿及虛泥餅清除效果差，對于變徑、不規(guī)則井眼造成的回流也是無能為力。2.4.2水泥漿性能部分井注入的水泥漿密度波動大，密度低(1.80g/cm3,),穩(wěn)定性差，所形成的水泥石強(qiáng)度低、不均勻；或水泥漿候凝期析出的自由水較多，影響聲幅整體連續(xù)性。水泥漿密度低，極易與泥漿相混形成混漿帶，易形成串槽，影響固井質(zhì)量。以紊流頂替技術(shù)為基礎(chǔ)，一般要求水泥漿的性能為：流性指數(shù)在0.6～0.8之間，稠度系數(shù)在0.1～0.3之間，水泥漿流態(tài)如表2-9。表2-9不同注水泥排量下，水泥漿的流態(tài)鉆頭尺寸mm套管尺寸mm注水泥排量m3/min水泥漿流態(tài)215.9139.72.0323737732560233034603230紊流215.9139.71.8279333252560233034603230過渡215.9139.71.5216426722560233034603230層流215.9139.71.0164212262560233034603230層流215.9139.72.0273536192560233034603230過渡215.9139.71.8236031892560233034603230過渡215.9139.71.5182825622560233034603230層流215.9139.71.0103615752560233034603230層流215.9139.72.0473247952560233034603230紊流215.9139.71.8413841702560233034603230紊流215.9139.71.5325033512560233034603230紊流215.9139.71.0206027252560233034603230過渡從表2-9中可以看出，在不考慮井眼擴(kuò)大的情況下有：（1）Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，水泥漿在環(huán)空中以層流或過渡狀態(tài)存在，排量只有接近2.0m3/min時(shí)才能達(dá)到紊流狀態(tài)；（2）Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，水泥漿在環(huán)空中以紊流狀態(tài)或過渡狀態(tài)存在，當(dāng)替漿排量降低至1.0m3/min左右時(shí)，水泥漿的流動狀態(tài)以層流和過渡狀態(tài)出現(xiàn)；（3）Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，排量從1.0m3/min升至2.0m3/min，水泥漿的流動狀態(tài)是層流或過渡流態(tài)。所以，在油井進(jìn)行固井作業(yè)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)“高效頂替，整體壓力平衡”的固井目的，應(yīng)該對水泥漿性能做如下的基本要求：（1）夠混配成設(shè)計(jì)要求的水泥漿密度，且不沉降，且具有較低的初始稠度，良好的流動性能，漿體均質(zhì)，不起泡；（2）適當(dāng)?shù)牧髯冃?。水泥漿的流變性是平衡壓力固井設(shè)計(jì)中水泥漿性能調(diào)節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，調(diào)節(jié)的方法通常是加如外加劑；（3）在注水泥，侯凝和凝固各過程中，水泥漿均應(yīng)達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)，并保持基本的水泥物理性質(zhì)；（4）能夠提供足夠大的套管、水泥環(huán)與地層間的膠結(jié)強(qiáng)度；（5）具有高早期強(qiáng)度且早期強(qiáng)度能夠獲得迅速發(fā)展。有長期強(qiáng)度的穩(wěn)定性和超110攝氏度以上時(shí)的穩(wěn)定性；（6）應(yīng)具有較低的水泥漿失水量和固化后的低滲透性；（7）易于混拌與泵送，具有規(guī)定的細(xì)度，良好的分散性及較小的摩阻力；（8）具有抗腐蝕性能；（9）經(jīng)射孔水泥應(yīng)小于最小破裂程度，具有一定的塑性；（10）在設(shè)計(jì)的溫度和壓力條件下，具有需要的稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度。2.4.3水泥漿流動的璧面剪應(yīng)力在同心環(huán)形空間內(nèi)，紊流頂替技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是在實(shí)際固井施工中，由于鉆井目的層愈來愈深，定向井愈來愈多，油氣層固井中套管居中度、循環(huán)壓耗和環(huán)空間隙等因素的影響，水泥漿在環(huán)空中的返速受到很大限制，難以達(dá)到紊流頂替。通過國內(nèi)外的研究和固井實(shí)踐證明，在井下條件確定的情況下，水泥漿環(huán)空流動的壁面剪應(yīng)力在提高水泥漿頂替效率方面起著決定性的作用。關(guān)于環(huán)空流動的壁面剪應(yīng)力有如下公式：（2-15）式中：——環(huán)空流動的壁面剪應(yīng)力Pa；——井眼內(nèi)徑mm；——套管外徑mm；——水泥漿流動的摩擦阻力Pa；——水泥漿封固段長度m。從公式（2-15）不難發(fā)現(xiàn)，是與水泥漿密度、環(huán)空流速和摩阻系數(shù)密切相關(guān)的。從理論上講，當(dāng)水泥漿的大于鉆井液的膠凝強(qiáng)度時(shí)，就可以有效清除膠凝鉆井液。從公式（2-15）中也不難得出以下幾點(diǎn)重要推論：在井眼幾何條件一定的情況下，是一個(gè)與流動速度和水泥漿流變參數(shù)有關(guān)的量；降低泥漿粘切對于提高頂替效率非常重要；當(dāng)與泥漿膠凝強(qiáng)度接近時(shí)，接觸時(shí)間對清除泥餅至關(guān)重要；用前置液稀釋泥漿，對提高頂替效率非常有益。把流動的壁面剪應(yīng)力作為影響頂替效率的主要因素，是基于以下的己幾方面原因：（1）只有流動才能產(chǎn)生直接作用于井壁并清除膠凝泥漿的動力：流動的壁面剪應(yīng)力；（2）紊流流動時(shí)，由于摩擦阻力與流動速度的平方成正比，所以，流動的壁面剪應(yīng)力在一般情況下大于其他流態(tài)。但是，從流動計(jì)算的相關(guān)公式可以知道，同樣大小的壁面剪應(yīng)力也可以通過增加流體的塑性粘度和屈服值獲得。對于塞流頂替，主要要求水泥漿要高粘切，以產(chǎn)生相對高的壁面剪應(yīng)力。從以上分析也可以看出，紊流頂替的水泥漿粘度不能任意小，否則除了可能產(chǎn)生流體不穩(wěn)定外，其摩阻也會小于層流或塞流流動狀態(tài)；（3）從力學(xué)的角度來看，要清除附著在井壁上的膠凝鉆井液，必須要有一定的力，從受力分析來看，這個(gè)力主要是壁面剪應(yīng)力，即水泥漿頂替過程中的動力。根據(jù)大慶地區(qū)近兩年來多數(shù)深井的數(shù)據(jù)和資料分析，初步獲得的以下結(jié)論：（1）壁面剪應(yīng)力是影響固井頂替效率的關(guān)鍵因素，只要保證環(huán)空水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力大于30Pa，就能夠保證頂替效果；（2）壁面剪應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，從理論上把塞流頂替、低速頂替以及紊流頂替技術(shù)統(tǒng)一了起來。對流變參數(shù)不再做特殊要求，只要結(jié)合環(huán)空返速，使摩阻大于一定數(shù)值即可；（3）保證頂替效率的固井施工最低返速，是要求水泥漿流動的環(huán)空壁面剪應(yīng)力不低于最小壁面剪應(yīng)力。2.4.4油氣層固井流變學(xué)設(shè)計(jì)嘉華G(HSR)加砂水泥漿性能,如表2-10：表2-10水泥漿性能水泥減阻劑%粘度計(jì)讀數(shù)θ600θ300θ200θ100θ6θ3嘉華G(HSR)加砂0.501911551261008560（2-16）流體的流態(tài)表現(xiàn)為冪律塑性模式。第3章平衡固井注水泥軟件設(shè)計(jì)3.1Delphi7.0簡介Delphi是著名的Borland（現(xiàn)在已和Inprise合并）公司開發(fā)的可視化軟件開發(fā)工具。Delphi被稱為第四代編程語言，它具有簡單、高效、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。和VC相比，Delphi更簡單、更易于掌握，而在功能上卻絲毫不遜色；和VB相比，Delphi則功能更強(qiáng)大、更實(shí)用。可以說Delphi同時(shí)兼?zhèn)淞薞C功能強(qiáng)大和VB簡單易學(xué)的特點(diǎn)。Delphi具有以下的特性：基于窗體和面向?qū)ο蟮姆椒ǎ咚俚木幾g器，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持，與Windows編程緊密結(jié)合，強(qiáng)大而成熟的組件技術(shù)。但最重要的還是ObjectPascal語言，是Dephi的根本。ObjectPascal語言是在Pascal語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，簡單易學(xué)。Delphi提供了各種開發(fā)工具，包括集成環(huán)境、圖像編輯（ImageEditor），以及各種開發(fā)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，如DesktopDataBaseExpert等。除此之外，還允許用戶掛接其它的應(yīng)用程序開發(fā)工具，如Borland公司的資源編輯器（ResourseWorkshop）。在Delphi眾多的優(yōu)勢當(dāng)中，它在數(shù)據(jù)庫方面的特長顯得尤為突出：適應(yīng)于多種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，從客戶機(jī)／服務(wù)機(jī)模式到多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式；高效率的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和新一代更先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫引擎；最新的資料分析手段和提供大量的企業(yè)組件。Delphi發(fā)展至今，從Delphi1.0、Delphi2.0到現(xiàn)在的Delphi7.0，不斷添加和改進(jìn)各種特性，功能越來越強(qiáng)大。Delphi7.0添加了對IDE（集成開發(fā)環(huán)境）的很多改進(jìn)新特性，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)庫支持（ADO和InterBase數(shù)據(jù)庫），帶有Internet支持的MIDAS改進(jìn)版，TeamSouse版本控制工具，轉(zhuǎn)換功能，框架概念以及很多的新組件與新特性。Delphi7.0功能十分完善和強(qiáng)大。1.支持XML標(biāo)準(zhǔn)，在Web上快速提交商業(yè)信息。Delphi簡化了資料分布、優(yōu)化了資料交換過程。對XML的支持，使開發(fā)人員快速構(gòu)建的系統(tǒng)具有彈性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)Internet電子商務(wù)帶來的新技術(shù)浪潮。2.利用InternetExpress構(gòu)建高速Internet應(yīng)用。Delphi5使開發(fā)人員能夠用DHTML和XML開發(fā)超“薄”（ultra-thin）客戶端，并在Internet上快速分發(fā)標(biāo)準(zhǔn)Web特征的客戶端應(yīng)用程序。InternetExpress包括WebClientPage向?qū)?、MIDASPageProducer和WebBroker，用于構(gòu)建分布式DHTML和XML應(yīng)用程序以適應(yīng)眾多客戶端和大量資料的需要。3.利用Microsoft的ActiveXDataObject（ADO）和OLEDB技術(shù)，Delphi7.0能夠快速訪問關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其中包括電子郵件和文件系統(tǒng)。開發(fā)人員可以對Internet信息進(jìn)行直接訪問，幫助用戶更好地進(jìn)行商業(yè)決策。TeamSource增強(qiáng)了整個(gè)開發(fā)隊(duì)伍的工作效率。4.Delphi7.0使整個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠更協(xié)調(diào)、更快速地工作。TeamSource革新了管理源代碼的方法。TeamSource建立在已有的源代碼管理和版本管理之上，并通過一個(gè)高效的工作流模式對其功能進(jìn)行擴(kuò)展，簡化了大型、分散的開發(fā)團(tuán)隊(duì)的源代碼管理。5.MIDAS擴(kuò)展Internet應(yīng)用。提交適應(yīng)大交易量及多用戶數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)。建立Internet應(yīng)用可以簡化對Internet或Intranet上眾多的瀏覽器客戶端或Windows客戶端的管理。MIDAS支持所有的分布式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，如CORBA、COM和MTS，并能將原有系統(tǒng)與電子商務(wù)和Internet應(yīng)用平滑地集成在一起。6.InterBaseExpress構(gòu)建卓越的關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)。Delphi7.0使Delphi和InterBase更緊密地結(jié)合，即將高效率、高性能的開發(fā)工具與快速、低維護(hù)量和優(yōu)化配置的中小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等技術(shù)融于一體。利用InterBaseExpress組件，VARs、Sls和ISVs能夠快速地交付和分發(fā)高效的應(yīng)用系統(tǒng)。7.BorlandTranslationSuite將Delphi7.0應(yīng)用程序快速地本地化。在可視化地開發(fā)不同地域的應(yīng)用程序的同時(shí)，Delphi還可以管理資源文件的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換信息保存在一個(gè)庫（repository），加速了國際化開發(fā)。8.利用Delphi的專業(yè)IDE構(gòu)建強(qiáng)大、堅(jiān)固的應(yīng)用程序。Delphi的視覺化開發(fā)環(huán)境使開發(fā)人員只要在面板上選擇相應(yīng)組件就能夠快速建立應(yīng)用程序和開發(fā)原型。Delphi7.0最新ProjectBrowsing和DataModuleview幫助程序員更好地理解代碼和資料，從而大大提高開發(fā)效率。ToDoList功能和新增開發(fā)向?qū)?，如ControlpanelWizard，加快了程序編寫速度。9.VisualComponentLibrary增強(qiáng)面向?qū)ο箝_發(fā)的威力。開發(fā)人員可以創(chuàng)建、定制和重用自己的組件，也可以從Delphi的VisualComponentLibrary中的200多個(gè)組件里選適用的組件擇。用最新的Frames功能開發(fā)者能夠可視化地為商業(yè)邏輯創(chuàng)建組件。開發(fā)人員能夠開放地訪問VCL源代碼，包括新增的DecisionCube組件和附加的