閆振峰 ^1,2,3 　魏   凱 ^1,2 　翟曉鵬 ^1,2 　付家文 ³

齊   奔 ³ 　李嘉誠(chéng) ⁴ 　鄭力會(huì) ^1,2

1.“油氣鉆完井技術(shù)”國(guó)家工程研究中心?  長(zhǎng)江大學(xué)

2.“油氣鉆采工程”湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?  長(zhǎng)江大學(xué)

3. 中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司第二固井公司

4. 四川科宏石油天然氣工程有限公司

0　引言

固井質(zhì)量直接影響油氣產(chǎn)量，優(yōu)良的頂替效率是保證固井質(zhì)量的先決條件。破碎性地層固井常常因鉆井期間堵漏不徹底或井筒壓力窗口窄造成頂替排量選擇困難。大排量頂替循環(huán)當(dāng)量密度高易壓漏地層，小排量頂替清潔井壁效率低，固井質(zhì)量因漏 失或者弱膠結(jié)難以保證。為了保障破碎性地層固井質(zhì)量，目前采用的主要工藝措 施有固井前承壓堵漏、降低井筒內(nèi)工作液密度、降低排量等，其機(jī)理主要是防止固井時(shí)水泥漿發(fā)生漏失，但以上技術(shù)措施存在以下問(wèn)題：①固井前承壓堵漏導(dǎo)致井壁上附著的堵漏材料影響水泥膠結(jié)環(huán)境；②降低水泥漿密度，低密度水泥漿體積收縮大、強(qiáng)度發(fā)展慢、候凝時(shí)間長(zhǎng)等原因影響膠結(jié)和鉆井周期；③降低排量不利于沖刷井壁虛泥餅和死區(qū)鉆井液，造成水泥膠結(jié)強(qiáng)度低。目前現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員主要是通過(guò)降低頂替排量減弱漏失風(fēng)險(xiǎn)來(lái)保障固井作業(yè)，無(wú)法兼顧頂替效率，在一定排量下如何提高破碎性地層固井頂替效率一直是固井研究人員和工程師們努力的一個(gè)方向。

破碎性地層 不均質(zhì)特征，造成鉆完井乃至開(kāi)采存在諸多難題 ^[1] 。破碎性地層失返性漏失常發(fā)生在鉆進(jìn)過(guò)程中或者固井前，地層橫向沉積不穩(wěn)定，存在不整合弱面結(jié)構(gòu)，破碎體溝通性好 ^[2] ，符合破碎性地層漏失的表征 ^[3] 。破碎性窄密度窗口鹽膏層固井存在兩大風(fēng)險(xiǎn)：①采用降低鉆井液密度來(lái)增大水泥漿與鉆井液密度差（大于 0.1 g/cm ³ ）或增加沖洗液設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（大于 300 m ）的技術(shù)措施來(lái)提高固井質(zhì)量，環(huán)空液柱壓力小于地層孔隙壓力，極易引發(fā)溢流乃至井涌等井控險(xiǎn)情發(fā)生；②采用增加頂替排量的技術(shù)措施來(lái)提高固井質(zhì)量，環(huán)空液柱壓力大于地層孔隙壓力，也會(huì)引發(fā)漏失風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何提升破碎性窄密度窗口鹽膏層固井頂替效率是提升其固井質(zhì)量的本質(zhì)要求。

鑒于破碎性窄密度窗口鹽膏層固井現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，有必要將螺旋頂替理念引入破碎性窄密度窗口鹽膏層固井，探索相應(yīng)的工藝措施來(lái)提高固井質(zhì)量，形成破碎性窄密度窗口鹽膏層固井新技術(shù)。

舒秋貴等 ^[4-7] 闡述了螺旋頂替能形成周向和軸向驅(qū)替雙作用的優(yōu)勢(shì)，研究了旋流扶正器結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體性能、排量等對(duì)旋流和導(dǎo)流能力的作用，以及注水泥設(shè)計(jì)要考慮螺旋流場(chǎng)壓降的影響；于繼彬等 ^[8] 研究了套管旋流扶正器結(jié)構(gòu)和流體性能與旋流長(zhǎng)度間關(guān)系；李洪乾 ^[9] 說(shuō)明了旋流速度和有效旋流長(zhǎng)度隨著螺旋扶正器螺旋角和流量增大而增大；羅德明等 ^[10] 在川西水平井固井用旋流扶正器來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋流頂替?，F(xiàn)有螺旋頂替的研究成果均集中體現(xiàn)在旋流扶正器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和旋流作用長(zhǎng)度等方面，螺旋頂替作用機(jī)理的理論還需進(jìn)一步完善。

1　螺旋頂替模型建立

在固井過(guò)程中，頂替效率是判斷固井質(zhì)量的其中一個(gè)關(guān)鍵因素 ^[11] ，但用頂替界面穩(wěn)定性來(lái)表征頂替效率更為直觀 ^[12] 。破碎性窄密度窗口鹽膏層固井，鉆井液密度 2.28 g/cm ³ ，水泥漿密度 2.35 g/cm ³ ，二者密度差小于 0.10 g/cm ³ 時(shí)，井筒軸向頂替界面呈“凸進(jìn)”狀態(tài)，從穩(wěn)定向不穩(wěn)定推進(jìn)，井壁滯留很多高黏附的鉆井液、虛泥餅，頂替液對(duì)井壁的作用力只沿軸向方面，稱(chēng)為一維軸向頂替（圖 1 ）。圖 1 表示軸向頂替界面趨于不穩(wěn)定，水泥漿沿軸向“凸進(jìn)”現(xiàn)象非常明顯，不利于驅(qū)除井壁上鉆井液和虛泥餅，不利于軸向環(huán)空替凈。

若在一維軸向頂替的基礎(chǔ)上考慮增加周向頂替，形成軸向和周向雙作用力，降低頂替界面不穩(wěn)定性，稱(chēng)為二維螺旋頂替（圖 2 ）。圖 2 表示在周向速度的旋流作用下，水泥漿軸向頂替界面趨于穩(wěn)定，減弱了頂替界面“凸進(jìn)”的現(xiàn)象，有助于環(huán)空替凈。

根據(jù)二維螺旋頂替的定義，利用水平集法和 N — S 方程建立二維螺旋頂替數(shù)學(xué)模型，目的是揭示周向速度對(duì)頂替界面、頂替效率和接觸時(shí)間的影響，闡述螺旋頂替提高破碎性窄密度窗口固井質(zhì)量的作用機(jī)理。

1.1　頂替界面控制方程

注水泥頂替過(guò)程屬于典型的界面追蹤問(wèn)題 ^[13] 。水平集方法可以捕捉兩相流界面變化 ^[14] ，被頂替液（鉆井液、隔離液或混合液等）和水泥漿在區(qū)域 Ω 占據(jù)的區(qū)域分別為 Ω ₁ ( t ) 、 Ω ₂ ( t ) ，兩相界面為 Γ ( t ) ，把 Γ ( t ) 作為函數(shù) ? ( X , t ) 的零等值面，即

通過(guò)求解可以確定水泥漿與被頂替液間的界面形狀。

1.2　兩相流動(dòng)控制方程

利用水平集法來(lái)確定水泥漿與被頂替液界面和體積比函數(shù)，應(yīng)用以下兩相流動(dòng)控制方程模擬與計(jì)算水泥漿和被頂替液流場(chǎng)速度。設(shè)定水泥漿和前置液為不可壓縮流體，兩者之間無(wú)化學(xué)反應(yīng)，物理性質(zhì)穩(wěn)定，滿足連續(xù)性方程和 N — S 方程，因兩相界面張力影響兩相流動(dòng)，應(yīng)用水平集函數(shù) ? 和 δ 函數(shù)把界面力 n σκδ ( ? ) 代入守恒方程，可得：

根據(jù)螺旋流頂替角度應(yīng)用以上方程模擬與計(jì)算水泥漿和被頂替液流速場(chǎng)。

1.3　數(shù)模參數(shù)及邊界條件

模型長(zhǎng) 0.5 m ，寬度為 0.1 m 。模型底部為速度邊界入口，頂部為壓力邊界出口且表壓為 0 ，邊界條件假定井壁和套管外壁的壁面光滑。表 1 是赫巴流變模式的鉆井液和水泥漿在頂替過(guò)程中基本參數(shù)。以現(xiàn)場(chǎng)注水泥參數(shù)為例，頂替排量 1.8 m ³ /min ，平均環(huán)容 43.18 L/m ，上返速度 0.69 m/s ，螺旋角度 45 °，計(jì)算得出軸向速率和周向速率均為 0.50 m/s 。

2　模型結(jié)果討論及分析

固井頂替效率受流動(dòng)模式的影響很大，但在特定井況如頂替排量和頂替流態(tài)固定條件下，計(jì)算結(jié)果顯示使用螺旋剛性扶正器的頂替效率比彈性扶正器高，也就是常說(shuō)螺旋沖蝕要比直流沖洗波及面廣，根本原因是使用螺旋剛性扶正器產(chǎn)生周向速度。根據(jù)二維螺旋頂替數(shù)學(xué)模型，下面詳細(xì)討論周向速度對(duì)頂替界面、接觸時(shí)間和頂替效率的影響。

2.1　周向速度對(duì)頂替界面影響

工程實(shí)踐和研究表明，為了實(shí)現(xiàn)高效頂替，頂替界面必須盡可能平坦和穩(wěn)定。受不規(guī)則井段擾動(dòng)影響，不規(guī)則井段頂替界面竄槽現(xiàn)象明顯。通過(guò)模擬可以看出，螺旋頂替較軸向頂替的竄槽現(xiàn)象有所降低（圖 3 ），這是由于螺旋頂替的周向速度分量干擾了井眼不規(guī)則引起的渦流，使不規(guī)則井段的竄槽現(xiàn)象有所降低。

由圖 3 可知，一維軸向頂替界面比二維螺旋“凸進(jìn)”增加 Δ h ，二維螺旋頂替擴(kuò)大段（也叫波及段）要比一維軸向多。因此，受周向速度的影響，二維螺旋頂替有助于削弱一維軸向頂替界面“凸進(jìn)”發(fā)生，頂替界面穩(wěn)定有利于降低混漿發(fā)生，提高固井質(zhì)量。

2.2　周向速度對(duì)接觸時(shí)間影響

頂替過(guò)程中，頂替流體與井壁的接觸時(shí)間越充分，頂替效率會(huì)越高。二維螺旋頂替受到周向速度的影響，水泥漿與井壁接觸時(shí)間增加，其頂替效率增加。一維軸向頂替和二維螺旋頂替接觸時(shí)間曲線比較結(jié)果，如圖 4 所示。

由圖 4 可知，相比于一維軸向頂替過(guò)程中只受軸向速度的影響，頂替界面“凸進(jìn)”嚴(yán)重，二維螺旋頂替過(guò)程中，軸向速度和周向速度減弱了“凸進(jìn)” 現(xiàn)象，增加了水泥漿與井壁接觸時(shí)間，有利于提高頂替效率。

2.3　周向速度對(duì)頂替效率影響

在上返速度為 0.69 m/s 情況下，周向速度對(duì)頂替效率的影響如圖 5 所示。

由圖 5 可以看出，隨著周向速度的增大，頂替效率呈指數(shù)增大，這是由于周向速度越大，離心效應(yīng)越明顯，有利于頂替效率提高。同時(shí)對(duì)井徑擴(kuò)大段的作用流場(chǎng)進(jìn)行了分析，如圖 6 所示。

由圖 6 可知，對(duì)于一維軸向頂替和二維螺旋頂替，擴(kuò)大段內(nèi)都會(huì)存在一定量的滯留鉆井液。一維軸向頂替的周向速度為 0 ，擴(kuò)大段內(nèi)滯留鉆井液較多，二維螺旋頂替時(shí)，周向速度的離心作用能夠提高水泥漿對(duì)滯留鉆井液的沖刷效果，致使擴(kuò)大段內(nèi)部的鉆井液“旋出”，擴(kuò)大段內(nèi)水泥漿體積分?jǐn)?shù)增大，水泥漿驅(qū)替效率明顯提高。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，通過(guò)螺旋頂替工藝措施，單元井壁上原一維軸向速度變?yōu)槎S螺旋頂替軸向速度和周向速度，穩(wěn)定了頂替界面，減弱了“凸進(jìn)”現(xiàn)象，擴(kuò)大了水泥漿波及范圍，提高了膠結(jié)面的驅(qū)凈效果，有利于水泥的膠結(jié)，提升固井質(zhì)量。

3　螺旋頂替在米桑油氣田應(yīng)用

伊拉克米桑油氣田高壓鹽膏層存在于第三系 Lower Fars 組。巖性以硬石膏、鹽巖、頁(yè)巖為主。埋深 3 000 m 左右，厚度介于 800 ～ 900 m ，受構(gòu)造擠壓作用，鹽（膏）產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生橫向流動(dòng)，導(dǎo)致鹽間夾層形成斷裂面和褶皺，流體孔隙空間減少，形成高壓鹽水層，地層孔隙壓力系數(shù)介于 2.20 ～ 2.23 ；同時(shí)夾層與鹽層界面膠結(jié)強(qiáng)度低， ?311.2 mm 鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中鉆井液密度高于 2.29 g/cm ³ 易壓漏夾層，形成裂縫性漏失；低于 2.26 g/cm ³ 地層鹽水涌出，安全密度窗口僅為 0.03 g/cm ³ ，屬于典型的破碎性窄密度窗口鹽膏層。

米桑油氣田 ?244.5 mm 套管下至 2 800 ～ 3 100 m 井段，分級(jí)箍放置在上層套管內(nèi) 1 600 ～ 1 800 m 井段，水泥漿密度 2.35 g/cm ³ ，一級(jí)固井封固高壓鹽膏層， SBT 優(yōu)質(zhì)率僅為 40% ，且封固好套管鞋以上 40 m 的井也易發(fā)生環(huán)空帶壓，二級(jí)固井水泥漿返至地面且固井質(zhì)量好。一級(jí)和二級(jí)固井作業(yè)參數(shù)對(duì)比如表 2 所示，二級(jí)固井技術(shù)措施包括：①洗井排量增加到 3.0 m ³ /min ；②鉆井液與水泥漿密度差從 0.08 g/cm ³ 擴(kuò)大到 0.11 g/cm ³ ；③沖洗液長(zhǎng)度 400 m ；④頂替排量提升至 2.8 m ³ /min ，返出鉆井液、沖洗液、水泥漿界面清晰。分析數(shù)據(jù)表明，二級(jí)固井質(zhì)量好的直接原因是頂替效率的提高，因考慮二級(jí)固井質(zhì)量受雙層套管的影響，故一級(jí)裸眼固井無(wú)法采用二級(jí)固井技術(shù)措施。提高一級(jí)裸眼固井頂替效率是解決米桑油氣田鹽膏層固井難題的關(guān)鍵。

為此，蔣凱等 ^[15] 制訂了伊拉克米桑油氣田鹽膏層固井雙壓穩(wěn)工藝，但未考慮窄密度窗口固井防漏和頂替效率等方面問(wèn)題；梅文博等 ^[16] 針對(duì)該油氣田鹽膏層固井井漏提出通過(guò)降低水泥漿密度至 2.25 g/cm ³ 和增加沖洗液環(huán)空高度至 200 m 的措施來(lái)減少井底壓力措施，增加了井控風(fēng)險(xiǎn)，不利于安全施工。且國(guó)內(nèi)破碎性鹽膏層固井主要關(guān)注水泥漿體系，未就如何提高破碎性高鹽膏層固井質(zhì)量工藝方法方面深入分析 ^[17-21] 。

螺旋流可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)套管和使用螺旋剛性扶正器產(chǎn)生 ^[22-24] 。但 ?244.5 mm 套管固井因旋轉(zhuǎn)扭矩大只能放棄使用旋轉(zhuǎn)套管固井，而螺旋扶正器的螺旋翼片可以產(chǎn)生旋流。針對(duì)米桑油田破碎性窄密度窗口鹽膏層固井現(xiàn)場(chǎng)情況，應(yīng)用二維螺旋頂替理論選擇螺旋扶正器，找到解決破碎性窄密度窗口鹽膏層固井難題的技術(shù)途徑，形成二維螺旋頂替固井技術(shù)。

在 6 口 ?244.5 mm 套管雙級(jí)采用二維螺旋頂替固井技術(shù)，一級(jí)裸眼段使用 ?305.5 mm 螺旋剛性扶正器替換 ?314.5 mm 彈性扶正器，一級(jí)固井洗井排量 1.7 ～ 1.8 m ³ /min ，一級(jí)頂替排量提升到 1.7 m ³ /min 以上，頂替過(guò)程壓力平穩(wěn)，固井施工正常。一級(jí)固井 SBT 優(yōu)質(zhì)率由 40% 提升到 60% 以上，裸眼鹽膏層固井質(zhì)量有明顯提升，完井或者生產(chǎn)原油階段未發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象。 6 口井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 3 所示。

從表 2 、 3 可以看出，該油氣田破碎性窄密度窗口鹽膏層固井前考慮防漏因素，提升洗井排量受限，也影響頂替排量的提升，然而借助螺旋扶正器，應(yīng)用二維螺旋頂替波及原理，一級(jí)固井頂替排量實(shí)現(xiàn)了從 1.3 ～ 1.5 m ³ /min 到 1.7 ～ 1.9 m ³ /min 技術(shù)性突破，固井質(zhì)量也有了較大提升。試驗(yàn)結(jié)果表明，二維螺旋頂替技術(shù)破解了破碎性窄密度窗口鹽膏層固井難題，提升了頂替排量，穩(wěn)定了頂替界面，固井質(zhì)量得以保障。

4　結(jié)論與建議

1 ）從理論上認(rèn)識(shí)到螺旋頂替改變了流體流動(dòng)的周向速度分量，從而擴(kuò)大了流場(chǎng)波及范圍，解決了破碎性窄密度窗口地層固井大排量頂替易漏、小排量頂替影響頂替效率的技術(shù)難題。

2 ）二維螺旋頂替固井技術(shù)利用了旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的周向分量，穩(wěn)定了頂替界面提高井壁驅(qū)凈效果，這對(duì)于破碎性油氣層，特別是“大肚子”井眼，提高固井質(zhì)量有很好的借鑒意義。

3 ）在大肚子井眼提高固井質(zhì)量方面，還需要引入工程數(shù)值求解，找到影響固井質(zhì)量的多個(gè)控制因素，從而更合理地解釋螺旋頂替的機(jī)理，為固井設(shè)計(jì)及螺旋注水泥工具研制提供理論支撐。