提高頂替效率技術(shù)

1、提高水泥漿提高水泥漿頂替效率技術(shù)頂替效率技術(shù)概概 述述 影響水泥環(huán)封固質(zhì)量的首要因素是提高頂替效率，沒影響水泥環(huán)封固質(zhì)量的首要因素是提高頂替效率，沒有良好的頂替效率，其他任何措施都不會對固井質(zhì)量起到有良好的頂替效率，其他任何措施都不會對固井質(zhì)量起到很好作用（如防止竄槽、降低水泥石滲透率、提高水泥石很好作用（如防止竄槽、降低水泥石滲透率、提高水泥石強度和韌性等）。頂替效率是固井施工過程中最難控制的強度和韌性等）。頂替效率是固井施工過程中最難控制的因素，受到井眼條件、套管居中度、水泥漿性能、鉆井液因素，受到井眼條件、套管居中度、水泥漿性能、鉆井液性能、漿體結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工參數(shù)、接觸時間等多方面因素性

2、能、漿體結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工參數(shù)、接觸時間等多方面因素的影響。其提高頂替效率的措施除了加入扶正器、活動套的影響。其提高頂替效率的措施除了加入扶正器、活動套管、使用泥餅刷等實用技術(shù)外，還進行了利用壁面剪應力管、使用泥餅刷等實用技術(shù)外，還進行了利用壁面剪應力提高水泥漿頂替效率方面的理論研究。提高水泥漿頂替效率方面的理論研究。目目 錄錄一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識二、影響水泥漿頂替效率二、影響水泥漿頂替效率主要因素主要因素三、提高水泥漿頂替效率三、提高水泥漿頂替效率技術(shù)措施技術(shù)措施一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（一）頂替效率：（一）頂替效率：水泥漿在環(huán)形空間頂替水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆

3、井液的程度。鉆井液的程度。1 1、體積體積頂替效率：環(huán)形空間封固段水泥漿體頂替效率：環(huán)形空間封固段水泥漿體積與環(huán)形空間體積之比。積與環(huán)形空間體積之比。2 2、截面截面頂替效率：環(huán)空截面水泥漿面積與環(huán)頂替效率：環(huán)空截面水泥漿面積與環(huán)空截面面積之比?？战孛婷娣e之比。（體積頂替效率不能反映截（體積頂替效率不能反映截面竄槽情況）面竄槽情況）一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（二）流態(tài)：（二）流態(tài)：流體在管內(nèi)流動的形態(tài)。管內(nèi)的流體在管內(nèi)流動的形態(tài)。管內(nèi)的流態(tài)可按照雷諾數(shù)的大小劃分為層流、塞流、紊流態(tài)可按照雷諾數(shù)的大小劃分為層流、塞流、紊流還有兩個過度流態(tài)。流還有兩個過度流態(tài)。1 1、塞流：塞流：在

4、流體力學中，塞流是管道中流體流動在流體力學中，塞流是管道中流體流動速度分布的一個簡單的模型。在塞流中，流體的速度分布的一個簡單的模型。在塞流中，流體的速度在與管道軸線垂直的任何截面上被假定為一速度在與管道軸線垂直的任何截面上被假定為一常數(shù)，在管道內(nèi)壁附近處沒有邊界層。常數(shù)，在管道內(nèi)壁附近處沒有邊界層。一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（二）流態(tài)：（二）流態(tài)：流體在管內(nèi)流動的形態(tài)流體在管內(nèi)流動的形態(tài)2 2、層流、層流：層流是流體的一種流動狀態(tài)。流體分層流動層流是流體的一種流動狀態(tài)。流體分層流動，互不混雜，互不混雜,液體質(zhì)點的運動軌跡是直線或是有規(guī)則的平液體質(zhì)點的運動軌跡是直線或是有規(guī)則的平

5、滑曲線。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小?；€。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。塞流塞流過渡過渡層流層流過渡過渡紊流紊流一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（二）流態(tài)：（二）流態(tài)：流體在管內(nèi)流動的形態(tài)流體在管內(nèi)流動的形態(tài)3 3、紊流、紊流：液體質(zhì)點作不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折液體質(zhì)點作不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態(tài)叫做紊流?；靵y的形態(tài)叫做紊流。（當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，稱為紊流）。區(qū)別區(qū)別：層流時流體無縱向運動；紊層流時流體無縱向運動；紊流時流體有縱向運動。一般判定用流時流體有縱向運動。一般判定用雷諾數(shù)。小于雷諾數(shù)。小于200

6、0為層為層流流;20004000過渡流過渡流;大于大于4000紊流紊流。一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（二）流態(tài)：（二）流態(tài)：流體在管內(nèi)流動的形態(tài)。流體在管內(nèi)流動的形態(tài)。4 4、過渡流、過渡流：增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪增加流速，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；加，此種流況稱為過渡流；一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（三）雷諾數(shù)：（三）雷諾數(shù)：雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個無量綱量。記作比值的量度，它是一個無量綱量。記作Re。雷諾。

7、雷諾數(shù)的定義式為：數(shù)的定義式為：式中式中、分別為液體的密度、動力粘滯系數(shù)、運動粘滯系數(shù)；分別為液體的密度、動力粘滯系數(shù)、運動粘滯系數(shù)；、L為流動的特征速度和特征長度。為流動的特征速度和特征長度。雷諾數(shù)小時雷諾數(shù)小時,粘性效應在整粘性效應在整個流場中起主要作用個流場中起主要作用,流動為層流。雷諾數(shù)大時，流動為層流。雷諾數(shù)大時，紊動混摻起決定作用，流動為紊流。紊動混摻起決定作用，流動為紊流。： 一、頂替效率一、頂替效率基本知識基本知識（三）雷諾數(shù)：（三）雷諾數(shù)：雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質(zhì)點間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點平行于管路內(nèi)質(zhì)點間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)

8、點平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動，呈層流狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性壁有規(guī)則地流動，呈層流狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下力占主要地位，流體呈紊流狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下，流體的運動規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管，流體的運動規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速道內(nèi)流體的平均流速與最大流速與最大流速max的比值也是不同的的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動特性。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動特性。： 目目 錄錄二、影響水泥漿頂替效率主要因素二、影響水泥漿頂替效率主要因素 1 1、返速（流態(tài)）、返速（流態(tài)） 2 2、井

9、身質(zhì)量、井身質(zhì)量 3 3、套管偏心、套管偏心 4 4、鉆井液性能、鉆井液性能 5 5、前置液設(shè)計、前置液設(shè)計 6 6、水泥漿性能、水泥漿性能 7 7、封固段長度、封固段長度 8 8、固井施工、固井施工 一、影響頂替效率主要因素一、影響頂替效率主要因素（一）返速（流態(tài)）（一）返速（流態(tài)）對固井質(zhì)量影響對固井質(zhì)量影響 頂替的最佳流態(tài)是紊流，其次是塞流。由于井頂替的最佳流態(tài)是紊流，其次是塞流。由于井眼和施工條件的限制，現(xiàn)場不得不采用層流頂替。眼和施工條件的限制，現(xiàn)場不得不采用層流頂替。 采用雷諾數(shù)來判斷流體流態(tài)，臨界雷諾數(shù)是隨采用雷諾數(shù)來判斷流體流態(tài)，臨界雷諾數(shù)是隨流體的流變性能而變化的。流體的流變

10、性能而變化的。根據(jù)流變模式確定臨界根據(jù)流變模式確定臨界流速，常用賓漢模式和冪律模式。流速，常用賓漢模式和冪律模式。1 1、頂替鉆井液流態(tài)要求、頂替鉆井液流態(tài)要求 塞流要求：塞流要求：VVcpg VVcpg ( (平均流速小于等于塞流臨界流速）平均流速小于等于塞流臨界流速） 紊流要求：紊流要求：VVc VVc ( (平均流速大于臨界流速）平均流速大于臨界流速） 或或 NRe NRec ( (雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)）雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)）一、影響頂替效率主要因素一、影響頂替效率主要因素（一）返速（流態(tài)）（一）返速（流態(tài)）對固井質(zhì)量影響對固井質(zhì)量影響2 2、頂替水泥漿流態(tài)要求、頂替水泥漿流態(tài)要求 水泥

11、漿也和鉆井液一樣是非牛頓流體（水泥漿也和鉆井液一樣是非牛頓流體（流變性復雜、流變性復雜、含有固體顆粒含有固體顆粒），適用賓漢和冪律模式。），適用賓漢和冪律模式。 在井內(nèi)條件許可的情況下，降低鉆井液和水泥漿的在井內(nèi)條件許可的情況下，降低鉆井液和水泥漿的粘度，以便在中等排量下就能達到紊流。粘度，以便在中等排量下就能達到紊流。3 3、紊流比塞流的優(yōu)點、紊流比塞流的優(yōu)點： 紊流具有徑向分速，能產(chǎn)生阻力和牽引力，從而加紊流具有徑向分速，能產(chǎn)生阻力和牽引力，從而加大了從井內(nèi)替走滯留鉆井液的可能性，減少了鉆井液對大了從井內(nèi)替走滯留鉆井液的可能性，減少了鉆井液對水泥漿的污染，也提高了水泥漿與地層的膠結(jié)性能。水

12、泥漿的污染，也提高了水泥漿與地層的膠結(jié)性能。一、影響頂替效率主要因素一、影響頂替效率主要因素（二）（二）井身井身質(zhì)量質(zhì)量對對頂替效率頂替效率的影響主要的影響主要：1、井徑擴大率井徑擴大率；2、井徑變化率井徑變化率；3、井眼軌跡。、井眼軌跡。 二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 1、井徑擴大率是、井徑擴大率是提高頂替效率提高頂替效率的的關(guān)鍵關(guān)鍵 井徑擴大率井徑擴大率越越大，替速就難以大，替速就難以達到紊流達到紊流，井徑擴大率，井徑擴大率越小，環(huán)空間隙就越越小，環(huán)空間隙就越小小，水泥環(huán)，水泥環(huán)越薄，越薄，強度就越差。強度就越差。 統(tǒng)計：統(tǒng)計：井徑擴大率在井徑擴大率在8%15%之間的井

13、，固井優(yōu)質(zhì)率之間的井，固井優(yōu)質(zhì)率較較高；井徑擴大率超過高；井徑擴大率超過15%時，井徑擴大率越大，時，井徑擴大率越大，優(yōu)質(zhì)率優(yōu)質(zhì)率越低。當井徑擴大率小于越低。當井徑擴大率小于8%時，固井優(yōu)質(zhì)率仍然較低。時，固井優(yōu)質(zhì)率仍然較低。 井眼對頂替效率的影響井眼對頂替效率的影響 二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 2、井徑變化率、井徑變化率 ：指相鄰井段內(nèi)井徑指相鄰井段內(nèi)井徑變化程度大小的物理量變化程度大小的物理量 井徑變化率越大，井壁井徑變化率越大，井壁存有存有大肚子井眼大肚子井眼（或糖葫蘆井眼）（或糖葫蘆井眼），頂替過程中頂替過程中大井眼滯留大井眼滯留的鉆井液或泥餅很難替凈，的鉆井液或

14、泥餅很難替凈，水泥漿與地層無水泥漿與地層無法膠結(jié)，法膠結(jié)，固井質(zhì)量就很難保證固井質(zhì)量就很難保證；在頂替過程在頂替過程中，排量的非均勻性，即使這此滯留死泥漿中，排量的非均勻性，即使這此滯留死泥漿被驅(qū)替出去，也容易造成混漿現(xiàn)象。被驅(qū)替出去，也容易造成混漿現(xiàn)象。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 3、井眼軌跡井眼軌跡 井眼軌跡就是包含井深、井斜角和井斜方位角等參數(shù)井眼軌跡就是包含井深、井斜角和井斜方位角等參數(shù)的空間曲線，也就是一口井的實鉆軸線的空間曲線，也就是一口井的實鉆軸線 井斜角和方位角是隨井深變化的。用井斜變化率、井井斜角和方位角是隨井深變化的。用井斜變化率、井斜方位變化率反映隨

15、井深變化的程度。井眼曲率即全角變斜方位變化率反映隨井深變化的程度。井眼曲率即全角變化率，即單位長度狗腿角的大小?；剩磫挝婚L度狗腿角的大小。狗腿角越大，井眼方向狗腿角越大，井眼方向變化越快，井眼彎曲越厲害，變化越快，井眼彎曲越厲害，套管難以居中，固井質(zhì)量就套管難以居中，固井質(zhì)量就難以保證。難以保證。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （三）套管偏心（三）套管偏心 套管在井眼環(huán)空截面偏套管在井眼環(huán)空截面偏向井壁一側(cè)或距一側(cè)井壁較近。向井壁一側(cè)或距一側(cè)井壁較近。寬間隙流動阻力較小，流速較寬間隙流動阻力較小，流速較高；窄間隙流動阻力較大，頂高；窄間隙流動阻力較大，頂替界面靠后，并且隨

16、著偏心度替界面靠后，并且隨著偏心度的增大這種現(xiàn)象越明顯，從而的增大這種現(xiàn)象越明顯，從而頂替效率變得更差頂替效率變得更差。 偏心度對頂替效率影響的關(guān)系曲線偏心度對頂替效率影響的關(guān)系曲線二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素（四）鉆井液性能（四）鉆井液性能 1、稠度系數(shù)對頂替效、稠度系數(shù)對頂替效率的影響率的影響 稠度系數(shù)是：反映介稠度系數(shù)是：反映介質(zhì)的稀稠程度，即反映介質(zhì)的稀稠程度，即反映介質(zhì)的可泵性和直觀流動性。質(zhì)的可泵性和直觀流動性。 鉆井液稠度系數(shù)增加，鉆井液稠度系數(shù)增加，雷諾數(shù)減小，粘滯應力增雷諾數(shù)減小，粘滯應力增加，流速剖面變得尖銳，加，流速剖面變得尖銳，頂替效率降低。頂替效率

17、降低。 實驗得知：實驗得知：當稠度系數(shù)在當稠度系數(shù)在0.10.3Pa.sn之間時，頂替效之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而減少率隨稠度系數(shù)增加而減少；在在0.36Pa.sn之間時，頂替之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而效率隨稠度系數(shù)增加而保持保持不變。不變。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素（四）鉆井液性能（四）鉆井液性能 2、流性指數(shù)對頂替、流性指數(shù)對頂替效率的影響效率的影響 流性指數(shù)反映了介質(zhì)內(nèi)部流性指數(shù)反映了介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)力的大小。結(jié)構(gòu)力的大小。 在在0.10.5之間時，頂替之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增大而增效率隨著流性指數(shù)的增大而增大；而流性指數(shù)在大；而流性指數(shù)在0.50.

18、9之間之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增加而基本保持不變。增加而基本保持不變。 二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素（四）鉆井液性能（四）鉆井液性能 3、塑性粘度對頂、塑性粘度對頂替效率的影響替效率的影響 塑性粘度反應流體在流塑性粘度反應流體在流動時，固體顆粒、液相間動時，固體顆粒、液相間及顆粒與液相間內(nèi)摩擦力及顆粒與液相間內(nèi)摩擦力的大小。的大小。 在在0.010.05Pa.s之間時，之間時，頂替效率隨著塑性粘度的頂替效率隨著塑性粘度的增加而降低。增加而降低。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素（四）鉆井液性能（四）鉆井液性能 4、動切力對頂替效

19、、動切力對頂替效率的影響率的影響 動切力是指流體在流動動切力是指流體在流動時，需要克服的動態(tài)結(jié)構(gòu)力。時，需要克服的動態(tài)結(jié)構(gòu)力。 在在24Pa之間時，頂替效之間時，頂替效率隨著動切力的增大而增大；率隨著動切力的增大而增大；在在642Pa時，頂替效率隨著時，頂替效率隨著動切力增大而保持不變。動切力增大而保持不變。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （五）前置液性能（五）前置液性能 1 1、概念：、概念：鉆井液與水泥漿接觸污染將危及施工安全并影鉆井液與水泥漿接觸污染將危及施工安全并影響固井質(zhì)量，在水泥漿之前，注入一種液體，將水泥漿和鉆響固井質(zhì)量，在水泥漿之前，注入一種液體，將水泥漿和鉆

20、井液隔開，這種液體稱為前置液。井液隔開，這種液體稱為前置液。包括：沖洗液和隔離液。包括：沖洗液和隔離液。 2 2、作用：、作用：隔開鉆井液和水泥漿，防止污染；相容性好，隔開鉆井液和水泥漿，防止污染；相容性好，稀釋鉆井液，降低鉆井液粘度和切力，提高頂替效率；沖洗稀釋鉆井液，降低鉆井液粘度和切力，提高頂替效率；沖洗井壁和套管壁，提高界面膠結(jié)強度；不使水泥漿變稠、絮凝井壁和套管壁，提高界面膠結(jié)強度；不使水泥漿變稠、絮凝、閃凝；具有一定懸浮力，防止沖蝕物堆積發(fā)生憋泵事故。、閃凝；具有一定懸浮力，防止沖蝕物堆積發(fā)生憋泵事故。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （五）前置液性能（五）前置液性

21、能 3 3、沖洗液：、沖洗液：稀釋鉆井液，沖洗井壁和套管壁，提高鉆稀釋鉆井液，沖洗井壁和套管壁，提高鉆井液頂替效率和水泥環(huán)的界面膠結(jié)強度。井液頂替效率和水泥環(huán)的界面膠結(jié)強度。具有較低的基漿具有較低的基漿密度；具有很低黏度；很低紊流臨界返速；一定活性。密度；具有很低黏度；很低紊流臨界返速；一定活性。 4 4、隔離液：、隔離液：隔開鉆井液和水泥漿，防止污染；不使水隔開鉆井液和水泥漿，防止污染；不使水泥漿變稠、絮凝、閃凝；懸浮固相顆粒，可以加重，平衡泥漿變稠、絮凝、閃凝；懸浮固相顆粒，可以加重，平衡環(huán)空液柱壓力。環(huán)空液柱壓力。有紊流和塞流型。有紊流和塞流型。密度可調(diào)；懸浮性好；密度可調(diào)；懸浮性好；失

22、水量控制要??；數(shù)量要足。失水量控制要??；數(shù)量要足。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （六）水泥漿性能（六）水泥漿性能 1、稠度系數(shù)對頂替效率的影響：、稠度系數(shù)對頂替效率的影響：當稠度系數(shù)在當稠度系數(shù)在0.10.6Pa.sn之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而增大；增大；在在0.65Pa.sn之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而之間時，頂替效率隨稠度系數(shù)增加而保持保持不變。不變。水泥漿的稠度系數(shù)對頂替效率影響的關(guān)系曲線二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （六）水泥漿性能（六）水泥漿性能 2、流性指數(shù)對頂替效率的影響：、流性指數(shù)對頂替效率的影響

23、：在在0.10.5之間時，之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增大而減小；在頂替效率隨著流性指數(shù)的增大而減??；在0.50.9之間之間時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增加而基本保持不變。時，頂替效率隨著流性指數(shù)的增加而基本保持不變。 二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （六）水泥漿性能（六）水泥漿性能 3、塑性粘度對、塑性粘度對頂替效率的影響頂替效率的影響 在在0.010.06Pa.s之間時，頂替效率隨之間時，頂替效率隨著塑性粘度的增加而著塑性粘度的增加而增大增大。 二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （六）水泥漿性能（六）水泥漿性能 4、動切力對頂替效率、動切力對頂替效率的影響

24、的影響 在在18Pa之間時，頂替效之間時，頂替效率隨著動切力的增大而增大；率隨著動切力的增大而增大；在在852Pa時，頂替效率隨著動時，頂替效率隨著動切力的增大而保持不變?？偟那辛Φ脑龃蠖３植蛔?。總的來說，水泥漿的動切力對頂替來說，水泥漿的動切力對頂替效率影響不大。效率影響不大。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （六）水泥漿性能（六）水泥漿性能5、密度差對頂替效率的、密度差對頂替效率的影響影響 水泥漿與鉆井液的密度水泥漿與鉆井液的密度差影響頂替效率。當水泥漿密差影響頂替效率。當水泥漿密度大于鉆井液密度時，鉆井液度大于鉆井液密度時，鉆井液將受到水泥漿的浮力作用，特將受到水泥漿的

25、浮力作用，特別是對于滯留的鉆井液，將有別是對于滯留的鉆井液，將有助于提高壁面的頂替效率；反助于提高壁面的頂替效率；反之，密度差產(chǎn)生重力作用，將之，密度差產(chǎn)生重力作用，將產(chǎn)生摻混或污染，阻礙有效頂產(chǎn)生摻混或污染，阻礙有效頂替，亦即頂替效率降低。替，亦即頂替效率降低。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 實驗證明：實驗證明： 1、增大水泥漿與鉆井液的密度差，頂替效率增加；增大水泥漿與鉆井液的密度差，頂替效率增加； 2、增大鉆井液流性指數(shù)，減小水泥漿流性指數(shù)，頂增大鉆井液流性指數(shù)，減小水泥漿流性指數(shù)，頂替效率增加；替效率增加； 3、增大水泥漿稠度系數(shù)，減小鉆井液稠度系數(shù)，頂增大水泥漿稠度

26、系數(shù)，減小鉆井液稠度系數(shù)，頂替效率增加；替效率增加； 4、增大水泥漿動切力，減小鉆井液動切力，增大水泥漿動切力，減小鉆井液動切力，體積體積頂頂替效率和替效率和截面截面頂替效率頂替效率都都增加；增加； 5、增大水泥漿塑性粘度，減小鉆井液塑性粘度，增大水泥漿塑性粘度，減小鉆井液塑性粘度，體體積積頂替效率和頂替效率和截面截面頂替效率頂替效率都都增加；增加； 6、增大流量，頂替效率增加。增大流量，頂替效率增加。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （七）封固段長度（七）封固段長度 水泥封固段長度對環(huán)空頂替效率影響較大，封固段水泥封固段長度對環(huán)空頂替效率影響較大，封固段越長，水泥漿流經(jīng)的井段

27、越長，受到井眼擴大率和大肚越長，水泥漿流經(jīng)的井段越長，受到井眼擴大率和大肚子井眼、糖葫蘆井眼、頂替排量（返速）等因素影響，子井眼、糖葫蘆井眼、頂替排量（返速）等因素影響，水泥漿與鉆井液摻混的長度越長。當套管偏心嚴重時，水泥漿與鉆井液摻混的長度越長。當套管偏心嚴重時，窄間隙嚴重滯后，竄槽嚴重，頂替效率更低。窄間隙嚴重滯后，竄槽嚴重，頂替效率更低。 封固段越長，后期施工壓力升高，注替排量下降，封固段越長，后期施工壓力升高，注替排量下降，頂替效率降低頂替效率降低。 封固段越長，由于前置液數(shù)量和性能的限制，發(fā)生封固段越長，由于前置液數(shù)量和性能的限制，發(fā)生摻混后失去沖刷和隔離作用，頂替效率降低，也難以保

28、摻混后失去沖刷和隔離作用，頂替效率降低，也難以保證施工安全，更容易失重，難以保證封固質(zhì)量。證施工安全，更容易失重，難以保證封固質(zhì)量。 二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （八）固井施工：（八）固井施工：固井施工是落實固井設(shè)計，提高頂替固井施工是落實固井設(shè)計，提高頂替效率、保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。效率、保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 固井施工是一次性工程，各種影響提高頂替效率的因素需要落實，固井施工是一次性工程，各種影響提高頂替效率的因素需要落實，比如：鉆井液性能、洗井排量與循環(huán)周、井筒凈化與異常情況；固井工比如：鉆井液性能、洗井排量與循環(huán)周、井筒凈化與異常情況；固井工藝流程及其銜接、設(shè)

29、備配備及操作水平；前置液配制與性能、水泥漿密藝流程及其銜接、設(shè)備配備及操作水平；前置液配制與性能、水泥漿密度與排量、漿體結(jié)構(gòu)與數(shù)量、復雜情況與處理措施、頂替排量及返速等度與排量、漿體結(jié)構(gòu)與數(shù)量、復雜情況與處理措施、頂替排量及返速等等。等。其中：其中： 1、循環(huán)排量關(guān)系到注替排量大小的確定；、循環(huán)排量關(guān)系到注替排量大小的確定；2、注替排量影響、注替排量影響施工安全和水泥漿上返速度大小。施工安全和水泥漿上返速度大小。3、復雜情況的處理（異常高壓或井、復雜情況的處理（異常高壓或井漏等）影響到頂替效率。漏等）影響到頂替效率。二、影響頂替效率主要因素二、影響頂替效率主要因素 （八）固井施工（八）固井施工

30、 在一定條件下，不可能讓每個因素都能達到最佳。一定在一定條件下，不可能讓每個因素都能達到最佳。一定程度，某一個因素可以抵消其它因素的作用。任何情況下程度，某一個因素可以抵消其它因素的作用。任何情況下最最重要的因素是：重要的因素是：套管扶正、活動套管和調(diào)整鉆井液性能。套管扶正、活動套管和調(diào)整鉆井液性能。 1 1、注重井筒質(zhì)量、注重井筒質(zhì)量 2 2、套管扶正，提高居中度、套管扶正，提高居中度 3 3、活動套管、活動套管 4 4、優(yōu)選鉆井液體系和流變參數(shù)、優(yōu)選鉆井液體系和流變參數(shù) 5 5、前置液設(shè)計、前置液設(shè)計 6 6、水泥漿流變設(shè)計、水泥漿流變設(shè)計 7 7、選擇提高頂替效率的工具附件、選擇提高頂替

31、效率的工具附件 8 8、選擇提高頂替效率的固井工藝、選擇提高頂替效率的固井工藝 9 9、固井、固井關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制 10 10、復合頂替技術(shù)、復合頂替技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（一）注重井筒質(zhì)量（一）注重井筒質(zhì)量 1、良好的、良好的井筒質(zhì)量井筒質(zhì)量是提高水泥漿頂替效率的基礎(chǔ)是提高水泥漿頂替效率的基礎(chǔ)，從，從鉆井開始就要優(yōu)選鉆井液體系，優(yōu)化鉆井液性能，合理選擇鉆井開始就要優(yōu)選鉆井液體系，優(yōu)化鉆井液性能，合理選擇鉆井參數(shù)，保證良好的井身質(zhì)量，鉆井參數(shù)，保證良好的井身質(zhì)量，合理的井徑變化率，合理的井徑變化率，避免避免井徑井徑擴大率擴大率超標，避免出現(xiàn)超標，避免出現(xiàn)“大肚

32、子大肚子”、“糖葫蘆糖葫蘆”井眼；井眼；避免出現(xiàn)較大的避免出現(xiàn)較大的“狗腿狗腿”具有平滑的井眼軌跡。具有平滑的井眼軌跡。 2、下套管前通井時，要合理配置鉆具結(jié)構(gòu)，調(diào)整好鉆、下套管前通井時，要合理配置鉆具結(jié)構(gòu)，調(diào)整好鉆井液性能，徹底清除井內(nèi)巖屑和井壁虛泥餅，對縮徑井段應井液性能，徹底清除井內(nèi)巖屑和井壁虛泥餅，對縮徑井段應劃眼處理，確保劃眼處理，確保下套管順暢和下套管順暢和施工排量滿足頂替效率施工排量滿足頂替效率要求。要求。三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（一）注重井筒質(zhì)量（一）注重井筒質(zhì)量 3、下套管過程要按照、下套管過程要按照下套管作業(yè)規(guī)程下套管作業(yè)規(guī)程操作，涂好操作，涂好螺紋密封脂，

33、按規(guī)定扭矩上好螺紋；按工藝要求的特殊工具螺紋密封脂，按規(guī)定扭矩上好螺紋；按工藝要求的特殊工具附件之外要附件之外要定位安裝定位安裝套管扶正器、螺旋發(fā)生器、刮泥器等附套管扶正器、螺旋發(fā)生器、刮泥器等附件，為活動套管、提高頂替效率做好準備。件，為活動套管、提高頂替效率做好準備。 4、下完套管后下完套管后，調(diào)整鉆井液性能，提高排量清除，調(diào)整鉆井液性能，提高排量清除井內(nèi)井內(nèi)巖屑和下套管過程中刮落得泥巖屑和下套管過程中刮落得泥餅；在保證井下安全的情況下餅；在保證井下安全的情況下按照流變學紊流要求，適當按照流變學紊流要求，適當降低鉆井液粘度和切力，調(diào)整好降低鉆井液粘度和切力，調(diào)整好鉆井液流型，為注替過程中提

34、高頂替效率提供良好的條件鉆井液流型，為注替過程中提高頂替效率提供良好的條件。 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（二）套管扶正，提高居中度（二）套管扶正，提高居中度 套管居中是實施一切提高頂替效率、保證固井質(zhì)量措施套管居中是實施一切提高頂替效率、保證固井質(zhì)量措施的首要條件。即使的首要條件。即使是直是直井，不井，不加加扶正器套管扶正器套管在井內(nèi)也不會居在井內(nèi)也不會居中。對于斜井、方位變化大、狗腿嚴重、大位移、水平井更中。對于斜井、方位變化大、狗腿嚴重、大位移、水平井更難以難以居中。即使居中。即使加加放套管扶正器，環(huán)空也總存在寬窄間隙，放套管扶正器，環(huán)空也總存在寬窄間隙，很難形成均勻的水泥環(huán)

35、很難形成均勻的水泥環(huán)。套管扶正器的作用就是盡可能地最。套管扶正器的作用就是盡可能地最大提高套管在井眼中的居中度。根據(jù)大量實驗證明：要保證大提高套管在井眼中的居中度。根據(jù)大量實驗證明：要保證良好的水泥封固質(zhì)量，套管居中度不低于良好的水泥封固質(zhì)量，套管居中度不低于67%67%。套管扶正器套管扶正器很多種類，為提高頂替效率，選用旋流扶正器。很多種類，為提高頂替效率，選用旋流扶正器。 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（二）套管扶正，提高居中度（二）套管扶正，提高居中度 模擬周向速度在出口端分布模擬周向速度在出口端分布井眼井眼套管套管三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（三）活動套管（三）活

36、動套管活動套管是消除液體結(jié)構(gòu)內(nèi)應力，提高頂替效率的活動套管是消除液體結(jié)構(gòu)內(nèi)應力，提高頂替效率的好辦法。通過上下活動和旋轉(zhuǎn)，破壞好辦法。通過上下活動和旋轉(zhuǎn)，破壞滯留帶滯留帶鉆井液、拖鉆井液、拖曳窄間隙死漿；特別是裝有刮泥器并活動套管可以刮除曳窄間隙死漿；特別是裝有刮泥器并活動套管可以刮除虛泥餅、清除死漿帶，顯著改善大井徑部位的頂替效率虛泥餅、清除死漿帶，顯著改善大井徑部位的頂替效率，提高第二界面的水泥膠結(jié)質(zhì)量。，提高第二界面的水泥膠結(jié)質(zhì)量。 1、上下提放、上下提放 2、旋轉(zhuǎn)套管、旋轉(zhuǎn)套管三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（三）活動套管（三）活動套管上下活動上下活動 上下提放三、提高頂替效率

37、技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)上下活動套管平板模型上下活動套管平板模型（三）活動套管（三）活動套管-旋轉(zhuǎn)套管（尾管）旋轉(zhuǎn)套管（尾管）三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)套管不動套管不動開始轉(zhuǎn)動開始轉(zhuǎn)動拖曳效應拖曳效應三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（四）優(yōu)選鉆井液體系和流變（四）優(yōu)選鉆井液體系和流變參數(shù)參數(shù) 鉆井液體系和流變參數(shù)鉆井液體系和流變參數(shù)對于井身質(zhì)量對于井身質(zhì)量非常重要。性能不好，井壁坍塌嚴重，造非常重要。性能不好，井壁坍塌嚴重，造成井徑擴大率超標、糖葫蘆井眼、較厚的成井徑擴大率超標、糖葫蘆井眼、較厚的虛泥餅等，不能保證水泥較好地膠結(jié)（特虛泥餅等，不能保證水泥較好地膠結(jié)（特別是

38、二界面質(zhì)量）。不重視下套管后的性別是二界面質(zhì)量）。不重視下套管后的性能調(diào)整，不系統(tǒng)的處理完鉆性能，往往造能調(diào)整，不系統(tǒng)的處理完鉆性能，往往造成套管下不到底、井壁跨塌、開泵困難、成套管下不到底、井壁跨塌、開泵困難、大量出砂、蹩泵事故，不僅不能提高頂替大量出砂、蹩泵事故，不僅不能提高頂替效率，固井質(zhì)量也難以保證。效率，固井質(zhì)量也難以保證。 按照流變學計算，在滿足鉆井施工要按照流變學計算，在滿足鉆井施工要求條件下，選擇容易達到紊流的類型和流求條件下，選擇容易達到紊流的類型和流變參數(shù)。保證井身質(zhì)量，滿足提高頂替效變參數(shù)。保證井身質(zhì)量，滿足提高頂替效率的要求。率的要求。泥餅虛厚：泥餅虛厚：油氣及高價離子

39、污油氣及高價離子污染，流動性差，井壁沖洗不干染，流動性差，井壁沖洗不干凈；第一、二界面水泥膠結(jié)差。凈；第一、二界面水泥膠結(jié)差。虛泥餅影響固井第二界面膠結(jié)虛泥餅影響固井第二界面膠結(jié)三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù) （五）前置液（五）前置液設(shè)計設(shè)計 1 1、與鉆井液和水泥漿相溶性要好。、與鉆井液和水泥漿相溶性要好。施工之前做好相溶施工之前做好相溶性試驗，保證注替過程有良好的流動性。性試驗，保證注替過程有良好的流動性。 2 2、紊流頂替要考慮接觸時間。、紊流頂替要考慮接觸時間。一般要求大于一般要求大于1010分鐘。分鐘。 3 3、滿足提高頂替效率的要求。、滿足提高頂替效率的要求。有效沖刷驅(qū)替

40、界面油污有效沖刷驅(qū)替界面油污、泥餅，具有一定的活性；要求前置液膠凝強度大于鉆井、泥餅，具有一定的活性；要求前置液膠凝強度大于鉆井液而小于水泥漿；要有較低的臨界流速。液而小于水泥漿；要有較低的臨界流速。 4 4、滿足固井設(shè)計壓穩(wěn)的要求。、滿足固井設(shè)計壓穩(wěn)的要求。密度、用量、高度和性密度、用量、高度和性能在設(shè)計時要考慮注替過程中壓穩(wěn)固井的需要。能在設(shè)計時要考慮注替過程中壓穩(wěn)固井的需要。 5 5、考慮地層的適應性。、考慮地層的適應性。要考慮敏感、易漏、坍塌地層要考慮敏感、易漏、坍塌地層和界面特征，選擇類型和數(shù)量。和界面特征，選擇類型和數(shù)量。三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計

41、（六）水泥漿流變設(shè)計 水泥漿流變設(shè)計：水泥漿流變設(shè)計：合理確定水泥漿流變參數(shù)，準確計合理確定水泥漿流變參數(shù)，準確計算摩阻和施工壓力，為科學調(diào)整水泥漿配方和選擇適應的算摩阻和施工壓力，為科學調(diào)整水泥漿配方和選擇適應的固井方案提供依據(jù)。設(shè)計不合理將導致頂替效率第，施工固井方案提供依據(jù)。設(shè)計不合理將導致頂替效率第，施工泵壓高給固井質(zhì)量和施工安全帶來隱患。水泥漿流變設(shè)計泵壓高給固井質(zhì)量和施工安全帶來隱患。水泥漿流變設(shè)計包括：流變模式選擇、流變參數(shù)計算、頂替流態(tài)設(shè)計。包括：流變模式選擇、流變參數(shù)計算、頂替流態(tài)設(shè)計。 1 1、測量旋轉(zhuǎn)粘度計六轉(zhuǎn)讀數(shù)，計算剪切速率和剪切應力；、測量旋轉(zhuǎn)粘度計六轉(zhuǎn)讀數(shù)，計算剪

42、切速率和剪切應力； 2 2、流變模式選擇：根據(jù)計算公式計算的系數(shù)，判別模式。、流變模式選擇：根據(jù)計算公式計算的系數(shù)，判別模式。 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 水泥漿流變設(shè)計：水泥漿流變設(shè)計： 3 3、流變方程：、流變方程：a a 賓漢模式流變方程：賓漢模式流變方程： 水泥漿塑性粘度計算：水泥漿塑性粘度計算： b b 冪律模式流變方程：冪律模式流變方程： 水泥漿稠度系數(shù)計算公式：水泥漿稠度系數(shù)計算公式：三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 水泥漿流變設(shè)計：水泥漿流變設(shè)計： 4 4、水泥漿流變性設(shè)計：水

43、泥漿返速和流變性能應滿足以下公式、水泥漿流變性設(shè)計：水泥漿返速和流變性能應滿足以下公式 賓漢流體：賓漢流體： 冪律流體：冪律流體： 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 頂替流態(tài)設(shè)計：根據(jù)雷諾數(shù)判別流態(tài)。頂替流態(tài)設(shè)計：根據(jù)雷諾數(shù)判別流態(tài)。 臨界流速計算：臨界流速計算： 賓漢流體：賓漢流體：1 1、塞流臨界流速。管內(nèi)：、塞流臨界流速。管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： 2 2、紊流臨界流速。管內(nèi)：、紊流臨界流速。管內(nèi)： 環(huán)空：環(huán)空： 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 頂替流態(tài)設(shè)計：根據(jù)雷諾數(shù)判別流態(tài)。頂替流態(tài)設(shè)計：根據(jù)

44、雷諾數(shù)判別流態(tài)。 冪律流體冪律流體 1 1、紊流臨界雷諾數(shù)計算公式：、紊流臨界雷諾數(shù)計算公式：NRec=3470-1370n 2 2、確定臨界流速、確定臨界流速: : 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 流動摩阻壓降計算：流動摩阻壓降計算： 賓漢流體賓漢流體 1 1、平均流速計算：管內(nèi)：、平均流速計算：管內(nèi)：V=40Q/Di2 環(huán)空：環(huán)空：V=40Q/（Dw2- De2） 2 2、雷諾數(shù)計算：、雷諾數(shù)計算： 塞流與層流：管內(nèi)：塞流與層流：管內(nèi)：NRe=10DiV/(+0Di/600v) 環(huán)空：環(huán)空：NRe=10(Dw-De)V/(+0（Dw-De）

45、/800v) 紊流：紊流： 管內(nèi)：管內(nèi)：NRe=10DiV/環(huán)空：環(huán)空：NRe=10(Dw-De)V/ 3 3、范寧摩阻系數(shù)計算：、范寧摩阻系數(shù)計算： 紊流：紊流：=0.057/ NRe0.2 塞流與層流塞流與層流 管內(nèi)：管內(nèi)：=16/ NRe 環(huán)空：環(huán)空：=24 NRe 三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 流動摩阻壓降計算：流動摩阻壓降計算： 冪律流體冪律流體 1 1、平均流速計算：管內(nèi)：、平均流速計算：管內(nèi)：V=40Q/Di2 環(huán)空：環(huán)空：V=40Q/（Dw2- De2） 2 2、雷諾數(shù)計算：、雷諾數(shù)計算： 管內(nèi)：管內(nèi)：NRe=8*103V2-

46、nDin/800nK(3n+1)/4n)n) 環(huán)空：環(huán)空：NRe=12*103V2-n(Dw-De)n/1200nK(2n+1)/3n)n 3 3、范寧摩阻系數(shù)計算：、范寧摩阻系數(shù)計算： 塞流與層流塞流與層流 管內(nèi)：管內(nèi)：=16/ NRe 環(huán)空：環(huán)空：=24 NRe 紊流：紊流：=a/ Nreb a=(lgn+2.5)/50 b=(1.4-lgn)/7三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（六）水泥漿流變設(shè)計（六）水泥漿流變設(shè)計 流動摩阻壓降計算：流動摩阻壓降計算： 賓漢（冪律）流體流動摩阻計算：賓漢（冪律）流體流動摩阻計算： 管內(nèi)：管內(nèi)：P=0.2fLv2/ Di 環(huán)空：環(huán)空：P=0.2f

47、Lv2/（Dw- De） 最終頂替井口泵壓計算：最終頂替井口泵壓計算： 泵壓等于環(huán)空與管內(nèi)靜液壓力差和沿程流動摩阻壓降之和泵壓等于環(huán)空與管內(nèi)靜液壓力差和沿程流動摩阻壓降之和 公式：公式：Pp=(Pha-Php)+(Pfa+Pfp) 其中：其中：Pha-環(huán)空靜液壓力，環(huán)空靜液壓力，Mpa Php-管內(nèi)靜液壓力，管內(nèi)靜液壓力，Mpa Pfa-管內(nèi)流動摩阻壓降，管內(nèi)流動摩阻壓降，MPa Pfp-環(huán)空流動摩阻壓降，環(huán)空流動摩阻壓降，MPa三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（七七）選擇提高頂替效率的工具附件）選擇提高頂替效率的工具附件 1 1、旋流扶正器、旋流扶正器（螺旋扶正器、導流片扶正器）（螺

48、旋扶正器、導流片扶正器） 2 2、旋流發(fā)生器、旋流發(fā)生器 3 3、液壓扶正器、液壓扶正器 4 4、泥餅刷、泥餅刷（刮泥器）（刮泥器） 5 5、套管居中器、套管居中器 6 6、井下、井下振動振動發(fā)生器發(fā)生器（脈沖、渦輪、機械、水力）三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)（八）選擇提高頂替效率的固井工藝（八）選擇提高頂替效率的固井工藝 1 1、分級固井：、分級固井：長封固段、高壓井、漏失井、水平井、長封固段、高壓井、漏失井、水平井、多套壓力層系固井、復雜條件完井。多套壓力層系固井、復雜條件完井。 2 2、尾管固井及其回接：、尾管固井及其回接：深井、高壓井、長封固段深井、高壓井、長封固段井、復雜井

49、況固井。井、復雜井況固井。 3 3、旋轉(zhuǎn)（套管）尾管工藝：、旋轉(zhuǎn)（套管）尾管工藝：深井、窄間隙固井、深井、窄間隙固井、高壓井。高壓井。 4 4、內(nèi)插固井工藝：、內(nèi)插固井工藝：適用大內(nèi)徑套管固井。適用大內(nèi)徑套管固井。 5 5、振動固井工藝：、振動固井工藝：一般適用常規(guī)淺井。一般適用常規(guī)淺井。三、提高頂替效率技術(shù)三、提高頂替效率技術(shù)振動固井振動固井：在洗井、注水泥、頂替和候凝過程中在洗井、注水泥、頂替和候凝過程中, , 采用機械振動、液壓或脈沖、水力沖擊等手段采用機械振動、液壓或脈沖、水力沖擊等手段, , 產(chǎn)生產(chǎn)生振動和水力沖擊波作用于套管、鉆井液和固井液來提振動和水力沖擊波作用于套管、鉆井液和固井液來提高固井質(zhì)量的一項技術(shù)。振動波破壞顆粒間以及分子高固井質(zhì)量的一項技術(shù)。振動波破壞顆粒間以及分子間的結(jié)構(gòu)，提高頂替效率，改善水泥漿膠結(jié)質(zhì)量。間的結(jié)構(gòu)，提高頂替效率，改善水泥漿膠結(jié)質(zhì)量。套管內(nèi)部諧振器脈沖發(fā)生器套管底部偏心振動器自激震蕩脈沖發(fā)生器機械阻斷式脈