注水泥流變學(xué)設(shè)計(jì)原理與方法-徐璧華-西南石油大學(xué)

1、注水泥流變學(xué)設(shè)計(jì)原理與方法西南石油學(xué)院學(xué)院石油工程學(xué)院 徐璧華流變學(xué)與固井的關(guān)系注水泥時(shí)井口壓力是否會(huì)過(guò)大；排量應(yīng)控制到多大才能保證井下不漏；排量應(yīng)控制到多大才能保證井下不竄；哪種情況下使用大排量或是小排量頂替才能提高頂替效率；關(guān)鍵：確定流體流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)確定流體流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)阻力主要內(nèi)容流體的特點(diǎn)與類型根本概念流變測(cè)量流變模式與流變參數(shù)計(jì)算在管內(nèi)或環(huán)空的流動(dòng)規(guī)律流動(dòng)計(jì)算方法與步驟在固井中影響流變計(jì)算的因素 -溫度、間隙等對(duì)計(jì)算的影響1、根本概念流體流動(dòng)的特點(diǎn)VxV特點(diǎn)：流動(dòng)時(shí)分層流動(dòng)、各層的速度不一樣原因：流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力1、根本概念流體流動(dòng)的特點(diǎn)1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：剪切速率

2、VxVV xdV dx速度梯度或剪切速率定義：垂直流速方向上的單位距離流速的變化量。單位：S-1如果：各位置剪切速率相同，那么出現(xiàn)情況。1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：剪切速率剪切速率分布情況：沉砂池：1020 S-1鉆桿環(huán)空：60 100 S-1鉆鋌環(huán)空：160 300 S-1鉆桿內(nèi)：250 500 S-1鉆鋌內(nèi)：700-1400 S-1常規(guī)套管環(huán)空：160 500 S-1小間隙套管環(huán)空：500 1200 S-11、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：剪切應(yīng)力FVF：反映流體內(nèi)摩擦力的大小 V VF S F= SX X 稱為粘度或粘滯系數(shù)定義：?jiǎn)挝幻娣e上內(nèi)摩擦力的大小即為剪切應(yīng)力；記為：?jiǎn)挝唬?0達(dá)

3、因/厘米2 =1帕 Pa =1000(mPa)1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：流變曲線剪切應(yīng)力剪切速率1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：視粘度V V F/S F S F= S =X X V/X 定義：?jiǎn)挝患羟兴俾仕俣忍荻认碌募羟袘?yīng)力；單位：10達(dá)因.秒/厘米2=1帕秒 Pa.S=1000mPa.S粘度是流體本身固有的特性，對(duì)于水、汽油等流體，其粘度是不隨流速、流道以及速度梯度變化的。這一規(guī)律稱為：牛頓內(nèi)摩擦定律1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：流體分類牛頓流體：特點(diǎn)：滿足牛頓內(nèi)摩擦定律 =剪切速率剪切應(yīng)力1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：流體分類非牛頓流體：特點(diǎn)：不滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，視粘度與速梯、

4、時(shí)間有關(guān)系。剪切應(yīng)力剪切速率1、根本概念流體流動(dòng)的根本概念：流體分類按流變性分：粘彈性流體純粘性流體與時(shí)間有關(guān)觸變性流體負(fù)觸變性流體與時(shí)間無(wú)關(guān)有屈服應(yīng)力：塑性流體、屈服假塑性流體無(wú)屈服應(yīng)力：牛頓流體、假塑性流體、膨漲性流體 泥漿、水泥漿、隔離液：屈服假塑性假塑性塑性1、根本概念非牛頓流體的流變性能粘度視粘度靜切應(yīng)力動(dòng)切應(yīng)力觸變性剪切稀釋性2、流變測(cè)量測(cè)量目的了解流體剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的規(guī)律測(cè)量：剪切速率、剪切應(yīng)力測(cè)量?jī)x器粘度計(jì)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：同軸、錐板毛細(xì)管粘度計(jì) 泥漿、水泥漿用：六速、十二速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)2、流變測(cè)量同軸旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量原理結(jié)構(gòu)：RrVM2、流變測(cè)量同軸旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量原理原理：1、

5、測(cè)量?jī)?nèi)筒的扭矩M2、計(jì)算內(nèi)筒處的剪切應(yīng)力3、計(jì)算內(nèi)筒處的剪切速率RrV2、流變測(cè)量同軸旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量原理原理：C=.511 (Pa)轉(zhuǎn)速60030020010063剪切速率1022511340.6170.310.225.11切力CCCCCC2、流變測(cè)量流變曲線繪制剪切應(yīng)力剪切速率3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算流體流變模式概念用于描述流體內(nèi)部剪切應(yīng)力與剪切速率的數(shù)學(xué)方程流變模式是流體內(nèi)部流變規(guī)律的近似反映類型兩參數(shù)模式：冪律、賓漢、 卡森三參數(shù)模式：赫巴、羅斯多參數(shù)模式：3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算赫巴模式： 羅斯模式： 卡森模式：多項(xiàng)式模式： 冪律模式： 賓漢模式： 3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算流變模

6、式赫巴模式羅斯模式卡森模式多項(xiàng)式模式冪律模式賓漢模式40組水泥漿(API法配)4.9837.50911.946.99113.0323.1632組水泥漿(手?jǐn)嚪ㄅ?4.31110.0822.045.3378.33343.576種泥漿1.4912.5142.219-5.6093.1013、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算流變模式赫巴模式羅斯模式卡森模式冪律模式賓漢模式10組密度1.162CaCl2重晶石泥漿3.2383.6583.1666.4752.91410組密度1.50 CaCl2重晶石泥漿1.7851.6334.1278.0011.4813、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算泥漿、水泥漿流變模式的選擇流變曲線觀察

7、法F 比值法誤差統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算各轉(zhuǎn)速的計(jì)算剪切應(yīng)力與實(shí)測(cè)值的誤差3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計(jì)算流變參數(shù)的含義反映流體流動(dòng)規(guī)律的特征參數(shù)，流體一定后在流變模式中是不變的。賓漢模式動(dòng)切力、塑性粘度冪律模式流性指數(shù)、稠度系數(shù)赫巴模式靜切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計(jì)算流變參數(shù)計(jì)算原理使用以測(cè)量的速率下的剪切應(yīng)力反推方法：回歸方法：使用全部粘度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)解析法：使用兩個(gè)速率下的粘度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計(jì)算影響因素：計(jì)算速率的選擇泥漿：600、300轉(zhuǎn)水泥漿：300、100轉(zhuǎn)為何泥漿與水泥漿不用相同的轉(zhuǎn)

8、速？溫度壓力的影響環(huán)空間隙的影響3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算泥漿、水泥漿流變參數(shù)的計(jì)算水泥漿泥漿4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.1 泥漿、水泥漿的流動(dòng)狀態(tài)靜止塞流層流層流紊流低速中速高速4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.2 流態(tài)對(duì)頂替與流動(dòng)的影響有利于頂替的流態(tài)：塞流紊流平板層流流態(tài)與流動(dòng)的關(guān)系與流速有關(guān)與流體流變性能有關(guān)與流道有關(guān)4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.3 流態(tài)判別方法雷諾數(shù)的概念流體流動(dòng)中流動(dòng)能與粘滯力的比值流核概念流態(tài)判別方法塞流：核隙比00.8 或 ReRec層流：界于之間4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界雷諾數(shù)賓漢流體塞流：考慮核隙比大于0.8紊

9、流：通過(guò)赫茲數(shù)計(jì)算冪律與赫巴流體紊流：Rec=3470-1370n塞流：Rec=1004、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速賓漢流體：塞流臨界流速：環(huán)空返速要求 動(dòng)塑比要求 4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速賓漢流體：紊流管內(nèi)環(huán)空4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速冪律流體：紊流管內(nèi)環(huán)空4、泥漿、水泥漿在井眼的流動(dòng)規(guī)律4.4 流態(tài)判別方法臨界流速赫巴流體：紊流5、流動(dòng)計(jì)算方法流動(dòng)計(jì)算的目的流動(dòng)阻力流動(dòng)摩阻與流體的流態(tài)有關(guān)流動(dòng)摩阻計(jì)算的原理流態(tài)判別流動(dòng)摩阻系數(shù)流動(dòng)摩阻壓力5、流動(dòng)計(jì)算方法LVx5、流動(dòng)計(jì)算方法流動(dòng)摩阻計(jì)算的步

10、驟計(jì)算管內(nèi)、環(huán)空的流速計(jì)算管內(nèi)、環(huán)空的臨界雷諾數(shù)計(jì)算管內(nèi)、環(huán)空的流態(tài)（雷諾數(shù)）計(jì)算流動(dòng)摩阻系數(shù)計(jì)算流動(dòng)摩阻壓力5、流動(dòng)計(jì)算方法流動(dòng)摩阻計(jì)算的公式見(jiàn)資料注意點(diǎn)：流變模式的使用紊流與層流時(shí)的摩阻系數(shù)計(jì)算5、流動(dòng)計(jì)算方法注水泥流動(dòng)計(jì)算的內(nèi)容總結(jié)設(shè)計(jì)頂替臨界排量計(jì)算流動(dòng)壓力計(jì)算的舉例舉例H=3202mH1=900mDe1=24.45cmDi1=22.44cmL=3200mDe2=17.78cmDi2=15.7cmH0=30mDw1=23cmDw2=24cmHI段II段H1H0井底破裂壓力Pfo=68Mpa井底循環(huán)溫度T=87鉆井液 屬賓漢流體0m=0.86Papmm=1.65g/cm3水泥漿密度1.8

11、5粘度計(jì)讀數(shù)：300：59 200：43100：23 6： 133： 8要求：設(shè)計(jì)紊流注水泥計(jì)算最終頂替泵壓舉例流道流體流速RecRe流態(tài)FPfPfp,Pfa管內(nèi)泥漿1.4541209390紊流0.009151.281.29管內(nèi)水泥1.4522975174紊流0.008070.012環(huán)空水泥1.6822972500紊流0.00941.885.80環(huán)空水泥1.3622972297紊流0.009571.37環(huán)空泥漿1.9023103652紊流0.01112.55最終泵壓：Pp=(Pha-Php)+(Pfp+Pfa)=11.54MPa6、在固井中影響流變計(jì)算的因素影響因素套管偏心的影響溫度壓力對(duì)流體

12、性能的影響井眼尺寸變化井徑變化不規(guī)那么小間隙與小井眼對(duì)計(jì)算方法的影響溫度壓力對(duì)流變性的影響及考慮方法高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響溫度壓力對(duì)水泥漿與泥漿流變性能的影響規(guī)律 溫度的影響溫度壓力對(duì)水泥漿與泥漿流變性能的影響規(guī)律 壓力的影響高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計(jì)算 計(jì)算模型 b值的計(jì)算通過(guò)測(cè)定具體水泥漿在常溫和某一溫度下的粘度計(jì)讀值計(jì)算高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計(jì)算 流變參數(shù)計(jì)算考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計(jì)算南海地區(qū)水泥漿溫度計(jì)算系數(shù)體系名稱密度測(cè)量溫度125剪切應(yīng)力（dyn/cm

13、2）測(cè)量溫度75剪切應(yīng)力（dyn/cm2）300轉(zhuǎn)b系數(shù)100轉(zhuǎn)b系數(shù)平均b系數(shù)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)CG71L1.90312.493.3678.5253.30.015510.019970.01774LATAX20002.40214.374.8379.2156.30.011410.014730.01307PCR1002L1.91268.688.0680.3178.30.018590.014120.01635PCR1002L2.40221.172.2466.7180.80.014940.018350.01664高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響考慮溫度影響后水泥漿與泥漿流變性的計(jì)算南海地區(qū)水泥漿

14、溫度計(jì)算系數(shù)體系名稱密度測(cè)量溫度125剪切應(yīng)力（dyn/cm2）測(cè)量溫度75剪切應(yīng)力（dyn/cm2）300轉(zhuǎn)b系數(shù)100轉(zhuǎn)b系數(shù)平均b系數(shù)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)CG71L1.90312.493.3678.5253.30.015510.019970.01774LATAX20002.40214.374.8379.2156.30.011410.014730.01307PCR1002L1.91268.688.0680.3178.30.018590.014120.01635PCR1002L2.40221.172.2466.7180.80.014940.018350.01664高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)

15、算的影響考慮溫度后注水泥流動(dòng)計(jì)算方法 使用分段考慮溫度法計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。THm圖3-8 按溫度分段示意圖式中： BHCT： 井底循環(huán)溫度； TTOC： 水泥面深度循環(huán)溫度； T： 允許溫度變化范圍； n： 井段可分段數(shù)； Tm： 第m 井段底部的循環(huán)溫度 ； Hm： 第m井底底部深度。 高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)算的影響注水泥過(guò)程小間隙流動(dòng)計(jì)算的修正方法小間隙環(huán)空的流動(dòng)計(jì)算小間隙環(huán)空流變參數(shù)計(jì)算 研究了小間隙中計(jì)算流變參數(shù)應(yīng)使用的轉(zhuǎn)速：研究說(shuō)明在小間隙中，應(yīng)使用600轉(zhuǎn)與300轉(zhuǎn)進(jìn)行流變參數(shù)計(jì)算研究了小間隙下對(duì)套管偏心的考慮方法提出了小間隙下判別流態(tài)的修正方法提出了考慮小間隙的流動(dòng)摩阻系

16、數(shù)計(jì)算方法建立了注水泥過(guò)程環(huán)空平衡壓力計(jì)算的方法流變參數(shù)計(jì)算小間隙條件下偏心的影響小間隙條件下流態(tài)計(jì)算的影響摩阻系數(shù)計(jì)算模型 小間隙環(huán)空流動(dòng)計(jì)算分析常規(guī)流動(dòng)計(jì)算公式：小間隙條件下偏心的影響偏心效應(yīng)系數(shù)R為偏心環(huán)空壓耗與同心環(huán)空壓耗之比:將同心環(huán)空壓力計(jì)算式與偏心環(huán)空壓降計(jì)算式帶入后有：(對(duì)冪律流體)e 偏心度 e=2/(Dw-Dc) 為偏心距，cm；Dw, Dc 為井眼與套管的直徑，cm 對(duì)小間隙環(huán)空情況，一般Dc/Dw均小于1.2如塔里木的幾種典型井身結(jié)構(gòu)，那么 M的值應(yīng)為2，這樣有小間隙環(huán)空流動(dòng)計(jì)算方法研究小間隙環(huán)空流動(dòng)阻力的計(jì)算式可表達(dá)為：準(zhǔn)確計(jì)算流動(dòng)摩阻壓力的關(guān)鍵便是流動(dòng)摩阻系數(shù)f 確

17、實(shí)定。準(zhǔn)確計(jì)算小間隙環(huán)空的流動(dòng)阻力的核心在 于流態(tài)和摩阻系數(shù)的計(jì)算方法。 小間隙環(huán)空對(duì)流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)不宜使用與常規(guī)流動(dòng)計(jì)算中標(biāo)準(zhǔn)，即：Rc=3470-1370n 實(shí)際的小間隙頂替過(guò)程中，水泥漿雷諾數(shù)一般均在層流或過(guò)渡流之間。 有關(guān)研究也說(shuō)明常規(guī)計(jì)算中采用的紊流臨界流量要偏低15%到20%45。大量的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，流體在環(huán)空流動(dòng)的紊流臨界雷諾數(shù)的上限可達(dá)3800，根據(jù)這一分析，可將常規(guī)環(huán)空中對(duì)流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)提高15%，作為其小間隙環(huán)空流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)，那么有小間隙環(huán)空流態(tài)的判別與雷諾數(shù)計(jì)算、流態(tài)的判別常規(guī)間隙環(huán)空流動(dòng)計(jì)算中：Rec=3470-1470n小間隙環(huán)空流態(tài)判別的標(biāo)準(zhǔn)為： Rec=4080-1720n 、雷諾數(shù)計(jì)算按照液體的流動(dòng)雷諾數(shù)一般概念有：De當(dāng)量直徑或水力直徑。小間隙環(huán)空流態(tài)的判別與雷諾數(shù)計(jì)算借用Crittendon提出的小間隙環(huán)空水力直徑計(jì)算公式5，建立小間隙環(huán)空雷諾數(shù)的計(jì)算模型：式中： Res 修正的雷諾數(shù) De水力