固井注水泥动态过程模拟

74 河南科技 2012.10 上
情况，了解顶替过程中各浆体通过关注点时的流态、流速等重要 参数，并对可能发生的复杂情况和固井质量问题进行报警。
二、模拟方法 固井施工模拟的基本模型为环空动压力平衡的 U 型管模 型。动态参数的描述及求解方法，是实施固井动态过程模拟的 基础。随着注替时间的变化，井内流体的实际流量、液柱动压 力、地面压力、井内流体的种数、各种固井流体的流态、位置、液 柱长度等参数都随时间不断变化。在动态（注替过程）和静态 （候凝过程）条件下，环空各种流体产生的总压力应保持与地层 压力的相对平衡即整体压力平衡。应用注水泥流变学设计理论， 考虑实际井身条件，建立注水泥动态过程平衡压力的计算模型。 应用环空动压力平衡的 U 型管模型，建立井内任意时刻的 压力平衡方程为：
。
（1） 式（1）中，PS 为地面压力，MPa；LAi 为 TX 时刻，环空中第 i 种 流体的液柱长度，m；LCi 为 Tx 时刻，套管内第 i 种流体的液柱长 度，m；ρi 为第 i 种流体的密度，g/cm3；k 为 Tx 时刻，井内固井流体 的种数；αi 为 LAi 段上的平均井斜角，度；αi 为 LCi 段上的平均井 斜角，度。 由于水泥浆密度一般比钻井液密度大，当套管柱内流道与 环空流道的静液拄压差足以克服管内及环空流道沿程摩阻压降 时，套管内将出现真空段，此时井口水泥浆将自由下落，套管内 井口压力为零，套管内和环空中流体发生“U”型管效应。根据环 空动压力平衡的 U 型管模型，采用迭代方式计算自由下落期间 井内实际流量。
三、注水泥模拟软件开发
在对注水泥动态过程分析描述的基础上开发的注水泥计算
机模拟软件，可对注水泥方案进行施工模拟，根据具体的井深结
构、地层条件，设计出最佳的施工方案。该软件主要包括以下几
个功能块：水泥流体流变参数设计、参数输入及基本参数计算、
。
（2） 在 t 时间内，地面泵入流体累计体积为 Q0 t，井口返出流体总
体积 VG，则真空段空间总体积 VA等于井口多返出的那部分流体
体积。
VA=VG-Q0 t。
（3）
当井内实际流量和真空体积确定后，即可求出各种流体流
过关注点深度处的流态、接触时间以及真空段长度、关注点处的
动态压力随时间的变化等参数。
LANDMARK、道威尔-SCHLUMBERCE、以色列帕拉代姆等公司 都研制开发了注水泥动态模拟与设计系统。
一、注水泥模拟 注水泥过程中，要保证获得良好的顶替质量，必须准确控制 随固井注替施工时间而变化的参数及井下地层的稳定情况，如 井内流体的实际流量、液柱动压力、环空动压力、地面压力等；而 这些情况可通过注水泥过程中如下某些参数的变化反映出来.如 液体流变性、流态、流速、接触时问、流动压力以及“U 型管效应” 的变化等。通过合理的计算模型，利用计算机全面地模拟出整 个注水泥期间的各种参数变化，进而提出控制施工过程的有效 措施，从而实现高效顶替、整体压力平衡的固井目的，达到优质 封固。 其主要功能包括：计算注替过程中套管内可能出现的最大 真空段长度；计算注替过程中环空动态压力、泵压和流量的变化
因此，在注水泥施工设计时要针对以上难题充分考虑小间 隙、偏心环空、高温度差等影响因素，设计合理的固井流体浆柱 结构、注水泥顶替排量及顶替泵压等，实现平衡压力固井；并对 整个注水泥过程实施动态模拟计算，以达到安全、合理、高效的 固井目的。
国外 Halliburton、Schlumberger 等技术服务公司都有自己独 特的固井设计软件系统，其中使用比较广泛，有代表性的有美国
另一端为圆锥形的十字头销。 浮动圆柱销制造简单，磨损均匀，但工作时冲击较大，一般 用于中小型压缩机。固定圆锥销，中段为圆柱体，与铜套配合， 承担全部活塞力，两端与十字头孔配合处为圆锥形，锥度为 1/ 10-1/20，用螺栓或压板固定，结构比较复杂，主要用于活塞力大于 5.5×104 N 的大型压缩机上。本文，笔者所述压缩机十字头销所采 用的形式即为固定圆锥销，小头用单螺母加防松垫进行固定。 由于锥形十字头销，运行中锥体部分存在较大轴向力，而圆 柱部分主要受到横向剪切力，这两部分的力随着机组的往复运 行都是交变，且带有冲击的，所以对销子轴向固定的可靠性要求 很高，该压缩机原采用的单螺母固定，轴向力直接作用到螺母 上，在十字头的往复运动剧烈冲击下，很容易松动，即使采用了 防松垫，但其防松的强度不足以达到完全防松的目的。为此，经
与设计单位共同研究，决定对十字头进行改造，如图 销
图 5 改造后的十字头结构 十字头销仍采用中间圆柱加两头锥形结构，大头采用压盖 外加四条 M12 的螺栓进行轴向固定，螺栓的六角头用Φ3 的制动 铁丝进行连接，防止螺栓松动。这样，十字头销轴向力直接作用 不到螺栓，而是直接作用到压盖上，实践证明，这种结构形式对 十字头销的轴向固定是可靠的。2007 年改造投用至今，运行平 稳，彻底解决了这一困扰多年的安全隐患。 四、结论 关于十字头销形式及其轴向定位方式的选用，有关设计规 范上尽管没有严格的规定，但笔者认为采用压盖进行轴向定位 比较可靠。这样可以将十字头销的轴向力进行分散，大大改善 了轴向力全部集中在单个螺栓的状况。HK
网络出版时间：2013-01-29 13:46 网络出版地址：/kcms/detail/41.1081.T.20130129.1346.131.html
工业技术
INDUSTRY TECHNOLOGY
长江大学 石油工程学院 刘 高 黄志强 于建涛 廖江东 沈家训
固井作业是整个石油钻井过程的一个重要环节，它的质量 直接关系到整个钻井工作的成败。根据国内深井超深井固井经 验，各层套管水泥均要求返至地面，导致固井封固段长。由深井 超深井复杂地质条件及几何条件，在深井超深井固井中，通常面 临下述复杂问题：长封固段固井技术难题；小井眼、小间隙固井难 题；窄安全压力窗口、固井漏失及防气窜问题；深井超深井水平井 导致的套管偏心固井难题；不规则井眼条件下固井质量问题。