水泥浆流变性对水平井固井顶替界面的影响——基于天河一号大规模集群计算平台的数值模拟

发布时间：2020-06-10 20:34

【摘要】：水平封固段的固井顶替效果是影响水平井固井质量的关键问题,套管居中度与水泥浆流变性是影响水平段固井顶替效果的重要参数。基于国家超级计算中心天河一号大规模集群计算平台,采用Fluent软件对300 m长水平段偏心环空进行1 000 s的固井顶替数值模拟,研究水泥浆流变性对固井顶替界面的影响规律。研究结果表明:在低居中度(居中度≤50.0%)条件下,水泥浆流性指数n对顶替的影响可以忽略;在中等居中度(50.0%居中度85.0%)条件下,提高水泥浆n值可以大幅改善环空宽边隔离液滞留,降低水泥浆n值可以改善环空窄边隔离液滞留,设计时需要综合考虑水泥浆n值;在高居中度(85.0%≤居中度100%)与理想居中度(居中度100%)条件下,设计水泥浆n值时要避免出现其值过小的情况,从而避免在环空出现水泥浆分层窜流现象。研究结果对固井顶替施工设计具有重要指导作用。
【图文】：

中心天河一号大规模集群计算平台，采用Fluent软件对流场进行求解，开展水平井偏心环空固井顶替数值模拟实验。1.1水平段环空流场计算网格模型Gridmodelforcalculatingtheflowfieldinannulusofhorizontalsection水平井井筒直径为215.9mm，考虑8%井径扩大率，直径取233mm；套管外径取139.7mm，水平段环空长度为300m。水平井由于套管不居中，无法使用轴对称条件，但可以采用左右对称边界条件。根据现场扶正器使用情况，居中度设置为30%、50%、66.7%、85%、100%，建立5个不同居中度的水平段偏心环空流场计算网格模型。图1为300m水平段偏心环空流场一段长度几何模型。因为采用左右对称条件，所以取环空的一半进行计算。图1水平段环空几何模型Fig.1Geometricmodelofannulusinhorizontalsection采用数值模拟方法，需要把连续解析的空间离散为一组有限个离散的点。不考虑扶正器与井眼的不规则性，可以采用结构网格来布置流场空间离散点。300m环空模型网格数量为600万网格点，进行1000s的固井顶替计算。另外为了更好地捕捉顶替界面，采用了网格局部加密技术进行流场计算。图2为300m水平段局部长度偏心环空网格分布图。图中截面分别为宽边截面、窄边截面、套管外壁面，也就是环空的内壁面。壁面附近的网格进行了加密处理。图2水平段环空网格模型Fig.2Gridmodelofannulusinhorizontalsection1.2水平段环空固井顶替流体力学模型Fluidmechanicsmodelofcementingdisplace-mentinannulusofhorizontalsection水平井固井顶替过程中，无论是水泥浆顶替隔离液还是隔离液顶替钻井液，都属于长距离环空间隙中的液、液两相流动过程，，满足流体力学基本方程组。考虑到固井顶替流体的黏度等水力参数，环空流态一般为非牛顿流体层流流动。流体力?

5%、100%，建立5个不同居中度的水平段偏心环空流场计算网格模型。图1为300m水平段偏心环空流场一段长度几何模型。因为采用左右对称条件，所以取环空的一半进行计算。图1水平段环空几何模型Fig.1Geometricmodelofannulusinhorizontalsection采用数值模拟方法，需要把连续解析的空间离散为一组有限个离散的点。不考虑扶正器与井眼的不规则性，可以采用结构网格来布置流场空间离散点。300m环空模型网格数量为600万网格点，进行1000s的固井顶替计算。另外为了更好地捕捉顶替界面，采用了网格局部加密技术进行流场计算。图2为300m水平段局部长度偏心环空网格分布图。图中截面分别为宽边截面、窄边截面、套管外壁面，也就是环空的内壁面。壁面附近的网格进行了加密处理。图2水平段环空网格模型Fig.2Gridmodelofannulusinhorizontalsection1.2水平段环空固井顶替流体力学模型Fluidmechanicsmodelofcementingdisplace-mentinannulusofhorizontalsection水平井固井顶替过程中，无论是水泥浆顶替隔离液还是隔离液顶替钻井液，都属于长距离环空间隙中的液、液两相流动过程，满足流体力学基本方程组。考虑到固井顶替流体的黏度等水力参数，环空流态一般为非牛顿流体层流流动。流体力学基本方程组详见参考文献［1-2］。顶替界面采用组分模型进行捕捉。水泥浆、隔离液采用幂律非牛顿流变模式。1.2.1顶替界面的组分方程采用物质输运模型，byincreasing(decreasing)slurryn,soitisnecessarytotakeslurrynintoconsiderationcomprehensivelyduringthedesign.Inthecaseofhighcentralizeddegree(85.0%≤centralizeddegree＜100%)andidealcentralizeddegree(100%),itisnecessarytopreventslurrynfrombeingtoolowduringthedesign,soastoavoidslurryfro

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