注水泥流变学设计原理与方法-徐璧华-西南石油大学

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,注水泥流变学设计原理与方法,西南石油学院学院石油工程学院 徐璧华,流变学与固井的关系,注水泥时井口压力是否会过大；,排量应控制到多大才能保证井下不漏；,排量应控制到多大才能保证井下不窜；,哪种情况下使用大排量或是小排量顶替才能提高顶替效率；,关键：,确定流体流动时的流动状态,确定流体流动时的流动阻力,主要内容,流体的特点与类型根本概念,流变测量,流变模式与流变参数计算,在管内或环空的流动规律,流动计算方法与步骤,在固井中影响流变计算的因素,-温度、间隙等对计算的影响,1、根本概念,流体流动的特点,V,x,V,特点：流动时分层流动、各层的速度不一样,原因：流体内部存在内摩擦力,1、根本概念,流体流动的特点,1、根本概念,流体流动的根本概念：剪切速率,V,x,V,V,x,dV,dx,速度梯度或剪切速率,定义：垂直流速方向上的单位距离流速的变化量。,单位：S,-1,如果：各位置剪切速率相同，那么出现情况。,1、根本概念,流体流动的根本概念：剪切速率,剪切速率分布情况：,沉砂池：,10,20,S,-1,钻杆环空：,60,100,S,-1,钻铤环空：,160,300,S,-1,钻杆内：,250,500,S,-1,钻铤内：,700-1400,S,-1,常规套管环空：,160,500,S,-1,小间隙套管环空：,500,1200,S,-1,1、根本概念,流体流动的根本概念：剪切应力,F,V,F：反映流体内摩擦力的大小,V V,F S F=,S,X X, 称为粘度或粘滞系数,定义：单位面积上内摩擦力的大小即为剪切应力；记为：,单位：10达因/厘米2 =1帕 Pa =1000(mPa),1、根本概念,流体流动的根本概念：流变曲线,剪切应力,剪切速率,1、根本概念,流体流动的根本概念：视粘度,V V F/S,F S F=,S,=,X X V/X,定义：单位剪切速率速度梯度下的剪切应力；,单位：10达因.秒/厘米2=1帕秒 Pa.S=1000mPa.S,粘度是流体本身固有的特性，对于水、汽油等流体，,其粘度是不随流速、流道以及速度梯度变化的。,这一规律称为：,牛顿内摩擦定律,1、根本概念,流体流动的根本概念：流体分类,牛顿流体：,特点：满足牛顿内摩擦定律 =,剪切速率,剪切应力,1、根本概念,流体流动的根本概念：流体分类,非牛顿流体：,特点：不满足牛顿内摩擦定律，视粘度与速梯、时间有关系。,剪切应力,剪切速率,1、根本概念,流体流动的根本概念：流体分类,按流变性分：,粘弹性流体,纯粘性流体,与时间有关,触变性流体,负触变性流体,与时间无关,有屈服应力：塑性流体、屈服假塑性流体,无屈服应力：牛顿流体、假塑性流体、膨涨性流体,泥浆、水泥浆、隔离液：,屈服假塑性,假塑性,塑性,1、根本概念,非牛顿流体的流变性能,粘度视粘度,静切应力,动切应力,触变性,剪切稀释性,2、流变测量,测量目的,了解流体剪切应力随剪切速率变化的规律,测量：剪切速率、剪切应力,测量仪器,粘度计,旋转粘度计：同轴、锥板,毛细管粘度计,泥浆、水泥浆用：,六速、十二速旋转粘度计,2、流变测量,同轴旋转粘度计测量原理,结构：,R,r,V,M,2、流变测量,同轴旋转粘度计测量原理,原理：,1、测量内筒的扭矩M,2、计算内筒处的剪切应力,3、计算内筒处的剪切速率,R,r,V,2、流变测量,同轴旋转粘度计测量原理,原理：,C=.511 (Pa),转速,600,300,200,100,6,3,剪切速率,1022,511,340.6,170.3,10.22,5.11,切力,C,C,C,C,C,C,2、流变测量,流变曲线绘制,剪切应力,剪切速率,3、流变模式与流变参数计算,流体流变模式,概念,用于描述流体内部剪切应力与剪切速率的数学方程,流变模式是流体内部流变规律的近似反映,类型,两参数模式：幂律、宾汉、 卡森,三参数模式：赫巴、罗斯,多参数模式：,3、流变模式与流变参数计算,赫巴模式：,罗斯模式：,卡森模式：,多项式模式：,幂律模式：,宾汉模式：,3、流变模式与流变参数计算,流变模式,赫巴模式,罗斯模式,卡森模式,多项式,模式,幂律模式,宾汉模式,40组水泥浆,(API法配),4.983,7.509,11.94,6.991,13.03,23.16,32组水泥浆,(手搅法配),4.311,10.08,22.04,5.337,8.333,43.57,6种泥浆,1.491,2.514,2.219,-,5.609,3.101,3、流变模式与流变参数计算,流变模式,赫巴模式,罗斯模式,卡森模式,幂律模式,宾汉模式,10组密度1.162CaCl2重晶石泥浆,3.238,3.658,3.166,6.475,2.914,10组密度1.50 CaCl2重晶石泥浆,1.785,1.633,4.127,8.001,1.481,3、流变模式与流变参数计算,泥浆、水泥浆流变模式的选择,流变曲线观察法,F 比值法,误差统计分析法,计算各转速的计算剪切应力与实测值的误差,3、流变模式与流变参数计算,泥浆、水泥浆流变参数的计算,流变参数的含义,反映流体流动规律的特征参数，流体一定后在流变模式中是不变的。,宾汉模式,动切力、塑性粘度,幂律模式,流性指数、稠度系数,赫巴模式,静切力、流性指数、稠度系数,3、流变模式与流变参数计算,泥浆、水泥浆流变参数的计算,流变参数计算原理,使用以测量的速率下的剪切应力反推,方法：,回归方法：使用全部粘度计测量数据,解析法：使用两个速率下的粘度计测量数据,3、流变模式与流变参数计算,泥浆、水泥浆流变参数的计算,影响因素：,计算速率的选择,泥浆：600、300转,水泥浆：300、100转,为何泥浆与水泥浆不用相同的转速？,温度压力的影响,环空间隙的影响,3、流变模式与流变参数计算,泥浆、水泥浆流变参数的计算,水泥浆,泥浆,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.1 泥浆、水泥浆的流动状态,静止,塞流,层流,层流,紊流,低速,中速,高速,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.2 流态对顶替与流动的影响,有利于顶替的流态：,塞流,紊流,平板层流,流态与流动的关系,与流速有关,与流体流变性能有关,与流道有关,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.3 流态判别方法,雷诺数的概念,流体流动中流动能与粘滞力的比值,流核概念,流态判别方法,塞流：,核隙比,0,0.8 或 ReRec,层流：界于之间,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.4 流态判别方法,临界雷诺数,宾汉流体,塞流：考虑核隙比大于0.8,紊流：通过赫兹数计算,幂律与赫巴流体,紊流：Rec=3470-1370n,塞流：Rec=100,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.4 流态判别方法,临界流速,宾汉流体：,塞流,临界流速：,环空返速要求,动塑比要求,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.4 流态判别方法,临界流速,宾汉流体：,紊流,管内,环空,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.4 流态判别方法,临界流速,幂律流体：,紊流,管内,环空,4、泥浆、水泥浆在井眼的流动规律,4.4 流态判别方法,临界流速,赫巴流体：,紊流,5、流动计算方法,流动计算的目的,流动阻力,流动摩阻与流体的流态有关,流动摩阻计算的原理,流态判别,流动摩阻系数,流动摩阻压力,5、流动计算方法,L,V,x,5、流动计算方法,流动摩阻计算的步骤,计算管内、环空的流速,计算管内、环空的临界雷诺数,计算管内、环空的流态（雷诺数）,计算流动摩阻系数,计算流动摩阻压力,5、流动计算方法,流动摩阻计算的公式,见资料,注意点：,流变模式的使用,紊流与层流时的摩阻系数计算,5、流动计算方法,注水泥流动计算的内容总结,设计顶替临界排量,计算流动压力,计算的举例,举例,H=3202m,H,1,=900m,D,e1,=24.45cm,D,i1,=22.44cm,L=3200m,D,e2,=17.78cm,D,i2,=15.7cm,H,0,=30m,D,w1,=23cm,D,w2,=24cm,H,I段,II段,H,1,H,0,井底破裂压力,P,fo,=68Mpa,井底循环温度,T=87,钻井液 属宾汉流体,0m,=0.86Pa,pm,m,=1.65g/cm3,水泥浆密度,1.85,粘度计读数：,300,：,59 200,：,43,100,：,23 6,：,13,3,：,8,要求：,设计紊流注水泥,计算最终顶替泵压,举例,流道,流体,流速,Rec,Re,流态,F,Pf,Pfp,Pfa,管内,泥浆,1.45,4120,9390,紊流,0.00915,1.28,1.29,管内,水泥,1.45,2297,5174,紊流,0.00807,0.012,环空,水泥,1.68,2297,2500,紊流,0.0094,1.88,5.80,环空,水泥,1.36,2297,2297,紊流,0.00957,1.37,环空,泥浆,1.90,2310,3652,紊流,0.0111,2.55,最终泵压：P,p,=(P,ha,-P,hp,)+(P,fp,+P,fa,)=11.54MPa,6、在固井中影响流变计算的因素,影响因素,套管偏心的影响,温度压力对流体性能的影响,井眼尺寸变化,井径变化不规那么,小间隙与小井眼对计算方法的影响,温度压力对流变性的影响及考虑方法,高温高压对流动计算的影响,温度压力对水泥浆与泥浆流变性能的影响规律,温度的影响,温度压力对水泥浆与泥浆流变性能的影响规律,压力的影响,高温高压对流动计算的影响,考虑温度影响后水泥浆与泥浆流变性的计算,计算模型,b值的计算通过测定具体水泥浆在常温和某一温度下的粘度计读值计算,高温高压对流动计算的影响,高温高压对流动计算的影响,高温高压对流动计算的影响,考虑温度影响后水泥浆与泥浆流变性的计算,流变参数计算,考虑温度影响后水泥浆与泥浆流变性的计算,南海地区水泥浆温度计算系数,体系名称,密度,测量温度125,剪切应力（dyn/cm,2,）,测量温度75,剪切应力（dyn/cm,2,）,300转,b系数,100转,b系数,平均,b系数,300转,100转,300转,100转,CG71L,1.90,312.4,93.3,678.5,253.3,0.01551,0.01997,0.01774,LATAX2000,2.40,214.3,74.8,379.2,156.3,0.01141,0.01473,0.01307,PCR1002L,1.91,268.6,88.0,680.3,178.3,0.01859,0.01412,0.01635,PCR1002L,2.40,221.1,72.2,466.7,180.8,0.01494,0.01835,0.01664,高温高压对流动计算的影响,考虑温度影响后水泥浆与泥浆流变性的计算,南海地区水泥浆温度计算系数,体系名称,密度,测量温度125,剪切应力（dyn/cm,2,）,测量温度75,剪切应力（dyn/cm,2,）,300转,b系数,100转,b系数,平均,b系数,300转,100转,300转,100转,CG71L,1.90,312.4,93.3,678.5,253.3,0.01551,0.01997,0.01774,LATAX2000,2.40,214.3,74.8,379.2,156.3,0.01141,0.01473,0.01307,PCR1002L,1.91,268.6,88.0,680.3,178.3,0.01859,0.01412,0.01635,PCR1002L,2.40,221.1,72.2,466.7,180.8,0.01494,0.01835,0.01664,高温高压对流动计算的影响,考虑温度后注水泥流动计算方法,使用分段考虑温度法计算，通过计算机软件实现其应用。,T,H,m,图3-8 按温度分段示意图,式中：,BHCT： 井底循环温度；,T,TOC,： 水泥面深度循环温度；,T,： 允许温度变化范围；,n： 井段可分段数；,T,m,： 第m 井段底部的循环温度 ；,H,m,：,第,m,井底底部深度。,高温高压对流动计算的影响,注水泥过程小间隙流动计算的修正方法,小间隙环空的流动计算,小间隙环空流变参数计算,研究了小间隙中计算流变参数应使用的转速：,研究说明在小间隙中，应使用600转与300转进行流变参数计算,研究了小间隙下对套管偏心的考虑方法,提出了小间隙下判别流态的修正方法,提出了考虑小间隙的流动摩阻系数计算方法,建立了注水泥过程环空平衡压力计算的方法,流变参数计算,小间隙条件下偏心的影响,小间隙条件下流态计算的影响,摩阻系数计算模型,小间隙环空流动计算分析,常规流动计算公式,：,小间隙条件下偏心的影响,偏心效应系数,R,为偏心环空压耗与同心环空压耗之比,:,将同心环空压力计算式与偏心环空压降计算式带入后有：,(,对幂律流体,),e 偏心度 e=2,/(Dw-Dc),为偏心距，cm；,D,w, D,c,为井眼与套管的直径，cm,对小间隙环空情况，一般Dc/Dw均小于1.2如塔里木的几种典型井身结构，那么 M的值应为2，这样有,小间隙环空流动计算方法研究,小间隙环空流动阻力的计算式可表达为：,准确计算流动摩阻压力的关键便是流动摩阻系数f 确实定。,准确计算小间隙环空的流动阻力的核心在,于,流态和摩阻系数,的计算方法。,小间隙环空对流态的判别标准不宜使用与常规流动计算中标准，即：Rc=3470-1370n,实际的小间隙顶替过程中，水泥浆雷诺数一般均在层流或过渡流之间。,有关研究也说明常规计算中采用的紊流临界流量要偏低15%到20%45。,大量的文献和实验研究说明，流体在环空流动的紊流临界雷诺数的上限可达3800，根据这一分析，可将常规环空中对流态判别的标准提高15%，作为其小间隙环空流态判别的标准，那么有,小间隙环空流态的判别与雷诺数计算,、流态的判别,常规间隙环空流动计算中：,R,ec,=3470-1470n,小间隙环空流态判别的标准为：,R,ec,=4080-1720n,、,雷诺数计算,按照液体的流动雷诺数一般概念有：,De当量直径或水力直径。,小间隙环空流态的判别与雷诺数计算,借用,Crittendon,提出的小间隙环空水力直径计算公式,5,，建立小间隙环空雷诺数的计算模型：,式中： Res 修正的雷诺数 De水力直径， cm,小间隙环空流态的判别与雷诺数计算,用常规方法与修正前方法计算的雷诺数,、摩阻系数理论计算模型,层流：,小间隙环空摩阻系数计算方法,紊流：,不同方法计算的不同雷诺数下的摩阻系数,n=0.4,小间隙环空摩阻系数的现场统计分析,f,的函数形式：,井眼、流体与施工参数,初定一摩阻系数,计算井口施工压力,对比实际施工压力,调整摩阻系数,满足/不满足,计算流态、流变性,计算其施工数据,YES,统计分析摩阻系数流程,塔里木典型井身结构下摩阻系数统计,小间隙环空流动压力的计算,综上所述，可对环空进行分段计算，其计算公式可表达为：,式中：n 非小间隙的环空所分段数,m 小间隙环空所分段数,