井壁泥饼冲洗机理及注替参数优化研究

作     者：周俊林 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄志强

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：冲洗效率 数值模拟 泥饼冲洗 泥饼厚度 有限体积法 

摘      要：深层超深层油气资源已成为当今油气勘探开发的重点,其高温、高压、窄压力窗口等复杂条件对固井质量提出了挑战。在固井过程中,由于窄压力窗口注替排量低,附着在井壁上的虚泥饼难以清洗,导致固井质量低下,后续试油试采可能引发窜槽风险。因此,探索冲洗机理,优化固井注替参数对提高高温高压固井质量具有重要的意义。本文以井筒内部冲洗液的冲洗效率为研究对象,构建了固井清洗效率数值模型,开展了高温高压清洗效率评价试验,揭示了泥饼冲洗机理,优化了不同条件下的施工参数。首先,基于清洗效率装置,建立了实验条件下泥饼冲洗装置效率的数值模型,分析了装置内部流动特性,从而获取流场内部相浓度、速度等参数的分布规律;其次,设计高温冲洗效率评价实验方案,通过冲洗效率评价装置进行模拟试验,对高温条件下泥饼冲洗效率定量分析,并将结果与数模验证,形成了泥饼冲洗效率的数值模拟方法;最后,根据泥饼冲洗系效率数值模拟方法,建立了实际井眼条件下泥饼冲洗数值模型,综合实际施工参数,获取不同冲洗排量、冲洗时间及冲洗速度等重要参数对泥饼冲洗效率的影响规律,并根据试验规律和数模规律对施工参数进行了优化设计。本文研究内容及结论如下:(1)构建泥饼冲洗装置的数理模型,采用流体动力学方法对比分析了泥饼冲洗效率评价装置内部的流动特性,获取流场内部相分率、速度、流动方向等参数的分布规律,确定了适用于本文研究的冲洗效率评价实验方案及数模方法。(2)采用室内旋转剪切式-泥饼冲洗装置测试实现高温条件下泥饼冲洗效率的定量分析,获得了冲洗时间、冲洗排量及冲洗速度对冲洗效率的影响规律。实验结果表明:随着温度的升高,冲洗液流变性变好,湍流扩散增加,清洗效率增大。同等实验条件下,泥饼渗透率越高,泥饼层越密,冲洗效率越低。同等实验条件下,贝克Ⅰ冲洗液体系对甲酸盐水基钻井液体系的清洗效率最高。(3)基于ICEM CFD软件构建实际井眼条件下泥饼冲洗装置几何模型,利用Fluent软件进行数值计算。计算结果采用CFD-POST软件后处理分析,获取不同参数条件对井筒内部泥饼相浓度分布影响规律。规律表明:冲洗液进入井筒内部对泥饼产生剪切作用,转速增加后,冲洗液产生湍流扩散作用;随着泥饼厚度增加,密实度增加,冲洗效率将大幅度降低。(4)结合冲洗效率试验结果及数值模拟结果综合分析,得出了冲洗参数对泥饼冲洗效率的影响规律,优化符合现场复杂工况下的注替参数。最终结果表明:冲洗排量是影响冲洗效果的主要因素,随着冲洗排量越大,冲洗时间越长,冲洗效率效果越好。而根据剪切速率原理,当冲洗排量≥0.32 m·min,冲洗时间≥25 min时,冲洗效率可提高至95%以上,为现场注替参数优化提供了指导。