固井培訓(xùn)1-注水泥流變學(xué)設(shè)計(jì)原理與方法

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(lèi)型—基本概念流變測(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)

2、算的因素 ------溫度、間隙等對(duì)計(jì)算的影響,1、基本概念,流體流動(dòng)的特點(diǎn),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、基本概念,流體流動(dòng)的特點(diǎn),,,,,,,,,,,,,,,,1、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：剪切速率,,,?,,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，則出現(xiàn)情況……。,1、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：剪切速率,剪切速率分

3、布情況：沉砂池：10～20 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-1,1、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：剪切應(yīng)力,V,F：反映流體內(nèi)摩擦力的大小 V VF ∝S——

4、 F= ?×S——X 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：?單位：10達(dá)因/厘米2 =1帕（ Pa ）=1000(mPa),1、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：流變曲線,,,,,,剪切應(yīng)力,剪切速率,1、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：視粘度,V V

5、 F/S ?F ∝S—— F= ?×S—— ?=———=——X X V/X ?,定義：?jiǎn)挝患羟兴俾剩ㄋ俣忍荻龋┫碌募羟袘?yīng)力；單位：10達(dá)因.秒/厘米2=1帕秒（ Pa.S）=1000（mPa.S）,粘度是流體本身固有的特性，對(duì)于水、汽油等流體

6、，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、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：流體分類(lèi)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、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：流體分類(lèi)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、時(shí)間有關(guān)系。,,,,剪切應(yīng)力,剪切速率,,,1、基本概念,流體流動(dòng)的基本概念：流體分類(lèi)按流變性分：粘彈性流體純粘性流體與時(shí)間有關(guān)

7、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、基本概念,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：

8、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)：,,,,,,,,,,R,r,,,,,,,,V,?,M,2、流變測(cè)量,同軸旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量原理原理：1、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,2、流變測(cè)量,同軸旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量原理原理：C=.511 (Pa),2、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

9、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(lèi)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,3、流變模式與流變參數(shù)計(jì)算,3、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法F 比值法誤差統(tǒng)計(jì)分析

10、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)量的已知速率下的剪切應(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：

11、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)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、

12、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?0>0.8 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

13、流：考慮核隙比大于0.8紊流：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=100,4、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：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：

14、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,,,,,,,,,,,,,,,,L,,V,,,,,,,,,,x,5、流動(dòng)計(jì)算方法,流動(dòng)摩阻計(jì)算的步驟,計(jì)算管內(nèi)、環(huán)空的流速,5、流動(dòng)計(jì)算方法,流動(dòng)摩阻計(jì)算的公式

15、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=24cm,,,,,,,,,,,,,H,I段,II段,,,,,H1,,,H0,井底破裂壓力P

16、fo=68Mpa井底循環(huán)溫度T=87鉆井液 屬賓漢流體?0m=0.86Pa?pm=0.04Pa.S?m=1.65g/cm3水泥漿密度1.85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,最終泵壓：Pp=(Pha-Php)+(Pfp+Pfa)=11.54MPa,6、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

17、溫度壓力對(duì)流體性能的影響井眼尺寸變化井徑變化不規(guī)則小間隙與小井眼對(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

18、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),,,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)水泥漿溫度計(jì)算系數(shù),,,高溫高壓對(duì)流動(dòng)計(jì)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。,,,,,,,,,,,,,,,,?T,,,Hm,圖3-8 按

19、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：研究表明在小間隙中，應(yīng)使用

20、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

21、：(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)），則 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 的確定。,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

22、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)研究也表明常規(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)研究表明，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)，則有,小間隙環(huán)空流態(tài)的判別與雷諾數(shù)計(jì)算,①、流態(tài)的判別

23、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 ②、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——水力直徑， cm,小

24、間隙環(huán)空流態(tài)的判別與雷諾數(shù)計(jì)算,用常規(guī)方法與修正后方法計(jì)算的雷諾數(shù),①、摩阻系數(shù)理論計(jì)算模型 層流：,小間隙環(huán)空摩阻系數(shù)計(jì)算方法,紊流：,不同方法計(jì)算的不同雷諾數(shù)下的摩阻系數(shù),（n=0.4）,小間隙環(huán)空摩阻系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析,f 的函數(shù)形式：,統(tǒng)計(jì)分析摩阻系數(shù)流程,塔里木典型井身結(jié)構(gòu)下摩阻系數(shù)統(tǒng)計(jì),小間隙環(huán)空流動(dòng)壓力的計(jì)算,綜上所述，可對(duì)環(huán)空進(jìn)行分段計(jì)算，其計(jì)算公式可表達(dá)為：,式中：n 非小間隙的環(huán)空所分段數(shù) m