考虑周向二次流对顶替界面影响的固井二维顶替模型研究

It is well known that the secondary azimuthal flow can accelerate the exchange of fluids between annular wide and narrow clearance, which is beneficial for enhancing the stability of displacement interface with no doubt. Unfortunately, the present displacement model doesn’t consider the effect of secondary azimuthal flow on displacement interface. Therefore, the model can’t describe the whole shape of displacement interface accurately. To solve the problem, this paper presents how the secondary azimuthal flow affects the displacement interface and the accumulation mechanism of steady displacement by analyzing the exchange between the displaced and displacing fluids and the dynamic coupling relationship between secondary azimuthal flow and displacement interface. Furthermore, this paper establishes a two-dimensional displacement model and a descriptive model for the displacement interface shape respectively by considering the effect of secondary azimuthal flow on displacement interface. Based on the two models, this paper finally proposes a method for judging whether the displacement reaches steady state and determines what conditions can achieve a steady displacement. So, we can conclude that this research can describe the displacement interface shape in theory more reasonably during cementing. Besides, it indicates the accumulation mechanism and conditions of steady displacement interface explicitly. There is no doubt that this research lays a solid foundation for the optimized design of displacing parameters which can make the interface minimum in cementing constructions.

固井过程中顶替界面上产生的周向二次流能够促使宽窄间隙处的流体进行交换，有助于提高顶替界面的稳定性。现有固井顶替模型没有考虑周向二次流对顶替界面的影响，不能准确描述环空顶替界面的整体形态。针对这一问题，开展固井环空顶替流体与被顶替流体在周向二次流作用下的交换特征研究，分析周向二次流与顶替界面之间的动态耦合关系，提出周向二次流对顶替界面的影响规律及稳定顶替界面的形成机理，在此基础上考虑周向二次流对顶替界面的影响建立固井二维顶替模型和顶替界面形状描述模型，提出固井稳定顶替界面的评价方法及形成条件。课题研究成果能够从理论上更为合理的揭示固井过程中环空顶替界面形态的变化规律，阐明稳定顶替界面的形成机理及条件，以实现稳定顶替界面为目标，为固井顶替参数优化设计提供科学依据。

有效的驱替钻井液、降低水泥浆污染程度是实现良好固井质量的前提，但水泥浆与钻井液之间的顶替过程却非常复杂，现有固井顶替模型没有考虑周向二次流对顶替效果的影响，无法真实准确的反映偏心环空固井顶替界面的动态变化。. 本课题考虑了顶替界面上高度差和密度差在环空周向上引起的压力差异，建立了偏心环空周向流分布模型，阐明了固井环空周向流的形成机理，揭示了固井环空顶替液和被顶替液二维流动的物理内涵，并通过PIV实验测试证明了环空周向流的存在；根据环空周向上顶替液与被顶替液交换特征，分析了周向流对顶替界面形态的影响规律，阐明了顶替界面附近周向流的存在导致宽窄间隙处顶替流体与被顶替流体的交换这一固井稳定顶替界面的形成机理，提出了以环空周向上各点顶替界面轴向运动速度一致或相近，顶替界面匀速向前推进作为稳定顶替界面的评价方法，从理论上证明了实现稳定顶替界面的可行性及其条件；建立了考虑扩散效应时的顶替流体浓度分布模型和不考虑扩散效应时的动态顶替界面形状描述模型，能够准确描述不同时刻固井顶替界面在偏心环空中的整体形态；建立了偏心环空稳定顶替界面描述模型，得出了套管偏心度、井斜角以及顶替流体密度差的合理匹配关系，提出了考虑周向流影响的固井二维顶替参数优化设计方法。. 本研究从理论上更为合理的揭示了固井过程中偏心环空顶替界面的动态变化，完善丰富了固井顶替理论，为现场固井顶替参数的优化设计提供了科学依据，提高固井质量实现油气井的长期有效开发，具有重要的科学意义和工程应用价值。