提高顶替效率的钻井液性能要求的理论探索

1、 本科毕业设计（论文）题目提高顶替效率的 钻井液性能要求的理论探索摘 要在固井施工前，为提高顶替效率，一般均要求对钻井液的性能进行调整。而对钻井液性能的参数具体调整到什么数值，目前现场大多是凭经验给出，也有一些关于钻井液性能调整的理论和原则，但总的来说理论根据仍比较缺乏。选择本课题的目的就是：针对直井层流顶替情形，从理论上探索性地研究提高顶替效率的钻井液性能要求的计算方法，为生产现场固井前调整钻井液性能提供理论依据。本文针对直井、层流、套管居中的情况，在对顶替时钻井液与水泥浆受力分析的基础上，建立了钻井液与水泥浆之间顶替的数学模型。通过推导，最终给出了钻井液不发生滞留的流变性能要求的计算表达式

2、。文中分析了钻井液流变性能与水泥浆和钻井液之间的密度差、水泥浆动切力、井眼与套管尺寸组合等因素的关系。研究结果表明：增加水泥浆与钻井液的密度差、增加水泥浆的稠度系数或钻井液的流性指数、增加水泥浆的塑性粘度、以及增大水泥浆或钻井液的动切力，都有利于提高顶替效率；反之，增加水泥浆的流性指数或钻井液的稠度系数，或增加钻井液的塑性粘度，会使水泥浆的顶替效率降低。研究结果有助于明确注水泥过程中环空顶替机理，为注水泥设计与施工提供必要的理论依据。建议在固井施工中，尽量降低钻井液的稠度系数，以降低钻井液的动切力，同时扩大水泥浆与钻井液的正密度差，可提高顶替效率。关键词：固井；顶替效率；钻井液性能要求；计算方

3、法AbstractBefore cementing, it is necessary to adjust the abilities of drilling fluid in order to improve the displacement efficiency, but there is no clear values. At the moment, the values are almost given by experiences, and there are some theories and rules about the adjusting for the abilities o

4、f drilling fluid. Generally speaking, the basis for theories are yet lacked. The aim of this topic is : being aimed at the displacement of straight well, lamellar flow, to study the calculation method about the requirement for the the abilities of drilling fluid on theory, it will supply the theoret

5、ical criterion of adjusting the abilities of drilling fluid for cementing.In this paper, being aimed at the situation of straight well, lamellar flow and the casing pipe being in the middle, the mechanical model of displacement between cement slurry and drilling fluid were built up, on the base of a

6、nalysing the force of displacement between cement slurry and drilling fluid. According to deriving, the final calculation expression is obtained for cementing without drilling fluid retention.Then the relationships are analyzed about the rheological of drilling fluid with the density differences, th

7、e drilling fluids yield points, the consistency index, the combinations of hole size and casing size.Research results demonstrate that increasing the density difference between the cement slurry and the drilling fluid, the consistency coefficient of cement slurry or the liquidity index of drilling f

8、luid, the plastic viscosity of cement slurry, and the yield point of cement slurry or drilling fluid, all help to improve the displacement efficiency of cement slurry. On the contrary, increasing the liquidity index of cement slurry or the consistency coefficient of drilling fluid, or increasing the

9、 plastic viscosity of drilling fluid, will reduce the displacement efficiency of cement slurry. Research results can contribute to better understand the annular displacement mechanism in cement squeezing, and provide necessary theoretical foundations for the design and execution of cementing.While c

10、ementing, it is recommend to reduce the consistency index of drilling fluid in order to reduce the Yield Point of drilling fluid ,at the same time, expanding the positive density difference of slurrys density larger than drilling fluids density ,so as to improve the displacing efficiency. Keywords：c

11、ementing；displacement efficiency；requirement on drilling fluids properties；calculation method目 录1绪论11.1研究的目的和意义11.2国内外研究现状11.3课题研究的主要内容与技术路线41.3.1主要研究内容41.3.2技术路线42注水泥顶替机理52.1基本概念52.1.1钻井液的流变性52.1.2塑性流体82.1.3假塑性流体92.1.4提高顶替效率的措施122.2顶替类型162.2.1轴向流顶替162.2.2螺旋流顶替理论173提高顶替效率的钻井液性能要求的计算模型183.1塞流顶替时模型的推导

12、验证183.2层流顶替时模型的推导213.2.1受力分析与通用方程213.2.2幂律钻井液性能要求的计算式推导243.2.3宾汉钻井液性能要求的计算式推导264结论与建议274.1结论274.2建议27致谢28主要参考文献291绪论1.1研究的目的和意义在油气井固井工程中，顶替效率对固井质量起着重要的作用，没有良好的顶替效率，其他任何措施都不会对固井质量起到很好的作用。但顶替效率由于受井眼条件、钻井液性能、水泥浆性能、施工参数、前置液接触时间等诸多因素的影响，是固井工程中最难控制的因素。在固井施工前，为提高顶替效率，一般均要求对钻井液的性能进行调整。而对钻井液性能的参数具体调整到什么数值，目前

13、现场大多是凭经验给出，也有一些关于钻井液性能调整的理论和原则，但总的来说理论根据仍比较缺乏。由于水泥浆的性能直接影响到固井质量的好坏，故一般情况下，水泥浆的性能一般不做调节。研究本课题的目的就是：针对直井层流顶替情形，从理论上探索性的研究提高顶替效率的钻井液性能要求的计算方法，为生产现场固井前调节钻井液性能提供理论依据。1.2国内外研究现状顶替效率在油气井固井工程中对固井质量起着重要的作用，关于如何提高顶替效率以及对钻井液的性能要求，近年来，国内外专家进行了大量的研究。1996年杨树人等1关于幂律流体在偏心环空中流动的数值计算方法，针对水平井中钻井液的流动特点，引入了Vasilescu紊流模式

14、，建立了描述幂律流体在偏心环空中流动的基本方程，提出了幂律流体流动方程的一种新方法迭代欧拉法，计算了流体流动的速度分布、流量及压降。结果表明，环空的偏心度及流动状态对速度的分布最为明显，该方法不仅适用于幂律流体层流流动的计算，而且适用于幂律流体紊流流动以及其他流变模式流体流动的计算。1998年郭小阳等人2研究了提高注水泥浆质量的综合因素，通过分析现场固井实例说明，提高固井质量是一项系统工程，围绕水泥浆特性、浆体压力平衡、流态、井身质量、套管居中及水泥浆与泥浆流变性能等方面，拟定固井工艺措施，是提高水泥浆顶替效率，防止水泥浆窜槽，保证水泥石密封质量的较好方法。文中还对水泥石的的声幅测井及变密度测

15、井进行了对比和分析，初步得出了声幅值的变化幅度与两个交界面的质量并不完全吻合。2003年刘崇建等人3对提高小井眼水泥浆顶替效率做了研究。该研究根据流体在小井眼、小间隙中的流动特点，采用了理论和实验相结合的方法，对提高小间隙水泥浆顶替效率的几项基本因素进行了深入的研究。研究突破了紊流和塞流的顶替概念，提出了如何控制水泥浆和钻井液的压力梯度及动切力的比值a和b，来提高小间隙顶替效率的具体方法。还对提高小间隙水泥浆顶替效率的套管偏心度、紊流接触时间、钻井液触变性等指标提出了具体要求。2003年廖华林等人4对小眼井层流注水泥顶替机理进行了分析。用宾汉流体建立了水泥浆层流顶替钻井液的理论模型。机理分析表

16、明，小眼井中套管偏心对层流注水泥宽窄间隙顶替速度差异影响显著，而顶替压力梯度影响较小。在层流条件下，增加水泥浆动切力和水泥浆与钻井液密度差并减小钻井液动切力，有利于使整个环空钻井液顶替。但由于套管偏心是小眼井环空的显著特征，在实际注水泥中，尽量避免采用层流顶替模式。2005年张兴国等人5研究了泥浆触变性对注水泥顶替效率的影响。研究结果表明，泥浆触变性对顶替效率有严重的负面影响，泥浆的触变性越强，就越难于被顶替，就越不利于提高顶替效率，因此，如井下条件允许，应在注水泥作业之前，适当降低泥浆的触变性，以提高顶替效率。2005年张兴国等人6对紊流顶替和接触时间对顶替效率的影响做了研究，研究结果表明，

17、提高紊流顶替的紊流程度，延长接触时间，均有助于提高顶替效率。但顶替效率并不随接触时间的延长而持续增加，故无须为追求接触时间而过分加大冲洗液、隔离液及水泥浆的量，以同时兼顾整个固井工程设计的其他技术经济指标。2005年高永海等人7对环空水泥浆顶替界面稳定性进行了数值模拟研究，该研究借助计算流体力学（CFD）软件FLUENT6.0，利用流体体积法（VOF）对环空内水泥浆顶替进行了数值模拟。在不同流态、不同流动雷诺数和不同环空无量纲偏心度的条件下进行了计算，得到了顶替速度及偏心度对顶替效率以及界面稳定性的影响规律。模拟结果表明，降低套管偏心度及进行湍流顶替或低速下的层流顶替有助于界面稳定和提高顶替效

18、率。2005年舒秋贵8在油气井固井注水泥顶替理论与技术中指出油气井固井要得到好的固井质量，必须充分“替净”。使用螺旋流顶替理论上能大大提高顶替效率。但此项技术起步较晚，研究成果较少，理论很不完善，从而使其应用受到限制。2006年彭明旺等人9进行了利用壁面切应力提高固井水泥浆顶替效率的研究与应用。壁面剪应力设计方法，从理论上把塞流顶替、低速层流顶替及紊流顶替技术统一起来。对流变参数不再作特殊要求，只要结合环空返速，使摩阻大于一定值即可。水泥浆环空流动的壁面剪应力是影响顶替效率的关键因素。但要实现最终合格固井质量的目标，还需要从入井流体的整体设计考虑。2006年OZBAYOGLU EM等人10采用

19、有限元的方法，分析了偏心度对非牛顿流体在环空中流动的流态特征的影响。分析表明，随偏心度的增大，流体的流态特征就越复杂。2006年E.Berg等人11对钻井液的顶替和井眼清洗做了研究，研究表明套管的清洗要求要根据完井方法和顶替技术的不同而进行选择。2007年孙宝江等人12关于水泥浆流变性分析及其环空流动的数值模拟中指出偏心是引起环空流动不均匀的主要原因。随着偏心度的增加，流体均匀性降低；另外，提高流动速率以及降低流体的屈服应力、稠度系数和流性指数有利于环空流动的均匀性。2007年杨建波等人13对低速注水泥过程中密度差对顶替效率的影响做了研究，该研究针对石油固井现场在窄安全密度窗口条件下低速注水泥

20、的情况，利用自行研制的偏心环空注水泥模拟试验装置，用相似液顶替试验研究了密度差对顶替界面以及顶替过程的影响规律。试验结果表明，该方法可行且操作简易成本低廉；顶替液与被顶替液密度差为正时，塞流的顶替效果好于低速层流顶替，而顶替液与被顶替液密度差为负时，顶替效率随雷诺数的增大而提高；在偏心环空低速顶替过程中，采用大的正密度差能够克服偏心影响而提高顶替效率。2007年邓建民14关于注水泥钻井液零滞留临界静切力计算公式，针对窄压力安全窗口油气井固井采用低速塞流顶替的情况，在对水泥浆顶替钻井液的受力关系进行分析的基础上，提出了具体量化固井前调整钻井液静切力的计算方法。分析了钻井液零滞留临界静切力与密度差

21、、水泥浆动切力、井眼与套管尺寸组合的关系。2007年高永海等人15在前置液流变性对顶替界面稳定性影响的数值模拟中，计算得到了顶替界面形状以及前置液流变参数屈服应力、稠度系数和流性指数对顶替界面稳定性及顶替效率的影响规律，并对数值模拟结果进行了实验证明。数值模拟结果表明，降低前置液的屈服应力、稠度系数及流性指数有助于提高水泥浆和前置液之间界面的稳定性和顶替效率。以上这些研究在理论上提出了提高顶替效率的方法，以及对钻井液的性能要求。但钻井液性能到底要调整到什么程度，除了邓建民的文章外，均没有给出明确的计算公式或现场可用的查用表，因此运用到实际施工中还比较困难。所以，从理论上研究提高顶替效率的钻井液

22、性能要求的计算方法，为生产现场固井前调节钻井液性能提供理论依据，具有实际意义。1.3课题研究的主要内容与技术路线1.3.1主要研究内容1）针对直井、层流、套管居中的情况，分析、推导给出钻井液不发生滞留的流变性能要求的计算表达式。2）分析有关因素与钻井液性能要求之间的关系。1.3.2技术路线针对直井、层流、套管居中的情况，在对顶替时钻井液与水泥浆受力分析的基础上，建立钻井液与水泥浆之间顶替的数学模型。通过推导，最终给出钻井液不发生滞留的流变性能要求的计算表达式；进而分析有关因素与钻井液性能要求之间的关系。2注水泥顶替机理2.1基本概念2.1.1钻井液的流变性钻井液流变性(Rheological

23、Properties of Drilling Fluids)是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动性是主要的方面。该特性通常是用钻井液的流变曲线和塑性粘度(Plastic Viscosity)、动切力(Yield Point)、静切力(Gel Strength)、表观粘度(Apparent Viscosity)等流变参数来进行描述的。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题时起着十分重要的作用：(1)携带岩屑，保证井底和井服的清洁；(2)悬浮岩屑与重晶石；(3)提高机械钻速；(4)保持井眼规则和保证井下安全。此外，钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有

24、关计算。因此，对钻井液流变性的深入研究，以及对每口油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液技术的一个重要方面。以下是流体流动的有关基本概念。剪切速率和剪切应力液体与固体的重要区别之一是液体具有流动性，就是说，加很小的力就能使液体发生变形，而且只要力作用的时间相当长，很小的力就能使液体发生很大的变形。以河水在水面的流速分布为例，可以观察到越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大，河面水的流速分布如图21所示。管道中水的流速分布是中心处流速最大，越向周围流速越小，靠近管壁处流速为零。流速剖面形状为抛物线。从立体来看，它像一个套筒望远镜或拉杆天线，如图22所示。水中各点的流速不同，可以设想将其

25、分成许多薄层。通过管道中心线上的点作一条流速的垂线，自中心线上的点沿垂线向管壁移动位置，随着位置的变化流速也在发生变化。液流中各层的流速不同这个现象，通常是用剪切速率(或称流速梯度)这个物理量来描述的。如果在垂直于流速的方向上取一段无限小的距离dx，流速由v变化到v+dx，则比值dv/dx表示在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，即剪切速率。剪切速率也可用符号来表示。若剪切速率大，则表示液流中各层之间流速的变化大；反之，流速的变化则小。在SI单位制中，流速的单位为ms，距离的单位为m，所以剪切速率的单位为s-1。钻井液在循环过程中，由于它在各个部位的流速不同，因此剪切速率也不相同。流速越大之处

26、剪切速率越高，反之则越低。液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩接力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称为液体的粘滞性。为了确定内摩接力与哪些因素有关，牛顿通过大量实验研究提出了液体内摩擦定律，通常称为牛顿内摩擦定律。其内容为：液体流动时，液体层与层之间的内摩接力(F)的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间的接触面积(S)和剪切速率()成正比，而与接触面上的压力天关

27、，即： （2-1）内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力，剪切应力可理解为单位面积上的剪切力，即： （2-2）以上两式中，是量度液体粘滞性大小的物理量，通常称为粘度。的物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。越大，表示产生单位剪切速率所需要的剪切应力越大。粘度是液体的性质，不同液体有不同的值。还与温度有关，液体的粘度一般随温度的升高而降低。在SI单位制中，的单位是Pa，的单位是s-1，的单位是Pas由于Pas单位太大，在实际应用中一般用mPas表示液体的粘度。在工程应用中，的常用单位为厘泊（cP），1cP=1mPas。式(22)是牛顿内摩擦定律的数学表达式，通常将剪切应力与剪切速率的

28、关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体。流变模式和流变曲线剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本慨念，钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应力与的剪切速率之间的关系。这种关系可以用数学关系式表示，也可以作出图线来表示。若用数学关系式表示时，称为流变方程，习惯上又称为流变模式，如式(22)就是牛顿流体的流变模式。若用图线来表示时，就称为流变曲线。当对某种钻井液进行实验求出一系列的剪

29、切速率与剪切应力数据时，即可在直角坐标图上作出剪切速率随剪切应力变化的曲线，或剪切应力随剪切速率变化的曲线。这两种形式是一样的，只是纵、横坐标互换了一下。图23a和23b分别为两种液体流变曲线的不同表示方法。由于是通过原点的直线，很显然两种液体均为牛顿流体。在图23b中，直线的斜率tan=/=，对某种液体来说，是一个常数，说明在任何剪切速率下，牛顿流体的粘度不变。剪切速率每增加一倍，剪切应力也相应地增加一倍。也就是说，只用一个参数即可描述牛顿流体的流变性。从图中还可看出，越大，tan越大，即液体的粘度也越大。显然，图中液体1的粘度比液体2的粘度高。流体的基本流型按照流体流动时剪切速率与剪切应力

30、之间的关系，流体可以划分为不同的类型，即所谓流型。除牛顿流型外，根据所测出的流变曲线形状的不同，又可将非牛顿流体的流型归纳为塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。以上四种基本流型的流变曲线见图24。符合这四种流型的流体分别叫做牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。前面已提到，牛顿流体是流变性最简单的流体。流变方程为式(22)，其意义是，当牛顿流体在外力作用下流动时，剪切应力与剪切速率成正比。从牛顿流体的流变方程和流变曲线可以看出，这类流体有如下特点：当0时，0，因此只要对牛顿流体施加一个外力，即使此力很小，也可以产生一定的剪切速率，即开始流动。此外，其粘度不随剪切速率的增减而变化。膨胀流体比较

31、少见。从图24可发现其流动特点是：稍加外力即发生流动；粘度随剪切速率(或剪切应力)增加而增大，静置时又恢复原状。与假塑性流体相反，其流变曲线凹向剪切应力轴。这种流体在静止状态时，所含有的颗粒是分散的。当剪切应力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。2.1.2塑性流体高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。与牛顿流体不同，塑性流体当0时，0。也就是说，它不是加很小的剪切应力就开始流动，而是必须加一定的力才开始流动，这种使流体开始流动的最低剪切应力(s)称为静切应力(又称静切力、切力或凝胶强度)。从图24中塑性流体的流变曲线可以看出，当剪切应力超过s时，在初始阶段

32、剪切应力和剪切速率的关系不是一条直线，表明此时塑性流体还不能均匀地被剪切，粘度随剪切速率增大而降低(图中曲线段)。继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成直线(图中直线段)。此直线段的斜率称为塑性粘度(表示为p或PV)。延长直线段与剪切应力轴相交于一点o。，通常将o(亦可表示为YP)称为动切应力(常简称为动切力或屈服值)。塑性粘度和动切力是钻井掖的两个重要流变参数。引入动切力之后，塑性流体流变曲线的直线段即可用下面的直线方程进行描述： （2-3）此式即是塑性流体的流变模式。因是宾汉首先提出的，该式常称为宾汉模式Bingham Model)，

33、并将塑性流体称为宾汉塑性流体或宾汉流体。2.1.3假塑性流体某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。其流变曲线是通过原点并凸向剪切应力轴的曲线(见图24)。这类流体的流动特点是：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力，它的粘度随剪切应力的增大而降低。假塑性流体和塑性流体的一个重要区别在于：塑性流体当剪切速率增大到一定程度时，剪切应力增量与相应的剪切速率增量之比为一常数，在这个范围，流变曲线为直线；而假塑性流体剪切应力增量与相应的剪切速率增量之比总是变化的，即在流变曲线中无直线段。假塑性流体服从下式所示的幂律方程，即 （2-4）该式为假塑性流体的流变模式，习惯上称为

34、幂律模式(Power Low Model)。式中的n(流性指数)和K(稠度系数)是假塑性流体的两个重要流变参数。图25是钻井液的实际流变曲线与宾汉模式直线、幂律模式曲线的对比示意图。从图25可以看出，在中等和较高的剪切速率范围内，幂律模式和宾汉模式均能较好地表示实际钻井液的流动特性，然而在环形空间的较低剪切速率范围内，幂律模式比宾汉模式更接近实际钻井液的流动特性。因此，尽管宾汉模式一直是国内外钻井液工艺中最常用的流变模式，但目前认为，采用幂律模式能够比宾汉模式更好地表示钻井液在环空的流变性，并能更准确地预测环空压降和进行有关的水力参数计算。在钻井液设计和现场实际应用中，这两种流变模式往往同时使

35、用。为了进一步提高幂律模式的应用效果，一种经修正的幂律模式，即赫-巴三参数流变模式也已经引入对钻井液流变性的研究中，其数学表达式为： （2-5）式中：表示该模式的动切力，n和K的意义与幂律模式相同。由于在幂律模式基础上增加了，因而是一个三参数流变模式。塑性粘度和动切力从宾汉模式可知。塑性粘度是塑性流体的性质，它不随剪切速率而变化。研究表明，塑性粘度反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作用的强弱。动切力(屈服值)是塑性流体流变曲线中的直线段在轴上的截距。它反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物分

36、子之间相互作用力的大小。即形成空间网架结构能力的强弱。因此，凡是影响钻井液形成结构的因素，均会影响值。流性指数和稠度系数在幂律模式中，指数n表示假塑性流体在定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度，因此通常将n称为流性指数。水、甘油等牛顿流体的n值等于1，此时式(24)等同于式(22)。钻井液的n值一般均小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。图26是不同n值时的流变曲线示意图。从图26不难看出，随n值减小，曲线的曲率变大，表明流体的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指数是一个无因次量。在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理范围，一般希望有较低的n值，以确保钻井液具有良好的剪切稀释性能；K

37、值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为1s-1时的粘度有关。K值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。对于钻井液，K值可反映其可泵性。若K值过大，将造成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的K值应保持在一个合适的范围内。在SI单位制中，K值的单位为Pasn。钻井液的K值主要受体系中固体含量和液相粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，K值相应增大；n值则主要受形成网架结构因素的影响，如加入高分子聚合物，或加入适量无机电解质时，会使形成的网架结构增强，n值便相应减小。一般情况下，降低n值有利于携带岩屑、清洁井眼。降

38、低K值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速；提高K值类似于增大钻井液的粘度，这有利于清洁井眼和消除井塌引起的井下复杂情况，因此，K值并非越低越好，有时需要适当提高K值。表观粘度和剪切稀释性从前面图24所示的流变曲线可看出，对于非牛顿流体，剪切应力和剪切速率的比值不是一个常数，这就意味着不能用同一粘度值来描述它在不同剪切速率下的流动特性。因此，有必要引入表观粘度这一概念。表现粘度又称为有效粘度(Effective Viscosity)。它是在某一剪切速率下剪切应力与剪切速率的比值，即： （2-6）式中，表示表观粘度。当和的单位分别为Pa和s-1时，的单位为Pas。由于该单位太大，使用不方便，因

39、此常使用mPas。由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示为： （2-7）由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为： （2-8）塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性(Shear Thinning Behavior)。例如，在钻头水眼处，剪切速率高达10000 s-1，钻井液变得很稀，而在环形空间，当剪切速率为50250 s-1时，钻井液又变得比较稠。这种剪切稀释特性是一种优质钻井液必须具备的性能，因为它既能充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，而在环形空间又能很好地携带钻屑。如果p随加而降低的幅度越大，则认为剪切稀释性越强。切力和触变性钻井液的切力是指静切应力

40、。其胶体化学实质是胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。其物理意义是，当钻井液静止时。破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为Pa。前面在讨论塑性流体的流动特性时，曾引用了s这一参数。实际上s是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大小与时间因素有关，要想测得s，必须花费相当长的时间。显然，在生产现场测定该值不现实的，于是人们规定用初切力和终切力来表示静切应力的相对值。初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置1min(或10 s)测得的静切力(简称为初切)；终切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置10min测得的静切力(简称为终切)。所谓钻井液的触变性(

41、Thixotropic Bahavior)，是指搅拌后钻井液变稀(即切力降低)，静置后又变稠的这种性质。一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。2.1.4提高顶替效率的措施水泥浆在环形空间顶替钻井液的程度用顶替效率表示。对于注水泥井段： 水泥浆体积环空体积对于注水泥井段的某一截团； 水泥浆面积环空面积当等于1(即100%)时，水泥浆全部顶替走了钻井液；当小于1时钻井液没有被水泥浆完全替走，称为发生了钻井液窜槽：值越大，顶替效率越高。为提高顶替效率，所采取的主要措施有：加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、注水泥时活功套管、采用紊流或塞流流态注水泥、采用前置液、注水泥前调整钻井液性能、增加

42、紊流接触时间等。1、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度套管在井眼中不居中的现象称为套管偏心。在定向井和水平中，由于套管的自重，管柱将偏向井眼下侧，形成偏心。就是直井，由于实际所钻成的井眼不可能是一个完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情况。注水泥顶替效率与井眼中的偏心程度密切相关。图27所示为单液体在同心环空和偏心环空中的流速分布情况。在同心环空中，由于整个环形空间周向上各处间隙相等，因此在周向上流速分布是均匀的。在偏心环空中，由于套管偏心，周向上各处间隙不相等，各间隙处的流动相对阻力不一样，导致沿周向流速分布不均，宽间隙处流速高，窄间隙处流速低。套管偏心越严重，这种流速分布不均的程度越大。曾

43、经实测了液体在偏心环空中的流速分布情况，当偏心程度为69时，实验中测量到最宽与最窄间隙的平均流速差别达到了70倍。在水泥浆顶替钻井液的过程中，也会发生类似的情况，水泥浆在宽间隙处顶替钻井液的速度快些，而在窄间隙处的顶替速度则较慢，导致宽窄间隙水泥浆返高不一致。若套管偏心严重，则可能出现窄间隙的钻井液根本不能被顶走而滞留在原处的窜槽现象。因此要尽量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措施是在套管上安装套管扶正器。我国相关标准中给出了套管扶正器安装间距计算的推荐方法。2、注水泥时活动套管在注水泥过程中，旋转或上下活动套管是提高顶替效率的有效措施。图28所示为旋转套管提高顶替效率的示意图。当环空

44、窄间隙处有滞留(或流动较慢)的钻井液时，旋转套管可依靠套管壁拖曳力将钻井液带入进环空的较宽间隙处，从而被流动的水泥浆顶替走。一般认为旋转效果较好，而上下活动套管可能在上提套管后发生卡套管从而使套管不能下放到设计放置，给安装井口造成困难。 3、采用紊流或塞流流态注水泥图29为不同流态时液体流速分布情况，图中紊流流态为时均意义上的流速分布。在层流流态，断面流速分布呈尖峰形态；在紊流和塞流流态，断面流速分布相对平缓，因而有利水泥浆均匀推进顶替钻井液。但是，在偏心环空中，当采用塞流流态时，虽然在本间隙内水泥浆可均匀推进，由于在周向上流速分布不均匀可能存在周向上严重推进不均的后果，导致窄间隙顶替效率不高

45、。紊流顶替不仅断面流速分布比较均匀，最重要的是紊流顶替液中的紊流旋涡在顶替液与钻井液的交界面上可产生冲蚀、扰动、携带的作用，从而有利于对钻井液的顶替。在偏心环空中，这种冲蚀、扰动、携带作用可逐渐顶替走窄间隙处的钻井液。在偏心环空中，紊流时周向上的流速分布不均的程度也要大大低于层流时的流速分布不均程度(塞流本质上也属于层流)。实验中曾测量到可降低2776，因而有利于对窄间隙的顶替。另外，紊流时，单位长度上的摩阻压降大，该摩阻压降对滞留钻井液而言是驱使其流动的动力，因此也有利于顶替。因此，只要井下条件许可(不会压漏地层)，人们首选紊流顶替。 4、使用注水泥前置液 由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，

46、当用水泥浆直接顶替钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。一方面，钻井液与水泥浆混合后，可能使水泥浆增稠，导致环空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被随后的水泥浆所顶替，造成这种混合物窜槽，影响注水泥质量。不管是哪种情况，均称为钻井液与水泥浆不相容。因此，在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体称为注水泥前置液(简称前置掖)。前置液分为两种：冲洗液和隔离液。冲洗液主要起稀释钻井掖、冲洗井壁与套管壁的作用(也能隔开钻井液与水泥浆)。主

47、要用于紊流注水泥。当与隔离液同时使用时，位于隔离液之前。隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种类型的隔离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型阴离液，一种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。这样，在注水泥过程中，实际顶替钻井液的是前置液。显然，如果水泥浆的流变性能能调节到满足紊流或塞流的要求则更好。但由于调整水泥浆的流变性能时，往往对水泥浆的其他性能有影响，所以在很多情况下水泥浆的流变性能不能调整到要求值(尤其是紊流要求)。由此，现场上实际使用的常常是前置液紊流或塞流的注水泥顶替技术。5、注水泥前调整钻井液性能钻井中钻井液的性能是为了满足钻井作业的需要，但从提高注水泥顶替效率方面来看，有些性能往往

48、是不适宜的。因此，在注水泥前，一般都要对钻井液的性能进行调整。这一点非常重要。调整钻井液性能(密度、流变性)的原则是，在保证井下安全的前提下，尽量降低钻井液的密度、粘度和触变性(静切力)。理论和实验研究均表明，其中降低触变性尤为重要，因触变性太强，钻井液的内部结构力大，非常不利于顶替。6、增加紊流接触时间如前所述，紊流顶替最重要的是对钻井液的冲蚀、扰动、携带作用。显然，这种冲蚀、扰动、携带的顶替，需要一定的时间。部分人认为4min的接触时间就够了，但目前为大部分人接受的观点是需要10min的接触时间才能达到有效的顶替。因此要合理设计前置液和水泥浆的用量。7、顶替液和钻井液的密度差一般要求钻井液

49、、前置液、水泥浆的密度逐级增大(所谓正密度差)，因正密度差将对钻井液产生浮力作用，有利于顶替。但对冲洗液可以例外，因冲洗液所起的主要是稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作用。2.2顶替类型2.2.1轴向流顶替轴向流顶替可以分为三类：紊流顶替、塞流顶替、层流顶替紊流顶替理论该理论认为，当流体达到紊流，流体流速剖面分布平缓，这样有利于顶替液对被顶替液的轴向均匀顶替，而不发生顶替液的舌进现象。该顶替方式曾一度被认为是最有效的顶替。因此，设计者往往首先按紊流顶替进行设计；但水泥浆因其粘度大，形成紊流时的压降大，这往往受到地层承压能力和机泵能力的限制，且紊流边界层流速很低，驱动能力也弱；尤其对于不规则井眼，

50、往往在局部形成回流，造成泥浆滞留，造成第二界面水泥胶结质量差。塞流顶替理论塞流顶替理论认为，塞流运动的其中一大特点是流体流速剖面非常平缓，顶替液与被顶替液都进行塞流状流动时，二者间不发生相互掺混，有利于提高顶替效率。这项技术多用于井壁疏松地层和井下压力安全窗口窄的封固段固井。但因顶替液往往受其流变性能的可调性限制，要形成宽流核、高流速的塞流顶替难度很大。而低速塞流顶替往往造成驱动力弱，尤其是对边壁的高粘附的泥浆、虚泥饼更是无能为力；小流核、高流速的塞流顶替往往造成顶替液的舌进，不利于顶替。层流顶替理论层流顶替技术因其易造成顶替液发生舌进现象，使顶替液与被顶替液之间发生相互掺混。为了克服这一缺点

51、，理论界提出使用有效层流顶替技术。所谓有效层流顶替是指，利用顶替液与被顶替液的流变性差异和密度级差，使顶替液与被顶替液之间互不掺混，从而形成均匀顶替。这种顶替理论逐渐被更多的设计者和作业者接受和采用。但是要达到有效层流顶替，必须套管居中度高，而且同样存在一维顶替的缺点，即边壁的高粘附泥浆及虚泥饼清除效果差，对于变径、不规则井眼造成的回流也是无能为力。2.2.2螺旋流顶替理论顶替液的螺旋流动，其周向流动给井壁增加周向剪切驱动力，易于携带近井壁的泥浆和冲刷井壁上的泥饼，特别在变径处，以及对因套管偏心造成的窄边的泥浆顶替，这种效果将会更加明显；结合轴向流的轴向驱替，形成周向流携带与冲刷和轴向流的轴向

52、驱替联动作用，这样可大大提高顶替效率。因它增加了液流对井壁的接触面积，从而有利于在较低流速下有效清除钻屑和泥浆。螺旋流为实现对泥浆的完全顶替提供了理论依据和实现的可能。固井领域使用螺旋流顶替技术，最早是通过顶替过程中旋转套管来实现的。但往往因旋转扭矩较大，转速不能太快，这往往导致效果不理想；而若加大旋转速度，则作业风险加大。尤其是大斜度井，水平井固井，扶正器扶正能力差，造成旋转套管难度大，这一技术更是受到限制。3提高顶替效率的钻井液性能要求的计算模型3.1塞流顶替时模型的推导验证根据邓建民有关固井钻井液零滞留临界静切力计算方法中的结论：当水泥浆以塞流流态顶替钻井液时，不发生钻井液滞留的条件为1

53、4： (3-1)但其文中并未给出该式的推导过程。为证明所选方法的可行性，现建立力学模型并做以下推导以证明该结论。考虑套管居中时临界静切力的推导，首先做如下假设：（1）直井；（2）套管在井眼内居中（3）顶替液与被顶替液均属于宾汉流体；（4）塞流；（5）壁面无滑移；（6）垂直于轴向的同一横截面上各点压力相同；（7）顶替液与被顶替液之间没有化学作用。以下进行水泥浆与钻井液的受力分析。其受力情况如图31所示。分析水泥浆的受力情况：向上的力有：向下的力有： 根据力的平衡有： （3-2） （3-3） （3-4） 分析钻井液的受力情况： 向上的力有： 向下的力有： 根据力的平衡有： （3-5） （3-6）

54、由式（3-6）可知：只有当方程左边大于右边，钻井液才不会发生滞留。即： （3-7）将式（3-4）代入式（3-7）得： （3-8）经整理得： （3-9）假设式（3-9）为一方程，故可对其求导（对求），所得结果如下：一阶导数：二阶导数： 易知： 所以方程曲线凹向上，存在极小值。令可求出，当最小时的即：可得： 所以： 即：式中：o为水泥浆动切力，Pa；m为钻井液静切力，Pa；R为井眼半径，m；L 为轴向微元长度，m； Ps 为轴向微元长度上水泥浆流动压降，Pa；为突进水泥浆周向夹角，弧度；R为井眼半径，m；r为套管外半径，m；s为水泥浆密度，kg/m3；m为钻井液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。由此可见，所推导的结果与参考文献的