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1、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,流体的特点与类型基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、基本概念,流体流动的特点,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、基本概念,流体流动的特点,1、基本概念,流体流动的
2、基本概念：剪切速率,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，则出现情况。,1、基本概念,流体流动的基本概念：剪切速率,剪切速率分布情况：沉砂池：1020 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、基本概念,流体流动的基本概念：剪切应力,V,F：反映流体内摩擦力的大小 V VF S F=SX 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：
3、单位：10达因/厘米2=1帕（Pa）=1000(mPa),1、基本概念,流体流动的基本概念：流变曲线,剪切应力,剪切速率,1、基本概念,流体流动的基本概念：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）=1000（mPa.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、基本概念,流体流动的基本概念：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、基本概念,流体流动的基本概念：流体分类非牛顿流体：
4、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、基本概念,流体流动的基本概念：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、基本概念,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
5、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M2、计算内筒处的剪切应力3、计算内筒处的剪切速率,2、流变测量,同轴旋转粘度计测量原理原理：C=.511(Pa),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,3、流变模式与流变参数计算,3、
6、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已知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
7、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00.8 或 ReRe
8、c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
9、,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,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=3202mH1=900mDe1=24.45cmDi1=22.44cmL=3200mDe2=17.78cmDi2=15.7cmH0=30mDw1=23cmDw2=24cm,H,I段,II段,H1,H0,井底破裂压力Pfo=68M
10、pa井底循环温度T=87钻井液 属宾汉流体0m=0.86Papm=0.04Pa.Sm=1.65g/cm3水泥浆密度1.85粘度计读数：300：59 200：43100：23 6：133：8,要求：设计紊流注水泥计算最终顶替泵压,举例,最终泵压：Pp=(Pha-Php)+(Pfp+Pfa)=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则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,
11、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,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,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,Hm,图3-8 按温度分段示意图,式中：BHC
12、T：井底循环温度；TTOC：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；Tm：第m 井段底部的循环温度；Hm：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：研究表明在小间隙中，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,
13、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；Dw,Dc 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），则 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 的确定。,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：
14、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。有关研究也表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表明，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，则有,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：Rec=3470-1470n,小间隙环空流态判别的标准为：Rec=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,用常规方法与修正后方法计算的雷诺数,、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：,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,
