【摘要】：水平封固段的固井頂替效果是影響水平井固井質(zhì)量的關(guān)鍵問題,套管居中度與水泥漿流變性是影響水平段固井頂替效果的重要參數(shù)。基于國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心天河一號(hào)大規(guī)模集群計(jì)算平臺(tái),采用Fluent軟件對(duì)300 m長(zhǎng)水平段偏心環(huán)空進(jìn)行1 000 s的固井頂替數(shù)值模擬,研究水泥漿流變性對(duì)固井頂替界面的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:在低居中度(居中度≤50.0%)條件下,水泥漿流性指數(shù)n對(duì)頂替的影響可以忽略;在中等居中度(50.0%居中度85.0%)條件下,提高水泥漿n值可以大幅改善環(huán)空寬邊隔離液滯留,降低水泥漿n值可以改善環(huán)空窄邊隔離液滯留,設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮水泥漿n值;在高居中度(85.0%≤居中度100%)與理想居中度(居中度100%)條件下,設(shè)計(jì)水泥漿n值時(shí)要避免出現(xiàn)其值過小的情況,從而避免在環(huán)空出現(xiàn)水泥漿分層竄流現(xiàn)象。研究結(jié)果對(duì)固井頂替施工設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。
【圖文】：

中心天河一號(hào)大規(guī)模集群計(jì)算平臺(tái)，采用Fluent軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，開展水平井偏心環(huán)空固井頂替數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。1.1水平段環(huán)空流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格模型Gridmodelforcalculatingtheflowfieldinannulusofhorizontalsection水平井井筒直徑為215.9mm，考慮8%井徑擴(kuò)大率，直徑取233mm；套管外徑取139.7mm，水平段環(huán)空長(zhǎng)度為300m。水平井由于套管不居中，無法使用軸對(duì)稱條件，但可以采用左右對(duì)稱邊界條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)扶正器使用情況，居中度設(shè)置為30%、50%、66.7%、85%、100%，建立5個(gè)不同居中度的水平段偏心環(huán)空流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格模型。圖1為300m水平段偏心環(huán)空流場(chǎng)一段長(zhǎng)度幾何模型。因?yàn)椴捎米笥覍?duì)稱條件，所以取環(huán)空的一半進(jìn)行計(jì)算。圖1水平段環(huán)空幾何模型Fig.1Geometricmodelofannulusinhorizontalsection采用數(shù)值模擬方法，需要把連續(xù)解析的空間離散為一組有限個(gè)離散的點(diǎn)。不考慮扶正器與井眼的不規(guī)則性，可以采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來布置流場(chǎng)空間離散點(diǎn)。300m環(huán)空模型網(wǎng)格數(shù)量為600萬網(wǎng)格點(diǎn)，進(jìn)行1000s的固井頂替計(jì)算。另外為了更好地捕捉頂替界面，采用了網(wǎng)格局部加密技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。圖2為300m水平段局部長(zhǎng)度偏心環(huán)空網(wǎng)格分布圖。圖中截面分別為寬邊截面、窄邊截面、套管外壁面，也就是環(huán)空的內(nèi)壁面。壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。圖2水平段環(huán)空網(wǎng)格模型Fig.2Gridmodelofannulusinhorizontalsection1.2水平段環(huán)空固井頂替流體力學(xué)模型Fluidmechanicsmodelofcementingdisplace-mentinannulusofhorizontalsection水平井固井頂替過程中，無論是水泥漿頂替隔離液還是隔離液頂替鉆井液，都屬于長(zhǎng)距離環(huán)空間隙中的液、液兩相流動(dòng)過程，，滿足流體力學(xué)基本方程組�？紤]到固井頂替流體的黏度等水力參數(shù)，環(huán)空流態(tài)一般為非牛頓流體層流流動(dòng)。流體力?

5%、100%，建立5個(gè)不同居中度的水平段偏心環(huán)空流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格模型。圖1為300m水平段偏心環(huán)空流場(chǎng)一段長(zhǎng)度幾何模型。因?yàn)椴捎米笥覍?duì)稱條件，所以取環(huán)空的一半進(jìn)行計(jì)算。圖1水平段環(huán)空幾何模型Fig.1Geometricmodelofannulusinhorizontalsection采用數(shù)值模擬方法，需要把連續(xù)解析的空間離散為一組有限個(gè)離散的點(diǎn)。不考慮扶正器與井眼的不規(guī)則性，可以采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來布置流場(chǎng)空間離散點(diǎn)。300m環(huán)空模型網(wǎng)格數(shù)量為600萬網(wǎng)格點(diǎn)，進(jìn)行1000s的固井頂替計(jì)算。另外為了更好地捕捉頂替界面，采用了網(wǎng)格局部加密技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。圖2為300m水平段局部長(zhǎng)度偏心環(huán)空網(wǎng)格分布圖。圖中截面分別為寬邊截面、窄邊截面、套管外壁面，也就是環(huán)空的內(nèi)壁面。壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。圖2水平段環(huán)空網(wǎng)格模型Fig.2Gridmodelofannulusinhorizontalsection1.2水平段環(huán)空固井頂替流體力學(xué)模型Fluidmechanicsmodelofcementingdisplace-mentinannulusofhorizontalsection水平井固井頂替過程中，無論是水泥漿頂替隔離液還是隔離液頂替鉆井液，都屬于長(zhǎng)距離環(huán)空間隙中的液、液兩相流動(dòng)過程，滿足流體力學(xué)基本方程組。考慮到固井頂替流體的黏度等水力參數(shù)，環(huán)空流態(tài)一般為非牛頓流體層流流動(dòng)。流體力學(xué)基本方程組詳見參考文獻(xiàn)［1-2］。頂替界面采用組分模型進(jìn)行捕捉。水泥漿、隔離液采用冪律非牛頓流變模式。1.2.1頂替界面的組分方程采用物質(zhì)輸運(yùn)模型，byincreasing(decreasing)slurryn,soitisnecessarytotakeslurrynintoconsiderationcomprehensivelyduringthedesign.Inthecaseofhighcentralizeddegree(85.0%≤centralizeddegree＜100%)andidealcentralizeddegree(100%),itisnecessarytopreventslurrynfrombeingtoolowduringthedesign,soastoavoidslurryfro

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