基于相场法的偏心环空注水泥顶替过程数值模拟.docx

基于相场法的偏心环空注水泥顶替过程数值模拟
基于相场法的偏心环空注水泥顶替过程数值模拟
摘要
近年来，随着油气勘探开发的深入，油井修井技术也不断得到了发展。偏心环空注水泥顶替作为一种常见的修井技术，广泛应用于油井固井过程。本研究基于相场法，对偏心环空注水泥顶替过程进行了数值模拟。结果表明，相场法能够有效地模拟偏心环空注水泥顶替过程中的水泥流动、沉积和硬化过程。通过对不同参数的敏感性分析，确定了最佳的操作参数，并对最佳参数进行了验证。本研究为偏心环空注水泥顶替工艺的优化提供了可靠的数值模拟方法。
关键词：偏心环空注水泥顶替；相场法；数值模拟；工艺优化
引言
油井固井是保障油气井开发利用的重要工艺。在固井过程中，水泥注入井筒起到了固定井筒、隔离井筒、保护井壁和改善采油条件的作用。然而，由于油井井筒具有复杂的地质结构和工况，常规的均质模型在描述固井过程中存在一定的局限性。因此，利用数值模拟方法对固井过程进行研究具有重要意义。
偏心环空注水泥顶替是一种常见的油井修井技术。其基本原理是通过改变注水泥的注入位置，实现对井筒内不同层位的修井。由于注水泥过程中存在着水泥的流动、沉积和硬化等多个物理过程，因此对其进行数值模拟是一种有效的研究方法。
相场法是一种基于能量变分原理的数值模拟方法，已广泛应用于流固耦合问题的研究中。其原理是将系统的状态用一个相场变量描述，并通过求解相场方程得到系统的演化过程。在油井固井过程中，相场法可以有效地模拟水泥的流动、沉积和硬化过程。
本研究基于相场法，对偏心环空注水泥顶替过程进行了数值模拟。首先，建立了偏心环空注水泥顶替的数学模型。然后，采用有限元方法离散化相场方程，并通过迭代求解得到相场的演化过程。最后，通过敏感性分析和参数优化确定最佳的操作参数，并对最佳参数进行验证。
方法
1.偏心环空注水泥顶替数学模型
偏心环空注水泥顶替过程包括三个阶段：注水泥阶段、沉积阶段和硬化阶段。在注水泥阶段，水泥从井底注入井筒，随着注入位置的改变，泥浆在井筒内逐渐沉积。在沉积阶段，水泥沉积在井壁上形成固体层。在硬化阶段，水泥固化形成坚硬的固井层。
2.相场法模型
假设井筒内的水泥流动过程可以用两相流动描述，即固相（水泥）和流体相（泥浆）。将两相的状态用相场变量描述，其中相场变量φ表示固体和流体的分布情况。相场方程可以写作：
(1)∂φ/∂t=∇·(M∇φ)-εf(φ),
(2)G(φ)=εw(φ)(1-φ)-ε(1-φ),
其中M是迁移系数，εf(φ)和εw(φ)分别是液相和固相的体积分数，G(φ)表示能量函数。通过求解方程(1)和(2)，可以得到水泥的流动、沉积和硬化过程。
结果与讨论
通过对偏心环空注水泥顶替过程进行相场法数值模拟，得到了水泥的流动、沉积和硬化过程。根据模拟结果，确定了最佳的操作参数，包括注入位置、注入速度和固化时间等。通过对最佳参数进行验证，发现相场法模拟结果与实际情况相吻合，验证了模型的准确性。
结论
本研究基于相场法，对偏心环空注水泥顶替过程进行了数值模拟。结果表明，相场法能够有效地模拟水泥的流动、沉积和硬化过程。通过敏感性分析和参数优化，确定了最佳的操作参数，并对最佳参数进行了验证。相场法为偏心环空注水泥顶替工艺的优化提供了可靠的数值模拟方法。
参考文献：
[1]李明.油井固井技术[M].北京:石油工业出版社,2010.
[2]LiQ,HuangY,GongP,etal.Numericalsimulationofeccentricannuluscementationbasedonphasefieldmethod[J].JournalofPetroleumScienceandEngineering,2018,169:173-183.
[3]ZengZ,LiuF,WuX,etal.ModelingofFluid-structureInteractionforCementingprocessesbyPhase-fieldMethod[C]//SPE/IADCMiddleEastDrillingTechnologyConferenceandExhibition.SocietyofPetroleumEngineers,2019:1-12.