固井是油气井工程的一个重要环节,它保证了油气井的寿命,并提高油气生产效率。固井水泥是用来封隔地层和支撑套管的主要材料,与水混合后,发生多相化学反应,释放热量,不仅影响水泥浆的性能,更对水泥浆固井过程以及固井后期的质量产生重要的影响。掌握和遵循水泥浆真实的水化规律和流变特性是保证固井质量的前提。因此通过理论和实验相结合的方法,揭示实际条件下水泥水化机理,研究掌握其水化规律,把握其流变特性规律,优化固井注水泥设计已成为油气井工程领域十分重要的研究课题。以化学反应动力学和热力学理论为基础,描述了固井水泥动力学特征,阐明了其各个反应阶段的水化机理,提出了将水泥水化热的研究简化为其水化过程中水化温升的研究,通过对固井水泥水化过程中水化温升进行实时监测,便可直观和形象地描述水泥水化放热规律,掌握其水化规律,为固井水泥水化规律的研究提供了可行的研究方法。利用水泥浆自动测温系统,实验研究了固井水泥水化规律,分析了水化温升与水化时间的关系,提出了多因素影响下的水化模型结构,考虑环境温度、水灰比和水化时间因素,建立了符合实际条件的固井水泥水化模型,从而掌握了固井水泥真实的水化规律;同时研究了外加剂、外掺料、混配方式等因素影响下的水化规律,以修正水化模型、辅助优化固井注水泥浆的设计。固井水泥水化规律的实验结果表明,环境温度对水化温升影响明显,随着温度的升高,水泥浆放热加快,单位时间内放热量增大,水化温升峰值增高。低温下的水化温升变化比较明显;随着温度继续升高,掩盖了水泥水化后期的放热过程,缩短了水化进程,水泥浆体系的差异性变小。水灰比的增大,使水泥水化放热速率变缓,水化温升峰值有明显下降的趋势。外加剂的掺入改变了水泥浆体的性能,影响固井水泥的水化,分散剂和降失水剂能够促进水泥的早期水化,延缓后期水化;缓凝剂的掺量能引起明显的水化温升变化,随着缓凝剂掺量的增加,诱导期延长,温升峰值降低。氯化钙的掺入加快了水化进程,对水化温升的影响随掺量的增加而变大。矿渣和粉煤灰都能降低水化温升,并推迟温升峰值出现的时间,但矿渣对于温升降低的程度不如粉煤灰明显。实验研究了固井水泥浆流变特性规律,提出了多因素影响下的流变模型结构,综合考虑温度、水灰比和水泥水化的影响,建立了真实条件下的固井水泥浆流变模型和流变参数模型;同时研究了外加剂、外掺料、混配方式等因素影响下的水泥浆流变特性规律,以辅助优化固井注水泥浆设计,为水泥浆流变性以及固井环空顶替过程的预测提供了更可靠的理论依据。固井水泥流变特性规律实验结果表明,对于不同的水泥浆体系,温度对流变性的影响具有明显的区间性变化规律,但不同体系的趋势转变温度点不同;在低温条件下,流变参数随温度变化较小;高温条件下,流变参数随温度变化较大,水泥浆的流变性急剧变差。水灰比对水泥浆流变性的影响显著,增大水灰比,水泥浆流变性能得到改善。随着水泥水化的进行,剪切应力不断增大,浆体的表观粘度增大,流变性逐渐变差。分散剂、降失水剂和缓凝剂不同程度的改变着水泥浆流变性,随着分散剂掺量的增加,低温下流变参数变化较小,高温下可改善浆体的流变性;柠檬酸的缓凝作用基本不受温度的影响,有利于改善水泥浆的流变性;加入降失水剂和促凝剂后会使流变性变差。在较高的温度下,加入矿渣和粉煤灰有利于改善水泥浆的流变性。水泥颗粒度对水泥浆的流变性存在较明显的影响。利用建立的流变模型对水泥浆顶替进行了数值模拟研究,结果表明,顶替流态和偏心度对顶替效率和界面稳定性影响较大;塞流和紊流比层流更有利于提高顶替效率,合理选择流变参数,可获得较好的顶替效率,静切力的影响较小;偏心度越大,顶替效率越低,界面越不稳定。在保证较高的顶替效率和顶替质量的情况下,应尽可能选择低速紊流。基于相关研究,开发了固井顶替模拟软件,实现了建模计算、数据结果的分析处理和顶替过程实时动态显示的多项功能为一体,可更真实地反映实际水泥浆固井顶替的状态,从而为现场固井设计和施工的安全、优质提供了预先评价的手段。