泡沫水泥在环空几何结构中的驱替效率建模与性能评估：基于CFD的多相流模拟研究

针对泡沫水泥在井筒环空多相驱替过程中的复杂流动问题，巴西研究团队通过OpenFOAM构建3D-CFD模型，首次实现了压缩性非牛顿流体在偏心环空中的多相流模拟。研究发现泡沫水泥较传统轻质水泥具有更优的驱替效率（TDE/WDE）和工况适应性，为深水钻井的井筒完整性提供了量化设计依据。

　　

在深水油气开采领域，井筒完整性犹如"生命线"，而水泥环封固质量直接决定油气井寿命。传统轻质水泥虽能应对低压地层，但存在密度-强度难以兼顾、驱替效率低的痛点。泡沫水泥通过氮气发泡实现超低密度（可低于1.0 g/cm³），却面临压缩性流体在环空中复杂流动行为的认知空白——现有模型无法准确预测其在偏心井眼、变径环空等复杂工况下的多相驱替过程，导致现场作业依赖经验判断，严重影响深水长封固段等关键工况的施工质量。

针对这一技术瓶颈，里约热内卢天主教大学与巴西国家石油公司的联合团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表突破性研究。研究人员创新性地采用开源OpenFOAM工具箱，开发了首个能同时处理压缩性、非牛顿特性和多相界面的3D-CFD模型。该模型通过VoF（Volume-of-Fluid）方法捕捉流体界面，耦合Herschel-Bulkley本构方程描述泡沫水泥的流变特性，并引入压力-密度实时耦合算法，成功实现了从垂直井到水平井的全方位环空驱替模拟。

关键技术方法包括：1）基于OpenFOAM定制开发压缩性非牛顿流体求解器；2）采用VoF多相流界面捕捉技术；3）整合四种泡沫流变模型（包括Guillot-Le Bastard修正模型）；4）通过网格敏感性分析确定最优计算参数；5）采用实际井眼几何参数（直径6-5/8"至9-7/8"套管）进行全尺寸模拟。

Displacement modeling of foamed cement
研究团队首先建立了泡沫水泥的压缩性流变模型，发现压力每增加10 MPa会导致泡沫质量（Foam Quality）下降15-20%，进而显著影响表观粘度。通过对比Garcia模型与Hanachi模型的预测差异，提出应考虑剪切历史效应的改进本构方程。

Simulations
在参数化研究中，模拟了密度差（0.2-0.8 g/cm³）、流变指数（n=0.3-1.2）、偏心度（0-80%）等18种工况组合。特别发现当环空偏心度>60%时，窄侧滞留钻井液体积可达宽侧的3倍，但泡沫水泥因压缩性产生的自调节效应能减少30%的滞留量。

Results from the foamed cement displacement simulations
关键数据表明：在水平井段，泡沫水泥的加权驱替效率（WDE）比常规水泥高22%；在深水场景（30 MPa静压）下，其总驱替效率（TDE）仍保持85%以上，而轻质水泥组下降至68%。流变模型对比显示，采用Guillot-Le Bastard修正模型预测的泵压误差<7%，优于传统幂律模型。

Final remarks
该研究首次量化证明了泡沫水泥在复杂环空中的性能优势：1）压缩性产生的"自适应性流动"可补偿偏心环空的不利影响；2）剪切稀化特性有助于维持临界流速下的湍流状态；3）密度可调范围（0.6-1.8 g/cm³）显著降低压裂风险。作者团队特别指出，该模型已成功应用于巴西Libra油田的深水作业设计，使长封固段（2000m以上）的一次封固合格率提升40%。

这项研究突破了传统水泥驱替模拟的不可压缩流体假设，为泡沫水泥的工程应用提供了科学设计工具。其创新性在于：首次建立压缩性非牛顿流体在三维环空中的多相流控制方程，开发了可集成多种流变模型的开源求解框架。未来可通过耦合温度场和化学反应模型，进一步模拟水泥水化过程对流动特性的影响。研究结果对深水钻井、页岩气井固井等极限工况具有重要指导价值，相关方法学也可拓展至地热井封固、CO₂封存等领域。