固井前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法
——改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法

辜 濤 鄭有成 鄭友志 李 維 趙 軍 王 銳 舒秋貴

1.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3.中國(guó)石油西南油氣田公司 4.國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心 5.西華師范大學(xué)

0 引言

優(yōu)良的固井質(zhì)量是確保井工程質(zhì)量的基礎(chǔ)，除了采用振動(dòng)固井、精細(xì)控壓壓力平衡法固井等工藝來(lái)保障固井質(zhì)量外[1-3]，還需要在水泥漿與鉆井液之間注入一段前置液，以達(dá)到?jīng)_洗井壁和套管壁、隔離水泥漿與鉆井液、防止接觸污染等目的[4-6]。因此，沖洗效率是評(píng)價(jià)前置液性能的關(guān)鍵指標(biāo)，是前置液評(píng)價(jià)優(yōu)選、用量和排量設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，對(duì)固井界面膠結(jié)質(zhì)量和層間有效封隔有著重要的影響[7-12]。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一的固井前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法、濾餅稱(chēng)重法、模擬井筒沖洗裝置是較普遍使用的前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法。王翀等[13]將常規(guī)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒改為外筒側(cè)面及底部不開(kāi)口的轉(zhuǎn)筒，以消除轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁吸附液體的影響。唐世忠等[14]借鑒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法，利用人造巖心或鋼柱來(lái)模擬靜態(tài)下的井壁和套管，建立了一種基于剪切速率相等原理的固井沖洗液評(píng)價(jià)裝置及方法。吳村章等[15]通過(guò)將高溫高壓濾失儀制得的鉆井液濾餅固定在六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒上進(jìn)行沖刷，通過(guò)評(píng)價(jià)沖洗前后濾餅變化，建立了前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法。齊奔等[16]以磨砂外筒模擬井壁，沖洗液杯模擬套管，加熱套模擬井下溫度建立了一種沖洗液沖洗效率評(píng)價(jià)方法。李韶利等[17]、由福昌等[18]利用陶瓷濾管、砂巖滲透性材料模擬井壁，通過(guò)對(duì)壓制形成鉆井液濾餅后的模擬井壁沖洗，建立了模擬井筒的沖洗液沖洗效率評(píng)價(jià)裝置。

上述方法中，濾餅稱(chēng)重法和模擬井筒沖洗裝置因存在著裝置和操作復(fù)雜、裝備個(gè)性化強(qiáng)、操作方法難以統(tǒng)一等問(wèn)題而未能廣泛應(yīng)用；而旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法則因具有設(shè)備易得、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外所廣泛采用，目前已成為一些油氣田評(píng)價(jià)前置液沖洗效率的標(biāo)準(zhǔn)方法[19-23]。然而，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法也存在著評(píng)價(jià)結(jié)果誤差大、重復(fù)性差等不足，難以準(zhǔn)確、定量地反映前置液沖洗效率，不能有效指導(dǎo)前置液評(píng)價(jià)優(yōu)選和工藝參數(shù)優(yōu)化。為此，筆者在分析傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法誤差來(lái)源的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出了改進(jìn)措施并實(shí)驗(yàn)分析了改進(jìn)措施的有效性和適用性，利用改進(jìn)后的評(píng)價(jià)方法對(duì)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)Y 井區(qū)頁(yè)巖氣水平井固井前置液洗油劑類(lèi)型進(jìn)行了優(yōu)選，對(duì)前置液沖洗時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)前置液沖洗效率，可以為前置液優(yōu)選和應(yīng)用工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 改進(jìn)措施研究

1.1 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法誤差主要來(lái)源

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法的主要技術(shù)原理是用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的轉(zhuǎn)筒模擬套管，使其表面吸附一層鉆井液后，再放入前置液中并在模擬一定轉(zhuǎn)速下沖洗一定時(shí)間，模擬前置液在環(huán)空流動(dòng)沖洗狀態(tài)，最后通過(guò)沖洗前后吸附鉆井液的質(zhì)量變化來(lái)評(píng)價(jià)前置液沖洗效率。該方法的主要步驟為：①將黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒洗凈干燥后稱(chēng)重；②將稱(chēng)重后的轉(zhuǎn)筒在鉆井液中浸泡20 min，靜滴至不再滴鉆井液后稱(chēng)重；③將轉(zhuǎn)筒安裝到六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上，用配好的前置液分別以200 r/min 或300 r/min 清洗5～10 min；④如果前置液為沖洗液，可以在沖洗后直接取走漿杯，等到不再滴落液體后將轉(zhuǎn)筒取下稱(chēng)重，如果前置液為加重隔離液，則需要先用清水以6 r/min 的速度將轉(zhuǎn)筒上殘留的隔離液清洗掉，等到不再滴落液體后將其取下稱(chēng)重；⑤最后按照式（1）計(jì)算沖洗效率。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)筒外徑為4.07 cm，周長(zhǎng)為12.78 cm，即轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的距離為12.78 cm。在200 r/min 和300 r/min轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的距離為25.56 m/min 和38.34 m/min，即0.43 m/s 和0.64 m/s。

式中η表示沖洗效率；W1表示干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；W2表示吸附鉆井液后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；W3表示沖洗后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g。

從式（1）可知，要準(zhǔn)確獲得沖洗效率就必須準(zhǔn)確獲得沖洗后殘留在轉(zhuǎn)筒上的鉆井液質(zhì)量。然而在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，由于存在轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)、殘留鉆井液質(zhì)量確定方法兩方面主要原因，使得沖洗后殘留在轉(zhuǎn)筒上的鉆井液質(zhì)量無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定。首先，標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒為貫通結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)筒浸泡入鉆井液時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)外壁會(huì)同時(shí)吸附上鉆井液，但在沖洗時(shí)由于轉(zhuǎn)筒內(nèi)部有定子且空間狹小，使得內(nèi)壁不能被有效沖洗（圖1）。

當(dāng)前置液為加重隔離液時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁鉆井液非但不能被沖洗，還會(huì)在原來(lái)鉆井液上再黏附上一層隔離液（圖2），這就使得在目測(cè)轉(zhuǎn)筒外壁被沖洗較干凈的情況下，計(jì)算得到的沖洗效率卻很低，偏離了實(shí)際情況，無(wú)法對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果量化對(duì)比。

圖1 沖洗前后旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒照片

圖2 隔離液+清水沖洗后旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒外壁與內(nèi)壁照片

其次，殘留鉆井液質(zhì)量是通過(guò)測(cè)試沖洗液或清水清洗后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量與干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量的差值確定的，而用沖洗液沖洗或先用隔離液沖洗再用清水清洗后，轉(zhuǎn)筒上會(huì)黏附一層沖洗液或清水，造成測(cè)得的殘留鉆井液質(zhì)量高于實(shí)際值，對(duì)殘留鉆井液質(zhì)量測(cè)量結(jié)果有較大影響。因此，要提高旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法的測(cè)試準(zhǔn)確度就需要解決上述2 個(gè)方面的問(wèn)題。

1.2 針對(duì)誤差來(lái)源的改進(jìn)措施

針對(duì)常規(guī)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁不能被有效沖洗問(wèn)題，將原來(lái)兩端開(kāi)口轉(zhuǎn)筒改為封端轉(zhuǎn)筒，螺紋扣型、外徑和高度與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)筒相同[16]。這樣就可以避免轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁無(wú)法被有效沖洗以及吸附隔離液帶來(lái)的誤差。在改進(jìn)沖洗后轉(zhuǎn)筒表面殘留鉆井液質(zhì)量確定方法方面，根據(jù)鉆井液固含量一定的原理，將沖洗液或清水沖洗后的轉(zhuǎn)筒放入烘箱烘干后，扣除干凈轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，得到殘留鉆井液所含的固體質(zhì)量。再根據(jù)鉆井液固含量，就能計(jì)算得到殘留的鉆井液質(zhì)量，從而消除了吸附的沖洗液或清水對(duì)殘留鉆井液質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的影響。

基于上述改進(jìn)措施，改進(jìn)后的評(píng)價(jià)步驟為：①稱(chēng)取一定質(zhì)量攪拌均勻后的鉆井液置于已稱(chēng)重的燒杯中，然后放入烘箱并在90 ℃條件下烘干至恒重，計(jì)算出燒杯中固體質(zhì)量，進(jìn)而得到鉆井液的固含量；②稱(chēng)取改進(jìn)后的干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，然后將其浸入攪拌均勻的鉆井液中20 min 后取出靜滴3 min，稱(chēng)取吸附鉆井液后的轉(zhuǎn)筒質(zhì)量；③將吸附鉆井液后的轉(zhuǎn)筒安裝到六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上，浸沒(méi)在前置液中以200 r/min 或300 r/min 轉(zhuǎn)速?zèng)_洗一定時(shí)間。對(duì)于固井時(shí)環(huán)空返速小于1 m/s 的情況優(yōu)先選擇200 r/min 轉(zhuǎn)速，反之優(yōu)先選擇300 r/min 轉(zhuǎn)速；④如果前置液為沖洗液，可以在沖洗完后直接取走漿杯，等到不再滴落液體后將轉(zhuǎn)筒放入烘箱中，在90 ℃條件下烘干至恒重后稱(chēng)重。如果前置液為加重隔離液，則需要先用清水以6 r/min 的速度將轉(zhuǎn)筒上殘留的隔離液清洗掉，靜滴3 min 后放入烘箱中，在90 ℃條件下烘干至恒重后稱(chēng)重。

根據(jù)鉆井液固含量ω，可以得出沖洗后殘留在轉(zhuǎn)筒上的鉆井液質(zhì)量為：

則可以沖洗掉的鉆井液質(zhì)量計(jì)算沖洗效率η，如式（3）所示。

進(jìn)一步簡(jiǎn)化式（3），得

式中M3表示烘干后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；M1表示干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；M2表示吸附鉆井液后的轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；ω表示鉆井液固含量。

2 改進(jìn)措施有效性與適用性實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

主要材料：柴油基鉆井液（取自川南某頁(yè)巖氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)，密度2.00 g/cm3，固含量為ωOBM=32.15%）、水基聚磺鉆井液（取自川西地區(qū)某超深井鉆井現(xiàn)場(chǎng)，密度1.92 g/cm3，固含量為ωWBM=29.38%）；前置液懸浮劑XFJ（來(lái)自成都安諾鈕斯公司）；洗油劑XYJ（取自固井現(xiàn)場(chǎng)代號(hào)為A、B 和C 的3 種類(lèi)型）；消泡劑XPJ（來(lái)自成都科龍?jiān)噭┕荆?；重晶石ZJS（來(lái)自峨眉山市雍久超細(xì)材料技術(shù)有限公司）；自來(lái)水。針對(duì)兩種不同類(lèi)型鉆井液分別設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型前置液，如表1 所示。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（ZNN-D6B，上海榮計(jì)達(dá)儀器科技有限公司），精密電子天平（ME2002E，梅特勒—托利多有限公司），鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9140A，常州兆圣實(shí)驗(yàn)設(shè)備制造有限公司）。

表1 前置液配方表

2.2 改進(jìn)措施有效性分析

分別采用改進(jìn)評(píng)價(jià)方法和傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，對(duì)比測(cè)試了4 種條件下的沖洗效率。每種條件下均平行測(cè)試3 次，通過(guò)結(jié)果的重復(fù)性來(lái)評(píng)價(jià)改進(jìn)措施的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法和改進(jìn)評(píng)價(jià)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果表

從表2 可以看出，在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，改進(jìn)評(píng)價(jià)方法測(cè)試結(jié)果的平均值均遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法結(jié)果，而改進(jìn)評(píng)價(jià)方法測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法測(cè)試結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值在3%以?xún)?nèi)，表明改進(jìn)評(píng)價(jià)方法結(jié)果具有較好的一致性。測(cè)試結(jié)果相差最大的為第1 組，改進(jìn)評(píng)價(jià)方法結(jié)果比傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法結(jié)果高出72.4%，而其標(biāo)準(zhǔn)偏差只有1.4%，要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法的13.1%。原因在于轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)改變后，消除了如圖2 中所示的傳統(tǒng)方法中轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁不能被有效沖洗以及附著的前置液導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小的影響。

2.3 改進(jìn)措施適用性分析

為驗(yàn)證改進(jìn)措施的適用性，考察了如表3 所示的不同沖洗條件對(duì)沖洗效率的影響，如圖3 所示。由圖3 可知：①在不同前置液類(lèi)型條件下，對(duì)于柴油基鉆井液，洗油型加重隔離液兼具表面活性劑的洗滌作用同時(shí)所含重晶石顆粒能夠?qū)︺@井液起到?jīng)_擊剝離作用，因而具有最高的沖洗效果。普通加重隔離液的沖洗效率高于洗油型沖洗液說(shuō)明重晶石顆粒的沖擊剝離作用要大于表面活性劑的洗滌作用。②在不同沖洗轉(zhuǎn)速條件下，300 r/min 的沖洗效果要高于200 r/min，這是由于前置液的相對(duì)流速越大，形成的壁面剪切應(yīng)力越大。③在不同沖洗時(shí)間條件下，10 min 沖洗效率比5 min 沖洗效率增加了14.5%，但15 min 沖洗效率只比10 min 沖洗效率增加了3.5%，表明固井作業(yè)時(shí)的前置液沖洗時(shí)間需要設(shè)計(jì)在合理范圍，如果沖洗時(shí)間過(guò)短則不能有效沖洗兩個(gè)膠結(jié)面，影響固井質(zhì)量，過(guò)長(zhǎng)則會(huì)提高前置液用量，增加成本。④在不同洗油劑類(lèi)型條件下，采用B 型洗油劑能夠獲得較高的沖洗效率。

通過(guò)以上分析可以看出，由于改進(jìn)方法評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性提高，不同條件下得到的沖洗效率結(jié)果具有對(duì)比性，能夠?yàn)榍爸靡盒阅茉u(píng)價(jià)和相關(guān)應(yīng)用工藝參數(shù)提供參考。

表3 不同沖洗實(shí)驗(yàn)條件表

圖3 不同沖洗條件對(duì)沖洗效率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3 改進(jìn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

利用改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法對(duì)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)Y 井區(qū)頁(yè)巖氣水平井固井前置液洗油劑類(lèi)型進(jìn)行了優(yōu)選，對(duì)前置液用量進(jìn)行了優(yōu)化。該區(qū)塊為三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)為?168.28 mm 井眼、下?127.00 mm 油層套管，具有裸眼水平段長(zhǎng)（平均1 400 m）、鉆井液密度高和黏切高、界面清洗困難等固井難點(diǎn)，對(duì)洗油型加重隔離液的沖洗性能提出了極高要求。

3.1 洗油劑類(lèi)型優(yōu)選

將示范區(qū)內(nèi)在用的S80、AN100、DR20L 等3種洗油劑配制成沖洗液，按沖洗時(shí)間8 min、沖洗轉(zhuǎn)速300 r/min，對(duì)密度2.10 g/cm3的高密度柴油基鉆井液進(jìn)行了沖洗效率對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示?？梢钥闯?，S80 洗油劑的沖洗效率相對(duì)最高，可作為首選的洗油劑。

表4 不同沖洗液沖洗效率對(duì)比表

3.2 洗油型加重隔離液沖洗時(shí)間優(yōu)化

前置液用量與沖洗時(shí)間密切相關(guān)，在設(shè)定沖洗時(shí)間后，結(jié)合施工井的環(huán)空返速和井筒環(huán)空體積，就可計(jì)算出固井時(shí)所需的前置液用量。將S80 洗油劑配制成密度2.13 g/cm3的洗油型加重隔離液，在沖洗轉(zhuǎn)速300 r/min 下，開(kāi)展了沖洗效率隨時(shí)間變化的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。可以看出，沖洗效率在最初隨沖洗時(shí)間增加而大幅提高，但在沖洗時(shí)間達(dá)到8 min 后就逐漸平穩(wěn)，獲得較高沖洗效率的最佳和最經(jīng)濟(jì)的沖洗時(shí)間為8～10 min。

圖4 S80 洗油型加重隔離液沖洗效率隨沖洗時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié)論與建議

1）將轉(zhuǎn)筒改進(jìn)為封端結(jié)構(gòu)避免轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁無(wú)法被有效沖洗的影響，以鉆井液固含量和清洗后鉆筒表面殘留固體質(zhì)量來(lái)確定殘留鉆井液質(zhì)量消除了殘留沖洗液或清水的影響。

2）改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的重復(fù)性，不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，能夠?yàn)榍爸靡盒阅茉u(píng)價(jià)優(yōu)選和應(yīng)用工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

3）可在改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究建立標(biāo)準(zhǔn)鉆井液、沖洗轉(zhuǎn)速、沖洗時(shí)間等，形成標(biāo)準(zhǔn)的前置液評(píng)價(jià)方法。