油氣井固井多棱石英砂沖洗液的研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

何立成

（中石化勝利石油工程有限公司, 山東 東營 257000）

在油氣井固井作業(yè)中，有效清洗井壁與套管上的附著物、頂替環(huán)空中的鉆井液，是保證固井質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，應(yīng)用高效沖洗液是提高水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的主要措施。目前，國內(nèi)外常用的固井沖洗液可分為水基沖洗液和油基沖洗液2類[1-5]，主要有清水型沖洗液、乳化型沖洗液、黏性沖洗液、飽和鹽水沖洗液等，雖然基本滿足了油氣井固井要求，但存在沉降穩(wěn)定性比較差、對(duì)油基鉆井液或含油鉆井液的沖洗效率低、油膜沖洗效果不佳等缺點(diǎn)。近年來，頁巖油氣井的數(shù)量越來越多，且多應(yīng)用油基鉆井液鉆進(jìn)，應(yīng)用常規(guī)沖洗液進(jìn)行固井作業(yè)時(shí)，很難有效清洗井壁上的含油濾餅和套管壁附著的油膜，嚴(yán)重影響水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量，不但難以實(shí)現(xiàn)環(huán)空的有效封隔，出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象，而且無法滿足后期大型壓裂作業(yè)對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的要求，影響了壓裂增產(chǎn)效果，也增加了油氣井生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。因此，需要研制高效沖洗液，以提高固井質(zhì)量。目前，國內(nèi)外已研制出一些高效沖洗液[8-10]，但種類比較少，功能和用途比較單一，且適應(yīng)性差，很難滿足油基鉆井液條件下提高固井質(zhì)量的要求。為此，基于加強(qiáng)沖洗液物理沖刷作用的研究思路，優(yōu)選了有尖銳棱角、形狀不規(guī)則的多棱石英砂顆粒，并優(yōu)化了其加量、優(yōu)選了懸浮劑，配制了多棱石英砂沖洗液。該沖洗液在勝利油田4口井進(jìn)行了成功應(yīng)用，固井施工順利，固井質(zhì)量明顯提高。

1 多棱石英砂沖洗液配方優(yōu)選

沖洗液中加入不規(guī)則形狀的多棱石英砂后，將常規(guī)沖洗液中圓形石英砂與套管壁/井壁附著物的單點(diǎn)、面、滾動(dòng)摩擦接觸，改變?yōu)槎帱c(diǎn)、更大侵入深度、滑動(dòng)摩擦接觸。同時(shí)，流體中存在壓力和速度梯度、多棱石英砂顆粒相互碰撞等原因，可導(dǎo)致石英砂顆粒旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生升力效應(yīng)。這幾方面因素協(xié)同作用，增大了多棱石英砂沖洗液的作用力度，增強(qiáng)了對(duì)套管壁/井壁虛濾餅及其他附著物的沖刷效果，提高了井眼凈化程度及沖洗效率，有利于提高水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。

1.1 多棱石英砂的基本性能

石英石是一種堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，其主要礦物成分是SiO2，具有硬度高、耐熱、抗壓和不易腐蝕等特點(diǎn)。多棱石英砂是由石英石破碎分篩加工而成，石英石破碎后出現(xiàn)多種不規(guī)則顆粒，分篩就得到不同粒徑的石英砂，它呈不規(guī)則顆粒狀，有鋒利的棱角，顆粒邊緣呈棱狀，堆積空隙比較大。由多棱石英砂顆粒的電鏡掃描分析結(jié)果（見圖1）可知，多棱石英砂呈不規(guī)則多面體，邊角鋒利，有尖銳頂角。

圖1 石英砂顆粒電鏡掃描分析結(jié)果Fig.1 SEM analysis results of quartz sand particles

利用BT-9300LD激光粒度分布儀（濕法）對(duì)多棱石英砂進(jìn)行了粒度分布測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，多棱石英砂的粒度約60目，粒徑中值 37.49 μm，比表面積 194.5 m2/kg。

圖2 多棱石英砂粒度分析結(jié)果Fig.2 Grain size analysis of polygonal quartz sand

1.2 懸浮劑的優(yōu)選

懸浮劑主要用于防止沖洗液中的顆粒沉降、增加穩(wěn)定性，對(duì)于提高沖洗效率和固井質(zhì)量有重要作用。為此，優(yōu)選了 SYXF-1、KCM004、KCM006和SYJ-1等4種常用懸浮劑，按不同加量加入多棱石英砂沖洗液中，靜置3 h后觀察液體分層及石英砂的沉降情況，并測(cè)量漿體上部和下部的密度，結(jié)果見表1。由表1可知：加入懸浮劑SYXF-1和SYJ-1的沖洗液，上下明顯分層或石英砂基本全沉底，說明其無法滿足沖洗液的穩(wěn)定性要求；懸浮劑KCM006加量為0.4%～0.5%時(shí)沖洗液穩(wěn)定性較好，但加量為0.6%時(shí)漿體就成為膠凍狀，說明漿體穩(wěn)定性對(duì)加量太敏感，現(xiàn)場(chǎng)施工難以控制；隨著懸浮劑KCM004加量的增大，沖洗液上下密度差逐漸縮小，直至為0，說明沖洗液的懸浮能力不斷增強(qiáng)，能夠滿足沖洗液的穩(wěn)定性要求。因此，選用懸浮劑KCM004作為多棱石英砂沖洗液的懸浮劑。

表1 4種常用懸浮劑的懸浮能力測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of suspension capacity of four common suspending agents

1.3 多棱石英砂沖洗液配方優(yōu)選

以KCM004為懸浮劑，配制了5種密度的多棱石英砂沖洗液，并對(duì)其沉降穩(wěn)定性、游離液穩(wěn)定性和流動(dòng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1）沉降穩(wěn)定性試驗(yàn)。用常壓稠化儀將多棱石英砂沖洗液在室溫下養(yǎng)護(hù)20 min，倒入500 mL量筒內(nèi)，在室溫下靜置4 h，然后用注射器分別吸出頂部和底部170 mL的沖洗液，測(cè)量其密度，并計(jì)算密度差，以評(píng)價(jià)沖洗液的沉降穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2）游離液穩(wěn)定性試驗(yàn)。用常壓稠化儀將多棱石英砂沖洗液在室溫下養(yǎng)護(hù)20 min，倒入250 mL量筒內(nèi)，在室溫下靜置4 h，然后用注射器吸出量筒上部的游離液，并量取體積。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種配方多棱石英砂沖洗液的游離液均為0，表明該沖洗液具有良好的穩(wěn)定性。

3）流動(dòng)性試驗(yàn)。用常壓稠化儀將棱石英砂沖洗液在室溫下養(yǎng)護(hù)20 min，然后用馬氏漏斗測(cè)量沖洗液的漏斗黏度，以評(píng)價(jià)其流動(dòng)性。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知：5種配方下多棱石英砂沖洗液的上下密度差均不超過0.01 kg/L，而且游離液皆為0，表明其具有很好的沉降穩(wěn)定性；多棱石英砂沖洗液的密度能超過1.50 kg/L，可以滿足不同井況的固井要求，但隨著沖洗液密度提高，需增大懸浮劑加量，導(dǎo)致沖洗液的漏斗黏度不斷增大，從而流動(dòng)性變差，難以滿足湍流注入的施工要求。因此確定優(yōu)先應(yīng)用配方1—配方4的多棱石英砂沖洗液。

表2 不同配方多棱石英砂沖洗液的基本性能Table 2 Basic performance of polygonal quartz sand flushing fluid with different formulas

2 多棱石英砂沖洗液性能試驗(yàn)

2.1 沖洗效率試驗(yàn)

基于目前已有的沖洗效率試驗(yàn)方法[11-14]，對(duì)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行了改裝，采用底部封口的同尺寸轉(zhuǎn)筒代替不銹鋼轉(zhuǎn)筒，研制了新型沖洗效率評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)方法為：在室溫下稱取潔凈干燥轉(zhuǎn)筒質(zhì)量（W0），然后在鉆井液杯中倒入鉆井液至刻度線，調(diào)節(jié)托板高低使半封閉外筒浸在鉆井液中至警戒線，使外筒以600 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5 min后停止；調(diào)節(jié)托板讓外筒完全脫離鉆井液杯，靜置3 min，稱取外筒及其粘附鉆井液的質(zhì)量（W1）；將待測(cè)沖洗液倒入鉆井液杯中，使粘附鉆井液的外筒浸入沖洗液中至警戒線，使外筒以600 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5 min后停止；調(diào)節(jié)托板讓外筒完全脫離鉆井液杯，靜置3 min，稱取外筒及其粘附鉆井液的質(zhì)量（W2）；沖洗效率即為鉆井液損失質(zhì)量（W1-W2）與鉆井液質(zhì)量（W1-W0）的比值。

選取4口井實(shí)際使用的鉆井液，對(duì)多棱石英砂沖洗液的沖洗效率進(jìn)行測(cè)試，鉆井液基本性能見表3。按照表2中的配方1—配方3，分別以多棱石英砂、普通石英砂、重晶石配制出不同沖洗液，在室溫條件下進(jìn)行不同鉆井液的沖洗效率評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表4可知：無論是用于水基鉆井液還是油基鉆井液，與普通石英砂沖洗液及重晶石加重沖洗液相比，多棱石英砂沖洗液的沖洗效率均高10～30百分點(diǎn)；對(duì)于不同類型的鉆井液，多棱石英砂沖洗液的沖洗效率有差異，對(duì)水基聚合物鉆井液的沖洗效率最高，油基鉆井液次之，水基無固相鉆井液最低。

表3 4口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用鉆井液的基本性能Table 3 Basic on-site application performance of drilling fluid system in four wells

表4 不同沖洗液沖洗效率試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Flushing efficiency test results of different flushing fluid

2.2 相容性試驗(yàn)

將低密度防漏水泥漿、多棱石英砂沖洗液、鉆井液按不同比例進(jìn)行摻混，應(yīng)用常壓稠化儀在65 ℃溫度下進(jìn)行混合液稠化試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多棱石英砂沖洗液與鉆井液、低密度防漏水泥漿混合后的稠化曲線平滑、無稠度突變點(diǎn)，且沒有稠化時(shí)間縮短、稠度異常升高現(xiàn)象（見表5），表明三者具有良好的相容性，能夠滿足固井作業(yè)時(shí)安全注入的要求。

表5 多棱石英砂沖洗液與常用水泥漿、鉆井液的相容性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Compatibility test results of polygonal quartz sand flushing fluid with common cement slurry and drilling fluid

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，多棱石英砂沖洗液具有漿體穩(wěn)定性好、與水泥漿及鉆井液相容性好、沖洗效率高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)固井施工及提高固井質(zhì)量的需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，多棱石英砂沖洗液已在樂安油田4口油井（C13-x332井、C13-x112井、B17-x292井和Fyp1井，前3口井是定向井，F(xiàn)yp1井是水平井）的固井作業(yè)中進(jìn)行了應(yīng)用，均順利完成，未出現(xiàn)井下故障，固井質(zhì)量都得到了明顯提高。

C13區(qū)塊的C13-x332井和C13-x112井、B17區(qū)塊的B17-x292井均應(yīng)用水基鉆井液鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)井深1 500～2 500 m，采用二開井身結(jié)構(gòu)。3 口井固井作業(yè)中應(yīng)用了密度1.20 kg/L的多棱石英砂沖洗液，注入體積均為12 m3，固井施工一切正常，聲幅測(cè)井結(jié)果顯示（見表6），C13區(qū)塊2口井的固井質(zhì)量合格率96.0%、優(yōu)良率71.7%（該區(qū)塊應(yīng)用常規(guī)沖洗液的C13-x330井固井質(zhì)量合格率46.5%、優(yōu)良率為16.6%），B17-x292井的固井質(zhì)量合格率97.0%、優(yōu)良率89.6%（該區(qū)塊應(yīng)用常規(guī)沖洗液的B17-x037井固井質(zhì)量合格率86.0%、優(yōu)良率為56.6%），3口井的固井質(zhì)量均明顯提高。這說明多棱石英砂沖洗液能有效沖刷井壁，清除濾餅，隔離和減少鉆井液對(duì)于水泥漿的污染，從而提高第二界面固井質(zhì)量。

表6 多棱石英砂沖洗液在3口井中的應(yīng)用效果Table 6 Application effect of polygonal quartz sand flushing fluid in three wells

Fyp1井是大蘆湖油田樊家區(qū)塊的一口頁巖油氣重點(diǎn)勘探井，是一口水平井，設(shè)計(jì)井深5 364 m，采用三開井身結(jié)構(gòu)。其中，目的層井段（3 300～5 364 m井段）采用密度1.50 kg/L的油基鉆井液鉆進(jìn)，在固井作業(yè)中，為有效清除油膜及巖屑，保證固井作業(yè)安全，將多棱石英砂和加重劑進(jìn)行復(fù)配，配制了密度1.65 kg/L 的多棱石英砂沖洗液（漏斗黏度 52 s，滿足現(xiàn)場(chǎng)安全注入要求），注入體積20 m3。該井固井施工一切正常，聲幅測(cè)井結(jié)果顯示，目的層井段一界面固井質(zhì)量優(yōu)良率達(dá)92.0%，而該區(qū)塊應(yīng)用常規(guī)沖洗液油井的第一界面固井質(zhì)量優(yōu)良率僅43.0%，與之相比固井質(zhì)量有了大幅提高。

4 結(jié)論與建議

1）基于加強(qiáng)物理沖刷的原理，通過優(yōu)選多棱石英砂及懸浮劑，配制了多棱石英砂沖洗液。室內(nèi)試驗(yàn)表明，該沖洗液具有穩(wěn)定性好、沖洗效率高和相容性好等優(yōu)點(diǎn)。

2）多棱石英砂沖洗液在4口井的應(yīng)用效果表明，該沖洗液泵送性能良好，能夠有效清潔井壁，改善固井第二界面膠結(jié)環(huán)境，固井質(zhì)量均有明顯的提高，具有較高的推廣價(jià)值。

3）多棱石英砂沖洗液既可用于水基鉆井液又可用于油基鉆井液，建議在頁巖油氣井固井中進(jìn)行推廣應(yīng)用，以提高固井質(zhì)量，滿足大型壓裂對(duì)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的要求。