高溫高壓前置液動態(tài)沖洗與膠結(jié)效果試驗研究

王少帥

（中海油田服務(wù)股份有限公司上海分公司，上海 200035）

0 引言

固井質(zhì)量是影響鉆井開發(fā)的重要因素，由于在鉆井過程中，鉆井液會在地層表面形成泥餅，使水泥漿無法完全與地層接觸，極易導(dǎo)致固井質(zhì)量不佳、膠結(jié)強度差[1]。在開發(fā)井的采油/注水過程中，易形成氣竄，縮短開發(fā)井使用壽命，降低油田開發(fā)收益[2]。為了提高固井質(zhì)量，在固井作業(yè)中需要使用一種低黏度、高活性的流體，在水泥漿前頂替原本在井筒環(huán)空中的鉆井液，同時對井壁殘留泥餅進行沖刷、清洗，確保水泥漿能夠和套管外壁及地層巖石充分接觸，固化黏結(jié)。

但是，常規(guī)的沖洗模擬是在常溫常壓下進行，泥餅、鉆井液性能與地層高溫高壓的條件存在差異，無法完全模擬井下沖洗狀態(tài)，使室內(nèi)試驗評價結(jié)果參考意義大打折扣。

該文的室內(nèi)研究通過選擇固井關(guān)鍵的影響因素，研制模擬裝置，對泥餅形成、沖洗液沖刷、水泥漿頂替等一系列流程進行模擬，研究了不同沖洗液在不同滲透率、不同沖洗速度條件下對泥餅的清洗效果，并對固井質(zhì)量進行評價。還對比了不同沖洗液體系在不同滲透率條件和不同沖洗速度下的沖洗效果和對膠結(jié)強度的影響，對前置沖洗液的篩選具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 固井質(zhì)量影響因素

影響固井質(zhì)量的因素主要包括以下幾個方面：1）頂替效率。當(dāng)水泥漿流變性調(diào)控不合適時，會造成水泥漿在井筒環(huán)空中突進，無法完全將環(huán)空中殘留的鉆井液頂替干凈，造成固井質(zhì)量不佳[3]。2）水泥漿性能。由于水泥的性能特點，其在固化時體積會收縮，自身產(chǎn)生微裂縫，在采油工具震動的影響下，微裂縫擴展形成氣竄。因此需要在水泥漿中加入膨脹劑，抵消固化時的收縮作用[4]。3）沖洗質(zhì)量。鉆井過程中，井壁殘留的泥餅?zāi)z結(jié)性能差，并阻斷了水泥漿與地層巖石的充分接觸，因此需要在固井之前使用沖洗液加以去除，沖洗的干凈程度會直接影響后續(xù)固井的效果[5]。4）膠結(jié)質(zhì)量。水泥自身的強度只是固井的一個方面，其與地層巖石、套管的接觸面，由于材質(zhì)存在差異，極易影響膠結(jié)效果。界面膠結(jié)強度不牢，會直接導(dǎo)致油氣延膠結(jié)面竄出，對生產(chǎn)開發(fā)有極大影響。因此，接觸面的膠結(jié)強度是固井質(zhì)量的關(guān)鍵考察因素[6]。

由于水泥漿在建筑、路政等其他領(lǐng)域被廣泛使用，因此水泥漿性能及固化過程的模擬研究較為完善，但井下鉆井液及泥餅的沖洗模擬評價研究較少，其試驗儀器和評價方法均有較大的研究空間和實際應(yīng)用意義。

2 井下模擬試驗裝置設(shè)計

為保證沖洗液評價結(jié)果的可信度，井下模擬試驗裝置應(yīng)具備以下主要功能：1）具有能夠密閉的加熱腔體，以模擬井下高溫高壓的環(huán)境。2）具有滲透端面，能夠模擬鉆井液在井壁滲透后形成泥餅的過程。3）具有單獨的驅(qū)替管道，能夠在量程范圍內(nèi)調(diào)整沖洗液的沖洗速度、沖洗時間。4）主體裝置結(jié)構(gòu)易于拆卸，能夠在泥餅形成、沖洗液清洗、水泥漿頂替固化后，將水泥環(huán)及固結(jié)界面一同拆卸并測量強度，以表征固井質(zhì)量的好壞。

該文根據(jù)以上需求研制了高溫高壓動態(tài)沖洗效率評價試驗裝置，如圖1所示。其抗溫性能超過120℃，釜體承受最高壓力超過30MPa，能夠最大限度地接近地層環(huán)境，對沖洗液進行評價。

圖1 高溫高壓動態(tài)沖洗效率評價試驗裝置

3 沖洗效率評價

3.1 試驗過程

3.1.1 模擬井壁的制備

由于試驗條件限制，如果按實際井筒橫截面由內(nèi)至外的套管腔體、套管內(nèi)壁、套管外壁、套管環(huán)空、井壁的方式進行模擬，井壁面積過大，不易制取，且會造成試驗儀器體積明顯增加，因此在實際模擬過程中將順序調(diào)轉(zhuǎn)，井壁用巖心代替，形成由內(nèi)至外的巖心、水泥環(huán)、套管的結(jié)構(gòu)，能夠有效縮小試驗儀器體積，對試驗結(jié)果不會產(chǎn)生明顯影響。

巖心的制備采用人造巖心的方式，將不同目數(shù)的石英砂和碳酸鈣按照一定比例混合，通過膠結(jié)劑膠結(jié)、擴孔，形成所需滲透率的巖心。該次試驗中，巖心直徑為API標準的2.54cm（1英寸），長度為7.5cm。

3.1.2 模擬鉆井過程

由于井壁的滲透性，因此鉆井液中的液相會進入井壁中，并將該部分鉆井液體積中的固相滯留在井壁上，形成泥餅。泥餅的室內(nèi)模擬有動濾失和靜濾失兩種，根據(jù)形成泥餅時鉆井液是否受到剪切加以區(qū)分。為模擬井筒環(huán)空鉆井液的流動狀態(tài)，該次試驗中的泥餅采用動濾失的方式。根據(jù)文獻調(diào)研及現(xiàn)場經(jīng)驗，推薦轉(zhuǎn)速為300r/min。

具體操作步驟如下：將巖心安裝至膠結(jié)強度模擬評價腔體內(nèi)，并將整個腔體置于養(yǎng)護釜中。由于鉆井液升溫需要時間，此時不宜向養(yǎng)護釜中加壓，以避免在升溫過程中形成泥餅，影響后續(xù)試驗，僅開啟攪拌器對鉆井液進行剪切攪拌即可。待養(yǎng)護釜升至設(shè)定溫度（需要模擬膠結(jié)強度井深處的溫度）時，向釜體內(nèi)通入氮氣加壓，同時打開失水閥。此時失水閥與大氣聯(lián)通，鉆井液會在壓差作用下滲入巖心，并在巖心表面形成泥餅。待試驗完成后，裝置降溫至室溫后將鉆井液放空、泄壓，即可打開裝置，觀察泥餅形成情況。

3.1.3 模擬沖洗過程

沖洗過程的流程與鉆井過程相似，只需要更換流入管線，將泵入的鉆井液變成沖洗液，隨后攪拌、升溫、加壓。根據(jù)現(xiàn)場常規(guī)沖洗流程，確定前置沖洗液沖洗的時間為10min。時間到后，裝置降溫至室溫后將沖洗液放空、泄壓，打開裝置觀察泥餅沖洗情況。

3.1.4 模擬固井過程

在觀察完泥餅沖洗情況后，取出膠結(jié)強度模擬評價腔體，在外側(cè)安裝模擬套管（如圖2所示）。由于水泥漿流度低，在非水平井段中一般不存在頂替效率的問題，因此在試驗評價中直接采用人工充填的方式。

圖2 水泥石試模和水泥漿灌注空間

按照水泥漿配方配制好后，向環(huán)空中灌注。即將灌滿時，使用玻璃棒沿環(huán)空同一方向慢速攪拌，以均勻消除水泥漿灌注時產(chǎn)生的氣泡，促進漿體與巖心及模擬井壁均勻貼合，避免因存在氣泡而導(dǎo)致膠結(jié)時產(chǎn)生非均質(zhì)性，影響膠結(jié)強度。攪拌之后，加蓋放入養(yǎng)護釜中，在120℃、21MPa下養(yǎng)護24h。

3.1.5 沖洗效果評價

在養(yǎng)護24h后，水泥已經(jīng)完全固結(jié)，將裝置冷卻，整體取出膠結(jié)強度模擬評價腔體（如圖3所示），拍照后測試水泥環(huán)不同膠結(jié)面的膠結(jié)強度，以反應(yīng)沖洗液的沖洗效果。

圖3 養(yǎng)護完成后水泥膠結(jié)情況

評價水泥環(huán)的膠結(jié)強度時，可直接將水泥環(huán)置于壓力伺服機上，測試水泥環(huán)膠結(jié)面破裂時的強度。在一次試驗中，可以直接得到巖石界面與套管界面兩個強度，避免了重復(fù)試驗帶來的試驗誤差，使試驗結(jié)果穩(wěn)定性更好。

3.2 沖洗液沖洗效果評價

該文在室內(nèi)通過高溫高壓前置液動態(tài)沖洗與膠結(jié)效果模擬測量裝置，針對東海地區(qū)應(yīng)用的鉆井液、水泥漿體系，對兩種不同的沖洗液體系進行了不同沖洗條件下的沖洗與膠結(jié)效果試驗研究。

3.2.1 巖心參數(shù)

該文的室內(nèi)研究為了模擬不同滲透率的地層，選擇了3種滲透率的人造巖心進行模擬試驗，其巖心性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 人造巖心滲透率

3.2.2 鉆井液體系性能

試驗使用東海油田現(xiàn)場取樣的PEM鉆井液，密度1.6g/cm3，初始性能及90℃熱滾老化性能見表2。

表2 鉆井液體系性能

3.2.3 水泥漿體系配方及性能

由于水泥漿無法長時間運輸，因此試驗使用的水泥漿體系為現(xiàn)場材料室內(nèi)配制，具體配方為夾江G級水泥+35%硅粉+2%CL-S+5%PC-G80L（降失水劑）+1.5%J20L+0.67%PCX66L（消泡劑）+0.67%PC-X60L（消泡劑）+2.67%液硅+6.67%PC-RG1（膠乳）+2.5%PC-F44L（分散劑）+0.5%PCB10（膨脹劑）+0.3%PC-H63L（緩凝劑）+淡水，體系性能見表3。

表3 水泥漿體系性能

3.2.4 沖洗液流變性

室內(nèi)研究對比評價了W14L和W21L兩種沖洗液體系的沖洗液在不同溫度下的流變性能，參數(shù)見表4。

表4 沖洗液不同溫度流變性能

3.2.5 沖洗液效果評價

該文使用上述人造巖心作為測試基準，并結(jié)合東海地區(qū)現(xiàn)場的PEM水基鉆井液體系以及常用的固井水泥漿體系作為試驗鉆井液體系及固井液體系，選擇室內(nèi)配置的兩種沖洗液W14L及W21L進行對比評價。在試驗條件下，不同滲透率的巖心所形成的泥餅厚度均為1mm，各巖心形成的泥餅狀態(tài)如圖4所示，在泥餅厚度相同的情況下評價沖洗液的沖洗效果。

圖4 不同滲透率巖心形成的泥餅

3.2.6 沖洗液試驗評價結(jié)果描述

在不同的沖刷強度下，使用不同的沖洗液對人造巖心進行沖刷，不同沖洗液在100r/min沖洗強度下的沖洗結(jié)果如下：1）低滲巖心。使用W14L沖洗10min后,巖心壁面的泥餅幾乎沒有被沖刷掉，泥餅上出現(xiàn)多處裂縫，整體感覺泥餅只是被沖洗液浸泡。而使用W21L沖洗后,壁面仍覆蓋一層泥餅，但大部分泥餅被沖刷掉，與W14L沖洗后的對比很鮮明。2）中滲巖心。W14L和W21L沖洗液對泥餅均有一定的沖洗效果。在100r/min沖洗轉(zhuǎn)速下，使用W14L沖洗10min后巖心壁面的泥餅被沖刷掉大部分，但從泥餅沖洗情況來看沖洗不均勻。而使用W21L沖洗后，壁面覆蓋一層薄薄的泥餅且整個壁面沖洗均勻，從直觀上而言W21L的沖洗效果較好。3）高滲巖心。W14L和W21L沖洗液對泥餅的沖洗效果均較好。

不同沖洗液在300r/min沖洗強度下的沖洗結(jié)果如下：1）低滲巖心。W14L和W21L沖洗液對泥餅均有一定的沖洗效果。使用W14L沖洗后，巖心壁面整體上明顯可見仍覆蓋一層泥餅，感覺巖心壁面沖洗不夠均勻，局部地方泥餅較厚；與此形成對比的是，使用W21L沖洗后壁面覆蓋薄薄的一層泥餅，整體而言沖洗較為均勻。2）中滲巖心。W14L和W21L沖洗液對泥餅都有一定的沖洗效果，基本沒有殘存厚泥餅存在。但壁面仍覆蓋薄薄的一層泥餅，整體而言沖洗較為均勻。3）高滲巖心。兩種沖洗液體系對巖心壁面均有較好的沖洗效果，特別是W21L沖洗液體系，基本完全沖洗掉了殘存泥餅。

3.2.7 巖心界面膠結(jié)強度測試

在不同的沖洗速度下使用不同的沖洗液的水泥膠結(jié)強度測試結(jié)果見表5。從表5可以看出，沖洗速度對沖洗效率的影響很大。300r/min轉(zhuǎn)速條件下的沖洗效率明顯優(yōu)于100r/min條件下的沖洗效率。同時，從室內(nèi)兩種沖洗液的對比試驗來看，沖洗液W21L體系的沖洗效果比沖洗液W14L體系的沖洗效果好。

表5 不同試驗條件下第二膠結(jié)面膠結(jié)強度

4 結(jié)論

該文通過對高溫高壓前置液動態(tài)沖洗與膠結(jié)效果進行試驗，得出如下結(jié)論：1）該文的室內(nèi)試驗研制了高溫高壓前置液動態(tài)沖洗與膠結(jié)效果模擬測量裝置，能針對不同沖洗條件評價其沖洗效率及界面膠結(jié)強度。2）從兩種沖洗液對不同滲透率的模擬砂巖巖心在相同沖洗速度下沖洗效率的對比評價來看，沖洗液W21L沖洗后的效果明顯優(yōu)于W14L，特別是在低滲透率地層、低沖洗速度條件下，W21L沖洗效果更加有優(yōu)勢。3）隨地層巖石滲透率增高，沖洗效果越好，水泥和地層膠結(jié)越好。4）沖洗速度越大，沖洗效果越好；攪拌漿葉轉(zhuǎn)速為300r/min的沖洗速度比攪拌漿葉轉(zhuǎn)速為100r/min的更為合理，較高的沖洗速度會增強沖洗效果，進而提高固井質(zhì)量。