纤维冲洗液清洁井眼实验研究

朱 亮，马 里，陈 华，陈 丹

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都610051；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院，四川成都610051）

在水平井固井作业中，残留的泥饼会阻止水泥浆与井壁直接接触，易在井眼环空界面处形成微环隙，从而降低界面胶结强度；残存的岩屑会降低水平井固井顶替效率，并直接影响固井质量。所以有效清除环空残留的井壁泥饼和岩屑是提高水平井固井质量的前提。因此需要研究一种冲洗液能同时有效清洗井壁泥饼和清除环空残存的岩屑。压裂液最新研究表明：纤维压裂液可提高其对支撑剂的携砂性能，其原理在于压裂液中的纤维均匀分散形成交联网状结构，保持压裂液携砂性能的稳定，同时还可降低压裂液摩阻[1-5]。因此，为解决固井作业前水平井段的井眼清洁问题，借鉴纤维压裂液的研究，将纤维引入到固井冲洗液中，利用纤维在冲洗液中分散后形成网架结构，在循环时清除、携带岩屑和刮掉井壁泥饼，来满足水平井环空清洁需求。为此，开展了泥饼动态冲洗试验研究和岩屑清洁试验研究，通过室内试验评价纤维冲洗液冲洗泥饼与清除岩屑的效果。

1 实验部分

1.1 试验材料与试验设备

（1）试验材料。清洁纤维选用5～10mm单丝人造纤维；选择标准人造岩芯进行模拟实验，岩芯渗透率为9～11mD（基于气测条件下）；模拟钻屑，石英砂4～6目（3.35～4.75mm）；水泥浆配方：夹江G级水泥+35%硅粉+4%BXF-200L（降失水剂）+0.1%BP-1B（消泡剂）+7%PC-RG1（胶乳）+0.5%SXY（分散剂）+3%SEP-2（膨胀剂）+水；试验采用水基钻井液；冲洗液为现场冲洗液；钻井液和冲洗液性能如表1、表2所示。

（2）试验设备：

表1 50℃钻井液性能参数

表2 冲洗液性能参数

①泥饼动态冲洗试验研究。泥饼动态冲洗试验研究主要依赖西南石油大学自行研制的的固井水泥石胶结性能评价装置[6]，该装置较之于以前的方法更能够模拟井下条件，更具有实用价值。功能：模拟高温高压环境下不同钻井液在岩芯上形成泥饼、钻井液泥饼的动态冲洗、水泥环的养护形成过程，并测量出水泥环与岩芯、水泥环与模拟套管的界面胶结强度等。

②岩屑床清洁试验研究。岩屑床清洁实验是在注水泥顶替效率模拟装置[7]上进行的。注水泥顶替效率模拟装置用于开展水泥浆（或泥浆）相似液井筒试验或环空流动试验、水泥浆相似液顶替试验，该装置可调节不同的液体流速、不同的井斜角、不同的井筒直径和不同的套管偏心度。对注水泥顶替模拟装置的改造可满足井眼清洁实验的要求。

1.2 泥饼动态冲洗试验研究

（1）实验原理。高温高压前置液动态冲洗效率实验装置功能①和②整个过程的原理如图1所示。搅拌桨叶置于岩芯周围，搅拌桨叶的金属棒顶在岩芯顶部保证泥饼形成、冲洗的均匀性以及防止岩芯顶部流场受到干扰。

图1 模拟泥饼形成与冲洗过程示意图

流体在2个同轴圆筒体之间的环形空间流动可近似模拟冲洗液在套管和井壁之间的环空流动，因此，利用内筒壁面与环空壁面处剪切速率相近为理论依据，用室内实验冲洗效果模拟评价现场工程固井施工参数[8]。

式中：R1——内筒半径，m；

R2——外筒半径，m；

D1——井眼直径，m；

D2——套管外径，m；

n——转速，r/min；

V——环空流速，m/s。

（2）实验条件。泥饼动态形成过程：在50℃×7.5MPa条件下，搅拌桨叶转速为300r/min，钻井液滤液穿过岩芯流出，在岩芯壁面形成泥饼，滤失时间270min。

动态冲洗过程：在50℃×7.5MPa条件下，冲洗时间8min，模拟现场井身结构：井眼直径215.9mm，套管外径139.7mm，现场环空返速0.8m/s，利用公式（1）计算试验装置转速。

养护过程：将配制好的水泥浆倒入已经冲洗过岩芯的模具内，在60℃×21MPa条件下，养护24h。

（3）冲洗效率和胶结强度测试。冲洗液的冲洗效率利用称重法计算；胶结强度的测定采用常规的“压出法”[9-10]来测定抗压强度值。

1.3 岩屑清洁试验研究

（1）注水泥模拟装置改造。为了满足井眼清洁的实验要求，需对注水泥模拟装置进行改造。井眼清洁实验需在井筒中预铺设岩屑床以及收集冲洗出的岩屑，因此需要将测量分析系统更换为加砂装置，在井筒末端加上内置过滤袋，用以收集冲洗出的模拟岩屑。加砂装置如图2所示。

图2 加砂装置示意图

（2）实验条件。实验装置模拟水平井，环空返速0.8m/s，使用不同浓度纤维冲洗液清除岩屑（岩屑150g），使用不同偏心度（0，37.5%，56.3%），计算岩屑清除效率。

水平井中水平段岩屑清除效率计算公式：

式中：η——岩屑清除效率，%；

wi——第i次实验冲出岩屑重量，g；

W——模拟实验加入岩屑重量，g；

n——实验次数，无因次。

2 结果与讨论

2.1 纤维冲洗液冲洗泥饼效果评价

由于模拟泥饼动态形成过程的实验条件相同岩芯渗透率也相同，泥饼形成的厚度（约为1mm）与致密性具有较好的一致性，因此，排除了泥饼厚度的不均质性对后续冲洗效率评价的干扰。

冲洗后观察岩芯，未加纤维冲洗液冲洗过后泥饼厚度最厚，随着纤维浓度的增加，泥饼厚度逐渐变薄；未加纤维时，冲洗过后岩芯壁面整体上明显可见仍覆盖一层泥饼；纤维浓度增加到0.2%时，岩芯壁面已可以看到大片岩芯裸露，岩芯表面大部分已清洗干净。

分别计算不同浓度纤维冲洗液冲洗泥饼的冲洗效率与胶结强度，具体数据见表3。

表3 不同浓度纤维冲洗液冲洗效率和胶结强度对比

由表3可知，随着纤维浓度的增加，冲洗效率与第二界面胶结强度都在增加；纤维浓度为0.2%及以上时，冲洗效率已达到90%以上，此时的冲洗效率相较于未加纤维时的冲洗效率增加了63.65%，第二界面胶结强度相较于未加纤维时的第二界面胶结强度增加了127%；在纤维浓度为0.2%时出现拐点，在此浓度前，随着纤维浓度的增加，第二界面胶结强度和冲洗效率增加较快，在此浓度上再增加纤维浓度，第二界面胶结强度和冲洗效率增加量变小，基本趋于稳定，所以冲洗泥饼的纤维最佳浓度为0.2%。因此，纤维有利于刮掉井壁附着物，纤维冲洗液可有效提高冲洗泥饼的效率。

2.2 纤维冲洗液清除岩屑效果评价

（1）不同纤维浓度时纤维冲洗液的清除效率。分别计算不同浓度纤维冲洗液对岩屑的清除效率与胶结强度，具体数据见表4。

表4 不同浓度纤维冲洗液岩屑清除效率对比

由表4可知，随着纤维浓度的增加，岩屑清除效率在增加，纤维浓度增加到0.15%时，岩屑清除效率已达到90%以上，此时的岩屑清除效率是未加纤维时的岩屑清除效率的2.5倍，清除岩屑时的最佳纤维浓度为0.15%。因此，纤维在冲洗液中分散后形成网架结构有利于清除岩屑，纤维冲洗液可有效提高岩屑清除效率。

（2）不同偏心度时纤维冲洗液的清除效率。试验设计了3组不同的偏心度，分别为：0，37.5%，56.3%。

图3 不同偏心度时纤维冲洗液的清除效率

由图3可知，未加纤维时，e=56.3%、e=37.5%的岩屑清除效率仅为1.4%和13.5%，都未能清除岩屑床；随着纤维浓度的增加，不同偏心度时的岩屑床清除效率都增加；纤维冲洗液纤维浓度增加到0.3%，不同偏心状态时的岩屑清除效率均已达到90%以上。因此，纤维冲洗液不但能提高套管居中时的岩屑清除效率，而且能显著提高套管偏心时的岩屑清除效率。

现场固井施工为得到较高的顶替效率，要求套管居中度不小于67%，当e=37.5%，纤维浓度为0.2%时岩屑清除效率为93.27%，所以在保证套管居中度不小于67%时的最佳纤维浓度为0.2%。

3 结论

（1）纤维有利于刮掉井壁泥饼和岩屑，纤维冲洗液可有效提高冲洗泥饼的效率和清除岩屑的效率，纤维浓度0.2%及以上时，冲洗效率和清除效率均达到90%以上。

（2）纤维冲洗液不但能提高套管居中时的岩屑清除效率，而且能显著提高套管偏心时的岩屑清除效率。未加纤维时，e=56.3%、e=37.5%的岩屑清除效率仅为1.4%和13.5%，纤维冲洗液纤维浓度增加到0.3%，不同偏心状态时的岩屑清除效率均已达到90%以上。

（3）满足现场施工要求的冲洗液最佳纤维浓度为0.2%。

[1] Bulova M N，Nosova K E，Willberg D M，et al.Benefits of the Novel Fiber-Laden Low-Viscosity Fluid System in Fracturing Low-PermeabilityTight Gas Formations[C].SPE102956，2006（9）：1-8.

[2] Powell A，BustosO，Kordziel W，et al.Fiber-laden Fracturing Fluid Improves Production in the Bakken Shale Multilateral Play[C].SPE107979，2007（4）：1-13.

[3] 刘玉婷，管保山，刘萍，等.纤维对压裂液携砂能力的影响[J].油田化学，2012，29(1)：75-79.

[4] 吴红军，伊向艺，林笑，等.含纤维的低摩阻压裂液试验研究[J].油气藏评价与开发，2013，3(1)：55-58.

[5] 肖博，张士诚，郭天魁，等.页岩气藏清水压裂悬砂效果提升实验[J].东北石油大学学报，2013，37(3)：94-99.

[6] 徐璧华，卢翔，谢应权.高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法[J].天然气工业，2016，36(11)：65-69.

[7] 何志辉.水平井注水泥顶替效率实验研究[D].西南石油大学，2013：19-31.

[8] 王乐顶.页岩气水平井固井前置液体系研究及应用[D].西南石油大学，2014：12-16.

[9]张鹏伟，肖武峰，顾军，等.“死泥浆”影响界面胶结力学性能的实验研究[J].石油与天然气化工，2007，36(2)：145-148.

[10] 郭辛阳，步玉环，李娟，等.变温条件下泥饼对二界面胶结强度的影响[J].钻井液与完井液，2010，27(1)：55-57.