固井前置液冲洗效率评价方法<br/>——改进的旋转黏度计法

固井前置液冲洗效率评价方法
——改进的旋转黏度计法

2020-04-14郑有成郑友志舒秋贵

天然气工业 2020年11期

辜涛郑有成郑友志李维赵军王锐舒秋贵

1.中国石油西南油气田公司工程技术研究院 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学3.中国石油西南油气田公司 4.国家能源高含硫气藏开采研发中心 5.西华师范大学

0 引言

优良的固井质量是确保井工程质量的基础，除了采用振动固井、精细控压压力平衡法固井等工艺来保障固井质量外[1-3]，还需要在水泥浆与钻井液之间注入一段前置液，以达到冲洗井壁和套管壁、隔离水泥浆与钻井液、防止接触污染等目的[4-6]。因此，冲洗效率是评价前置液性能的关键指标，是前置液评价优选、用量和排量设计的重要依据，对固井界面胶结质量和层间有效封隔有着重要的影响[7-12]。目前，国内外还没有统一的固井前置液冲洗效率评价方法和标准。旋转黏度计法、滤饼称重法、模拟井筒冲洗装置是较普遍使用的前置液冲洗效率评价方法。王翀等[13]将常规旋转黏度计转筒改为外筒侧面及底部不开口的转筒，以消除转筒内壁吸附液体的影响。唐世忠等[14]借鉴旋转黏度计法，利用人造岩心或钢柱来模拟静态下的井壁和套管，建立了一种基于剪切速率相等原理的固井冲洗液评价装置及方法。吴村章等[15]通过将高温高压滤失仪制得的钻井液滤饼固定在六速旋转黏度计转筒上进行冲刷，通过评价冲洗前后滤饼变化，建立了前置液冲洗效率评价方法。齐奔等[16]以磨砂外筒模拟井壁，冲洗液杯模拟套管，加热套模拟井下温度建立了一种冲洗液冲洗效率评价方法。李韶利等[17]、由福昌等[18]利用陶瓷滤管、砂岩渗透性材料模拟井壁，通过对压制形成钻井液滤饼后的模拟井壁冲洗，建立了模拟井筒的冲洗液冲洗效率评价装置。

上述方法中，滤饼称重法和模拟井筒冲洗装置因存在着装置和操作复杂、装备个性化强、操作方法难以统一等问题而未能广泛应用；而旋转黏度计法则因具有设备易得、操作简便等优点被国内外所广泛采用，目前已成为一些油气田评价前置液冲洗效率的标准方法[19-23]。然而，传统的旋转黏度计法也存在着评价结果误差大、重复性差等不足，难以准确、定量地反映前置液冲洗效率，不能有效指导前置液评价优选和工艺参数优化。为此，笔者在分析传统旋转黏度计法误差来源的基础上，有针对性地提出了改进措施并实验分析了改进措施的有效性和适用性，利用改进后的评价方法对长宁—威远页岩气示范区Y 井区页岩气水平井固井前置液洗油剂类型进行了优选，对前置液冲洗时间进行了优化。改进后的旋转黏度计法能够准确评价前置液冲洗效率，可以为前置液优选和应用工艺参数优化提供依据。

1 改进措施研究

1.1 传统旋转黏度计法误差主要来源

传统旋转黏度计法的主要技术原理是用六速旋转黏度计的转筒模拟套管，使其表面吸附一层钻井液后，再放入前置液中并在模拟一定转速下冲洗一定时间，模拟前置液在环空流动冲洗状态，最后通过冲洗前后吸附钻井液的质量变化来评价前置液冲洗效率。该方法的主要步骤为：①将黏度计转筒洗净干燥后称重；②将称重后的转筒在钻井液中浸泡20 min，静滴至不再滴钻井液后称重；③将转筒安装到六速旋转黏度计上，用配好的前置液分别以200 r/min 或300 r/min 清洗5～10 min；④如果前置液为冲洗液，可以在冲洗后直接取走浆杯，等到不再滴落液体后将转筒取下称重，如果前置液为加重隔离液，则需要先用清水以6 r/min 的速度将转筒上残留的隔离液清洗掉，等到不再滴落液体后将其取下称重；⑤最后按照式（1）计算冲洗效率。旋转黏度计标准转筒外径为4.07 cm，周长为12.78 cm，即转筒旋转一周的距离为12.78 cm。在200 r/min 和300 r/min转速下，转筒旋转的距离为25.56 m/min 和38.34 m/min，即0.43 m/s 和0.64 m/s。

式中η表示冲洗效率；W1表示干净转筒质量，g；W2表示吸附钻井液后转筒质量，g；W3表示冲洗后转筒质量，g。

从式（1）可知，要准确获得冲洗效率就必须准确获得冲洗后残留在转筒上的钻井液质量。然而在实际测试中发现，由于存在转筒结构、残留钻井液质量确定方法两方面主要原因，使得冲洗后残留在转筒上的钻井液质量无法准确测定。首先，标准旋转黏度计转筒为贯通结构，将转筒浸泡入钻井液时，转筒内外壁会同时吸附上钻井液，但在冲洗时由于转筒内部有定子且空间狭小，使得内壁不能被有效冲洗（图1）。

当前置液为加重隔离液时，转筒内壁钻井液非但不能被冲洗，还会在原来钻井液上再黏附上一层隔离液（图2），这就使得在目测转筒外壁被冲洗较干净的情况下，计算得到的冲洗效率却很低，偏离了实际情况，无法对不同实验条件下的结果量化对比。

图1 冲洗前后旋转黏度计转筒照片

图2 隔离液+清水冲洗后旋转黏度计转筒外壁与内壁照片

其次，残留钻井液质量是通过测试冲洗液或清水清洗后转筒质量与干净转筒质量的差值确定的，而用冲洗液冲洗或先用隔离液冲洗再用清水清洗后，转筒上会黏附一层冲洗液或清水，造成测得的残留钻井液质量高于实际值，对残留钻井液质量测量结果有较大影响。因此，要提高旋转黏度计法的测试准确度就需要解决上述2 个方面的问题。

1.2 针对误差来源的改进措施

针对常规旋转黏度计转筒内壁不能被有效冲洗问题，将原来两端开口转筒改为封端转筒，螺纹扣型、外径和高度与标准转筒相同[16]。这样就可以避免转筒内壁无法被有效冲洗以及吸附隔离液带来的误差。在改进冲洗后转筒表面残留钻井液质量确定方法方面，根据钻井液固含量一定的原理，将冲洗液或清水冲洗后的转筒放入烘箱烘干后，扣除干净转筒的质量，得到残留钻井液所含的固体质量。再根据钻井液固含量，就能计算得到残留的钻井液质量，从而消除了吸附的冲洗液或清水对残留钻井液质量测量结果的影响。

基于上述改进措施，改进后的评价步骤为：①称取一定质量搅拌均匀后的钻井液置于已称重的烧杯中，然后放入烘箱并在90 ℃条件下烘干至恒重，计算出烧杯中固体质量，进而得到钻井液的固含量；②称取改进后的干净转筒质量，然后将其浸入搅拌均匀的钻井液中20 min 后取出静滴3 min，称取吸附钻井液后的转筒质量；③将吸附钻井液后的转筒安装到六速旋转黏度计上，浸没在前置液中以200 r/min 或300 r/min 转速冲洗一定时间。对于固井时环空返速小于1 m/s 的情况优先选择200 r/min 转速，反之优先选择300 r/min 转速；④如果前置液为冲洗液，可以在冲洗完后直接取走浆杯，等到不再滴落液体后将转筒放入烘箱中，在90 ℃条件下烘干至恒重后称重。如果前置液为加重隔离液，则需要先用清水以6 r/min 的速度将转筒上残留的隔离液清洗掉，静滴3 min 后放入烘箱中，在90 ℃条件下烘干至恒重后称重。

根据钻井液固含量ω，可以得出冲洗后残留在转筒上的钻井液质量为：

则可以冲洗掉的钻井液质量计算冲洗效率η，如式（3）所示。

进一步简化式（3），得

式中M3表示烘干后转筒质量，g；M1表示干净转筒质量，g；M2表示吸附钻井液后的转筒质量，g；ω表示钻井液固含量。

2 改进措施有效性与适用性实验分析

2.1 实验材料与仪器

主要材料：柴油基钻井液（取自川南某页岩气钻井现场，密度2.00 g/cm3，固含量为ωOBM=32.15%）、水基聚磺钻井液（取自川西地区某超深井钻井现场，密度1.92 g/cm3，固含量为ωWBM=29.38%）；前置液悬浮剂XFJ（来自成都安诺钮斯公司）；洗油剂XYJ（取自固井现场代号为A、B 和C 的3 种类型）；消泡剂XPJ（来自成都科龙试剂公司）；重晶石ZJS（来自峨眉山市雍久超细材料技术有限公司）；自来水。针对两种不同类型钻井液分别设计了不同类型前置液，如表1 所示。

主要实验仪器：六速旋转黏度计（ZNN-D6B，上海荣计达仪器科技有限公司），精密电子天平（ME2002E，梅特勒—托利多有限公司），鼓风干燥箱（DHG-9140A，常州兆圣实验设备制造有限公司）。

表1 前置液配方表

2.2 改进措施有效性分析

分别采用改进评价方法和传统评价方法，对比测试了4 种条件下的冲洗效率。每种条件下均平行测试3 次，通过结果的重复性来评价改进措施的有效性，实验结果如表2 所示。

表2 传统评价方法和改进评价方法对比实验条件与结果表

从表2 可以看出，在同样实验条件下，改进评价方法测试结果的平均值均远大于传统评价方法结果，而改进评价方法测试结果的标准偏差均远小于传统评价方法测试结果，标准偏差最大值在3%以内，表明改进评价方法结果具有较好的一致性。测试结果相差最大的为第1 组，改进评价方法结果比传统评价方法结果高出72.4%，而其标准偏差只有1.4%，要远小于传统方法的13.1%。原因在于转筒结构改变后，消除了如图2 中所示的传统方法中转筒内壁不能被有效冲洗以及附着的前置液导致测试结果偏小的影响。

2.3 改进措施适用性分析

为验证改进措施的适用性，考察了如表3 所示的不同冲洗条件对冲洗效率的影响，如图3 所示。由图3 可知：①在不同前置液类型条件下，对于柴油基钻井液，洗油型加重隔离液兼具表面活性剂的洗涤作用同时所含重晶石颗粒能够对钻井液起到冲击剥离作用，因而具有最高的冲洗效果。普通加重隔离液的冲洗效率高于洗油型冲洗液说明重晶石颗粒的冲击剥离作用要大于表面活性剂的洗涤作用。②在不同冲洗转速条件下，300 r/min 的冲洗效果要高于200 r/min，这是由于前置液的相对流速越大，形成的壁面剪切应力越大。③在不同冲洗时间条件下，10 min 冲洗效率比5 min 冲洗效率增加了14.5%，但15 min 冲洗效率只比10 min 冲洗效率增加了3.5%，表明固井作业时的前置液冲洗时间需要设计在合理范围，如果冲洗时间过短则不能有效冲洗两个胶结面，影响固井质量，过长则会提高前置液用量，增加成本。④在不同洗油剂类型条件下，采用B 型洗油剂能够获得较高的冲洗效率。

通过以上分析可以看出，由于改进方法评价结果的准确性和重复性提高，不同条件下得到的冲洗效率结果具有对比性，能够为前置液性能评价和相关应用工艺参数提供参考。

表3 不同冲洗实验条件表

图3 不同冲洗条件对冲洗效率影响实验结果图

3 改进评价方法应用

利用改进后旋转黏度计法对长宁—威远页岩气示范区Y 井区页岩气水平井固井前置液洗油剂类型进行了优选，对前置液用量进行了优化。该区块为三开井身结构，三开为Ø168.28 mm 井眼、下Ø127.00 mm 油层套管，具有裸眼水平段长（平均1 400 m）、钻井液密度高和黏切高、界面清洗困难等固井难点，对洗油型加重隔离液的冲洗性能提出了极高要求。

3.1 洗油剂类型优选

将示范区内在用的S80、AN100、DR20L 等3种洗油剂配制成冲洗液，按冲洗时间8 min、冲洗转速300 r/min，对密度2.10 g/cm3的高密度柴油基钻井液进行了冲洗效率对比评价实验，结果如表4 所示。可以看出，S80 洗油剂的冲洗效率相对最高，可作为首选的洗油剂。

表4 不同冲洗液冲洗效率对比表

3.2 洗油型加重隔离液冲洗时间优化

前置液用量与冲洗时间密切相关，在设定冲洗时间后，结合施工井的环空返速和井筒环空体积，就可计算出固井时所需的前置液用量。将S80 洗油剂配制成密度2.13 g/cm3的洗油型加重隔离液，在冲洗转速300 r/min 下，开展了冲洗效率随时间变化的评价实验，结果如图4 所示。可以看出，冲洗效率在最初随冲洗时间增加而大幅提高，但在冲洗时间达到8 min 后就逐渐平稳，获得较高冲洗效率的最佳和最经济的冲洗时间为8～10 min。