高温高压前置液动态冲洗与胶结效果试验研究

王少帅

（中海油田服务股份有限公司上海分公司，上海 200035）

0 引言

固井质量是影响钻井开发的重要因素，由于在钻井过程中，钻井液会在地层表面形成泥饼，使水泥浆无法完全与地层接触，极易导致固井质量不佳、胶结强度差[1]。在开发井的采油/注水过程中，易形成气窜，缩短开发井使用寿命，降低油田开发收益[2]。为了提高固井质量，在固井作业中需要使用一种低黏度、高活性的流体，在水泥浆前顶替原本在井筒环空中的钻井液，同时对井壁残留泥饼进行冲刷、清洗，确保水泥浆能够和套管外壁及地层岩石充分接触，固化黏结。

但是，常规的冲洗模拟是在常温常压下进行，泥饼、钻井液性能与地层高温高压的条件存在差异，无法完全模拟井下冲洗状态，使室内试验评价结果参考意义大打折扣。

该文的室内研究通过选择固井关键的影响因素，研制模拟装置，对泥饼形成、冲洗液冲刷、水泥浆顶替等一系列流程进行模拟，研究了不同冲洗液在不同渗透率、不同冲洗速度条件下对泥饼的清洗效果，并对固井质量进行评价。还对比了不同冲洗液体系在不同渗透率条件和不同冲洗速度下的冲洗效果和对胶结强度的影响，对前置冲洗液的筛选具有十分重要的指导意义。

1 固井质量影响因素

影响固井质量的因素主要包括以下几个方面：1）顶替效率。当水泥浆流变性调控不合适时，会造成水泥浆在井筒环空中突进，无法完全将环空中残留的钻井液顶替干净，造成固井质量不佳[3]。2）水泥浆性能。由于水泥的性能特点，其在固化时体积会收缩，自身产生微裂缝，在采油工具震动的影响下，微裂缝扩展形成气窜。因此需要在水泥浆中加入膨胀剂，抵消固化时的收缩作用[4]。3）冲洗质量。钻井过程中，井壁残留的泥饼胶结性能差，并阻断了水泥浆与地层岩石的充分接触，因此需要在固井之前使用冲洗液加以去除，冲洗的干净程度会直接影响后续固井的效果[5]。4）胶结质量。水泥自身的强度只是固井的一个方面，其与地层岩石、套管的接触面，由于材质存在差异，极易影响胶结效果。界面胶结强度不牢，会直接导致油气延胶结面窜出，对生产开发有极大影响。因此，接触面的胶结强度是固井质量的关键考察因素[6]。

由于水泥浆在建筑、路政等其他领域被广泛使用，因此水泥浆性能及固化过程的模拟研究较为完善，但井下钻井液及泥饼的冲洗模拟评价研究较少，其试验仪器和评价方法均有较大的研究空间和实际应用意义。

2 井下模拟试验装置设计

为保证冲洗液评价结果的可信度，井下模拟试验装置应具备以下主要功能：1）具有能够密闭的加热腔体，以模拟井下高温高压的环境。2）具有渗透端面，能够模拟钻井液在井壁渗透后形成泥饼的过程。3）具有单独的驱替管道，能够在量程范围内调整冲洗液的冲洗速度、冲洗时间。4）主体装置结构易于拆卸，能够在泥饼形成、冲洗液清洗、水泥浆顶替固化后，将水泥环及固结界面一同拆卸并测量强度，以表征固井质量的好坏。

该文根据以上需求研制了高温高压动态冲洗效率评价试验装置，如图1所示。其抗温性能超过120℃，釜体承受最高压力超过30MPa，能够最大限度地接近地层环境，对冲洗液进行评价。

图1 高温高压动态冲洗效率评价试验装置

3 冲洗效率评价

3.1 试验过程

3.1.1 模拟井壁的制备

由于试验条件限制，如果按实际井筒横截面由内至外的套管腔体、套管内壁、套管外壁、套管环空、井壁的方式进行模拟，井壁面积过大，不易制取，且会造成试验仪器体积明显增加，因此在实际模拟过程中将顺序调转，井壁用岩心代替，形成由内至外的岩心、水泥环、套管的结构，能够有效缩小试验仪器体积，对试验结果不会产生明显影响。

岩心的制备采用人造岩心的方式，将不同目数的石英砂和碳酸钙按照一定比例混合，通过胶结剂胶结、扩孔，形成所需渗透率的岩心。该次试验中，岩心直径为API标准的2.54cm（1英寸），长度为7.5cm。

3.1.2 模拟钻井过程

由于井壁的渗透性，因此钻井液中的液相会进入井壁中，并将该部分钻井液体积中的固相滞留在井壁上，形成泥饼。泥饼的室内模拟有动滤失和静滤失两种，根据形成泥饼时钻井液是否受到剪切加以区分。为模拟井筒环空钻井液的流动状态，该次试验中的泥饼采用动滤失的方式。根据文献调研及现场经验，推荐转速为300r/min。

具体操作步骤如下：将岩心安装至胶结强度模拟评价腔体内，并将整个腔体置于养护釜中。由于钻井液升温需要时间，此时不宜向养护釜中加压，以避免在升温过程中形成泥饼，影响后续试验，仅开启搅拌器对钻井液进行剪切搅拌即可。待养护釜升至设定温度（需要模拟胶结强度井深处的温度）时，向釜体内通入氮气加压，同时打开失水阀。此时失水阀与大气联通，钻井液会在压差作用下渗入岩心，并在岩心表面形成泥饼。待试验完成后，装置降温至室温后将钻井液放空、泄压，即可打开装置，观察泥饼形成情况。

3.1.3 模拟冲洗过程

冲洗过程的流程与钻井过程相似，只需要更换流入管线，将泵入的钻井液变成冲洗液，随后搅拌、升温、加压。根据现场常规冲洗流程，确定前置冲洗液冲洗的时间为10min。时间到后，装置降温至室温后将冲洗液放空、泄压，打开装置观察泥饼冲洗情况。

3.1.4 模拟固井过程

在观察完泥饼冲洗情况后，取出胶结强度模拟评价腔体，在外侧安装模拟套管（如图2所示）。由于水泥浆流度低，在非水平井段中一般不存在顶替效率的问题，因此在试验评价中直接采用人工充填的方式。

图2 水泥石试模和水泥浆灌注空间

按照水泥浆配方配制好后，向环空中灌注。即将灌满时，使用玻璃棒沿环空同一方向慢速搅拌，以均匀消除水泥浆灌注时产生的气泡，促进浆体与岩心及模拟井壁均匀贴合，避免因存在气泡而导致胶结时产生非均质性，影响胶结强度。搅拌之后，加盖放入养护釜中，在120℃、21MPa下养护24h。

3.1.5 冲洗效果评价

在养护24h后，水泥已经完全固结，将装置冷却，整体取出胶结强度模拟评价腔体（如图3所示），拍照后测试水泥环不同胶结面的胶结强度，以反应冲洗液的冲洗效果。

图3 养护完成后水泥胶结情况

评价水泥环的胶结强度时，可直接将水泥环置于压力伺服机上，测试水泥环胶结面破裂时的强度。在一次试验中，可以直接得到岩石界面与套管界面两个强度，避免了重复试验带来的试验误差，使试验结果稳定性更好。

3.2 冲洗液冲洗效果评价

该文在室内通过高温高压前置液动态冲洗与胶结效果模拟测量装置，针对东海地区应用的钻井液、水泥浆体系，对两种不同的冲洗液体系进行了不同冲洗条件下的冲洗与胶结效果试验研究。

3.2.1 岩心参数

该文的室内研究为了模拟不同渗透率的地层，选择了3种渗透率的人造岩心进行模拟试验，其岩心性能数据见表1。

表1 人造岩心渗透率

3.2.2 钻井液体系性能

试验使用东海油田现场取样的PEM钻井液，密度1.6g/cm3，初始性能及90℃热滚老化性能见表2。

表2 钻井液体系性能

3.2.3 水泥浆体系配方及性能

由于水泥浆无法长时间运输，因此试验使用的水泥浆体系为现场材料室内配制，具体配方为夹江G级水泥+35%硅粉+2%CL-S+5%PC-G80L（降失水剂）+1.5%J20L+0.67%PCX66L（消泡剂）+0.67%PC-X60L（消泡剂）+2.67%液硅+6.67%PC-RG1（胶乳）+2.5%PC-F44L（分散剂）+0.5%PCB10（膨胀剂）+0.3%PC-H63L（缓凝剂）+淡水，体系性能见表3。

表3 水泥浆体系性能

3.2.4 冲洗液流变性

室内研究对比评价了W14L和W21L两种冲洗液体系的冲洗液在不同温度下的流变性能，参数见表4。

表4 冲洗液不同温度流变性能

3.2.5 冲洗液效果评价

该文使用上述人造岩心作为测试基准，并结合东海地区现场的PEM水基钻井液体系以及常用的固井水泥浆体系作为试验钻井液体系及固井液体系，选择室内配置的两种冲洗液W14L及W21L进行对比评价。在试验条件下，不同渗透率的岩心所形成的泥饼厚度均为1mm，各岩心形成的泥饼状态如图4所示，在泥饼厚度相同的情况下评价冲洗液的冲洗效果。

图4 不同渗透率岩心形成的泥饼

3.2.6 冲洗液试验评价结果描述

在不同的冲刷强度下，使用不同的冲洗液对人造岩心进行冲刷，不同冲洗液在100r/min冲洗强度下的冲洗结果如下：1）低渗岩心。使用W14L冲洗10min后,岩心壁面的泥饼几乎没有被冲刷掉，泥饼上出现多处裂缝，整体感觉泥饼只是被冲洗液浸泡。而使用W21L冲洗后,壁面仍覆盖一层泥饼，但大部分泥饼被冲刷掉，与W14L冲洗后的对比很鲜明。2）中渗岩心。W14L和W21L冲洗液对泥饼均有一定的冲洗效果。在100r/min冲洗转速下，使用W14L冲洗10min后岩心壁面的泥饼被冲刷掉大部分，但从泥饼冲洗情况来看冲洗不均匀。而使用W21L冲洗后，壁面覆盖一层薄薄的泥饼且整个壁面冲洗均匀，从直观上而言W21L的冲洗效果较好。3）高渗岩心。W14L和W21L冲洗液对泥饼的冲洗效果均较好。

不同冲洗液在300r/min冲洗强度下的冲洗结果如下：1）低渗岩心。W14L和W21L冲洗液对泥饼均有一定的冲洗效果。使用W14L冲洗后，岩心壁面整体上明显可见仍覆盖一层泥饼，感觉岩心壁面冲洗不够均匀，局部地方泥饼较厚；与此形成对比的是，使用W21L冲洗后壁面覆盖薄薄的一层泥饼，整体而言冲洗较为均匀。2）中渗岩心。W14L和W21L冲洗液对泥饼都有一定的冲洗效果，基本没有残存厚泥饼存在。但壁面仍覆盖薄薄的一层泥饼，整体而言冲洗较为均匀。3）高渗岩心。两种冲洗液体系对岩心壁面均有较好的冲洗效果，特别是W21L冲洗液体系，基本完全冲洗掉了残存泥饼。

3.2.7 岩心界面胶结强度测试

在不同的冲洗速度下使用不同的冲洗液的水泥胶结强度测试结果见表5。从表5可以看出，冲洗速度对冲洗效率的影响很大。300r/min转速条件下的冲洗效率明显优于100r/min条件下的冲洗效率。同时，从室内两种冲洗液的对比试验来看，冲洗液W21L体系的冲洗效果比冲洗液W14L体系的冲洗效果好。

表5 不同试验条件下第二胶结面胶结强度

4 结论

该文通过对高温高压前置液动态冲洗与胶结效果进行试验，得出如下结论：1）该文的室内试验研制了高温高压前置液动态冲洗与胶结效果模拟测量装置，能针对不同冲洗条件评价其冲洗效率及界面胶结强度。2）从两种冲洗液对不同渗透率的模拟砂岩岩心在相同冲洗速度下冲洗效率的对比评价来看，冲洗液W21L冲洗后的效果明显优于W14L，特别是在低渗透率地层、低冲洗速度条件下，W21L冲洗效果更加有优势。3）随地层岩石渗透率增高，冲洗效果越好，水泥和地层胶结越好。4）冲洗速度越大，冲洗效果越好；搅拌浆叶转速为300r/min的冲洗速度比搅拌浆叶转速为100r/min的更为合理，较高的冲洗速度会增强冲洗效果，进而提高固井质量。