李韶利，周占云，姚志翔，李志民

（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽(yáng)457000）

一種可視化沖洗液評(píng)價(jià)裝置與方法

李韶利，周占云，姚志翔，李志民

（中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽(yáng)457000）

李韶利等.一種可視化沖洗液評(píng)價(jià)裝置與方法[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：92-95.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沖洗液沖洗效率的評(píng)價(jià)沒(méi)有統(tǒng)一的方法和手段，近年來(lái)也有一些評(píng)價(jià)裝置的研制與使用，但不能真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)，不能定量評(píng)價(jià)沖洗液性能。中原固井公司結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種沖洗液評(píng)價(jià)裝置與方法，該裝置主要由儲(chǔ)液罐、循環(huán)泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、模擬井筒、回流管、溫控加熱器、排液口、滾輪等組成，能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)沖洗液的配比、沖洗時(shí)間、沖洗流速等技術(shù)參數(shù)，同時(shí)，井筒采用透明玻璃管，實(shí)現(xiàn)沖洗效果可視化。其可以根據(jù)目視結(jié)果更加準(zhǔn)確地確定沖洗時(shí)間，同時(shí)也便于調(diào)整并確定達(dá)到最佳沖洗效果的臨界流速，是一種既能定量又很直觀地評(píng)價(jià)沖洗效果的裝置，能夠充分滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要。。

固井；沖洗液；沖洗效率；可視化評(píng)價(jià)裝置

油基鉆井液鉆井后由于井壁存在含油泥餅、套管壁上黏附有油基鉆井液，且清洗困難，影響固井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致第一、二界面固井質(zhì)量欠佳；同時(shí)由于裸眼段長(zhǎng)，環(huán)空間隙小、固井頂替效率較低，且水基完井液體系對(duì)油膜的沖洗效果較差，進(jìn)一步造成固井質(zhì)量難以提高，為了防止鉆井液內(nèi)濾餅損害儲(chǔ)層及外濾餅堵塞篩管縫隙，在完井過(guò)程中必須最大程度地清除濾餅，因此對(duì)固井沖洗液的性能提出了更高要求[1]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沖洗液產(chǎn)品的評(píng)價(jià)方法及手段都無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，幾種方法各有利弊[2-4]。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及模擬現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)出了一套沖洗液模擬沖洗裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該裝置能較好地評(píng)價(jià)油基條件下固井沖洗液的沖洗率。為評(píng)價(jià)沖洗液的沖洗效率提供了一種科學(xué)的儀器和方法。

1　沖洗液模擬裝置評(píng)價(jià)難點(diǎn)

1）如何選取模擬巖心材料形成致密油基泥餅。

2）如何模擬井下實(shí)際溫度，并模擬沖洗液在該溫度條件下對(duì)模擬井壁上形成的泥餅進(jìn)行沖洗。

3）如何模擬實(shí)際施工排量下的流態(tài)，以確保沖洗狀態(tài)與井下實(shí)際情況相似。

4）如何設(shè)定評(píng)價(jià)方法，確定沖洗效率評(píng)價(jià)計(jì)算公式，確保真實(shí)反映沖洗液的沖洗效果。

2　技術(shù)方案的確定

1）采用富含微孔隙陶瓷濾芯模擬巖石井壁，由于其具有0.1 μm的微孔隙，可為油基鉆井液在壓差下濾失并形成濾餅創(chuàng)造條件；然后設(shè)計(jì)一種密閉裝置容納油基鉆井液，并將陶瓷濾芯浸入油基鉆井液中，通過(guò)氣體加壓，使鉆井液在陶瓷濾芯上單向過(guò)濾，最終可在濾芯外壁上形成致密的濾餅。

2）對(duì)于沖洗液的溫度控制，采用一種溫控加熱器，可恒溫加熱，加熱溫度可由溫控器設(shè)定并控制，以此模擬井下實(shí)際溫度狀況。

3）對(duì)于實(shí)際施工排量下流體的模擬，設(shè)計(jì)一種裝置，該裝置由箱體容納沖洗液，箱體內(nèi)安裝溫控加熱裝置，通過(guò)離心泵提供動(dòng)力使液體流動(dòng)，通過(guò)設(shè)置球閥來(lái)控制并調(diào)節(jié)流量，通過(guò)設(shè)置流量計(jì)來(lái)監(jiān)控流量，通過(guò)設(shè)置容納陶瓷濾芯的裝置來(lái)模擬井筒并使流體能夠沖刷模擬井壁。

4）對(duì)于沖洗效率的評(píng)價(jià)，可采用稱(chēng)重法，分別稱(chēng)量形成濾餅前、后及沖洗前、后陶瓷濾芯的重量，根據(jù)重量差計(jì)算確定沖洗效率。

3　評(píng)價(jià)裝置設(shè)計(jì)

按照上述技術(shù)方案，分別設(shè)計(jì)了濾餅生成裝置和沖洗效率評(píng)價(jià)裝置；濾餅生成裝置用以在模擬井壁的陶瓷濾芯外壁形成濾餅，沖洗效率評(píng)價(jià)裝置用以模擬沖洗液對(duì)模擬井壁進(jìn)行沖洗。

濾餅生成裝置主要由筒體、內(nèi)管、壓蓋3部分組成，筒體為筒狀結(jié)構(gòu)，兩端封閉，上端設(shè)置進(jìn)氣孔，其內(nèi)可容納鉆井液；內(nèi)管為管狀結(jié)構(gòu)，位于筒體內(nèi)部軸心，管壁開(kāi)有多個(gè)通孔，便于鉆井液流入，上端設(shè)有內(nèi)螺紋，可與壓蓋相連，其內(nèi)可放置陶瓷濾管；壓蓋為管狀結(jié)構(gòu)，下端開(kāi)有中心孔，外壁設(shè)有外螺紋及密封圈，可實(shí)現(xiàn)與內(nèi)管之間的可靠密封。裝置外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

沖洗效率評(píng)價(jià)裝置主要由儲(chǔ)液罐、循環(huán)泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、模擬井筒、回流管、溫控加熱器、排液口、滾輪等組成，見(jiàn)圖2。儲(chǔ)液罐箱體結(jié)構(gòu)，其上部安裝循環(huán)泵及模擬井筒，循環(huán)泵入口浸入儲(chǔ)液罐內(nèi)的液體內(nèi)，循環(huán)泵出口通過(guò)管路依次連接流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、模擬井筒及回流管，模擬井筒內(nèi)可安裝陶瓷濾芯（模擬井壁）；儲(chǔ)液罐內(nèi)下部設(shè)置溫控加熱器，儲(chǔ)液罐底部設(shè)置排液口，四角安裝滾輪。

圖1　濾餅生成裝置外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2　沖洗效率評(píng)價(jià)儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀

3.1技術(shù)參數(shù)

儲(chǔ)液罐：可容納50 L沖洗液；循環(huán)泵最大排量為100 L/min；流量調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)流量范圍為0～100 L/min；流量計(jì)可顯示即時(shí)流量、累計(jì)流量；模擬井筒可模擬環(huán)空，即時(shí)流速最高可達(dá)到1.42 m/s；溫控加熱器可顯示罐內(nèi)液體溫度，可設(shè)定恒溫加熱溫度，加熱溫度范圍為0～99 ℃，加熱器功率為2 000 W；設(shè)定方式為手動(dòng)和遙控。

3.2工作原理及操作方法

3.2.1濾餅生成裝置

將適量油基鉆井液由內(nèi)管上端倒入筒體內(nèi)，確保液面高度能夠浸沒(méi)陶瓷濾管，然后將陶瓷濾管置入內(nèi)管，并將壓蓋旋入內(nèi)管上部?jī)?nèi)螺紋，將陶瓷濾管壓緊，然后將高壓氣體由進(jìn)氣孔引入筒體內(nèi)，在氣體壓力作用下，鉆井液由陶瓷濾管外壁向內(nèi)部發(fā)生濾失，最終可在濾管外壁形成致密的泥餅。

3.2.2沖洗效率評(píng)價(jià)裝置

該裝置由循環(huán)泵提供動(dòng)力，將罐體內(nèi)盛裝的沖洗液依次通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)泵入模擬井筒的進(jìn)液口，流經(jīng)模擬井筒內(nèi)的環(huán)空，對(duì)模擬井壁進(jìn)行沖洗，然后由出液口經(jīng)回流管流回儲(chǔ)液罐內(nèi)。流量調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)流量大小，確保可根據(jù)需要提供不同的環(huán)空流速；流量計(jì)可監(jiān)控流量，以配合流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量；儲(chǔ)液罐體下部設(shè)置的溫控加熱器可對(duì)罐體內(nèi)的沖洗液進(jìn)行恒溫加熱，以此模擬井下溫度。

3.2.3評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)操作方法

1） 利用陶瓷濾管模擬地層井壁，首先稱(chēng)量其初始重量m0。

2）將陶瓷濾管置于泥餅生成裝置中，由氮?dú)馄繉⒏邏旱獨(dú)庖肽囡炆裳b置的進(jìn)氣孔，加壓1.5 MPa持續(xù)10 min，使油基鉆井液在陶瓷濾管外壁形成泥餅，取出稱(chēng)取重量m1。

3）將沖洗液加入到?jīng)_洗效率評(píng)價(jià)裝置的儲(chǔ)液罐中，大約占箱體積的1/3～2/3，根據(jù)環(huán)空沖洗流速確定并調(diào)節(jié)流量，使流速達(dá)到模擬要求，啟動(dòng)溫控加熱器，將沖洗液循環(huán)加熱到預(yù)定溫度。

4） 關(guān)閉循環(huán)泵，將帶有泥餅的陶瓷濾管放入評(píng)價(jià)裝置的模擬井筒中，擰上端蓋，打開(kāi)循環(huán)泵，根據(jù)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)空返速調(diào)節(jié)流量，然后開(kāi)始計(jì)時(shí)。

5） 到達(dá)設(shè)定的沖洗時(shí)間后，關(guān)閉循環(huán)泵及溫控加熱器，打開(kāi)模擬井筒頂蓋，取出陶瓷濾管，晾干后稱(chēng)取重量m2。沖洗效率計(jì)算公式如下。

η=（m1-m2）/（m1-m0）×100%

4　評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置能否滿(mǎn)足實(shí)際評(píng)價(jià)的需要，實(shí)驗(yàn)人員模擬現(xiàn)場(chǎng)擬定的操作程序進(jìn)行了評(píng)價(jià)，采用現(xiàn)場(chǎng)常用的10%M71L和15%M71L油基沖洗液，對(duì)其沖洗效率進(jìn)行了測(cè)試，方法是：稱(chēng)量濾芯初始質(zhì)量m0和泥餅生成之后質(zhì)量m1，沖洗后烘干、冷卻后稱(chēng)重為m2，根據(jù)上述公式計(jì)算出沖洗率。60℃下10%M71L、15%M-71L在不同流速、不動(dòng)沖洗時(shí)間下的沖洗效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。由表1和表2可以看出，該套實(shí)驗(yàn)裝置能夠便捷地模擬井下井壁生成泥餅，不但能直接觀察沖洗效果，而且能定量地評(píng)價(jià)沖洗液對(duì)泥餅的沖洗效率，達(dá)到評(píng)價(jià)要求[5-7]。

表1　利用沖洗裝置評(píng)價(jià)10%M71L沖洗液的沖洗效率

表2　利用沖洗裝置評(píng)價(jià)15%M71L沖洗液沖洗效率

5　結(jié)論及建議

1.研制的沖洗效率評(píng)價(jià)裝置能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，能對(duì)沖洗液對(duì)井壁濾餅的沖洗效率進(jìn)行直觀有效的評(píng)價(jià)，對(duì)于調(diào)配高效的沖洗液具有積極的借鑒作用。

2.裝置具有可視性，可以根據(jù)目視結(jié)果更加準(zhǔn)確地確定沖洗時(shí)間，同時(shí)也便于調(diào)整并確定達(dá)到最佳沖洗效果的臨界流速，對(duì)于合理確定固井施工排量具有指導(dǎo)意義。

3.該套裝置作為一種評(píng)價(jià)裝置，對(duì)于進(jìn)行各類(lèi)型沖洗液、隔離液對(duì)井壁濾餅的沖洗效果研究具有積極的促進(jìn)作用。

4. 建議進(jìn)一步研究井壁模擬材料，使濾餅的形成更加接近井下實(shí)際，操作簡(jiǎn)單，更利于沖洗液的評(píng)價(jià)。

[1]單高軍，崔茂榮，馬勇，等. 油基鉆井液性能與固井質(zhì)量研究[J]. 天然氣工業(yè)， 2005，25（6）：70-71.

SHAN Gaojun，CUI Rongmao，MA Yong，et al. Research on oil-base drilling fluid performance andcementing quality[J]. Natural Gas Industry， 2005，25（6）：70-71.

[2]幾莉，吳芳，張弛，等.驅(qū)油用表面活性劑的發(fā)展及界面張力研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，25（6）：59-65.

JI Li，WU Fang，ZHANG Chi，et al.Development and research of surfactants in oil displacement and the interfacial tension[J].Journal of Xi 'An Petroleum University (Natural Science Edition)，2010，25（6）：59-65.

[3]李?lèi)?ài)民，黃文紅，張新文，等.油基泥漿固井清洗液評(píng)價(jià)方法初探及性能研究[J]. 新疆石油天然氣. 2006，2（2）：33-35.

LI Aimin，HUANG Wenhong，ZHANG Xinwen，et al. Research of evaluation method and performance on oilbase mud cementing fluid[J].Xinjiang Oil & Gas， 2006，2（2）：33-35.

[4]王薦，岳前升，吳彬，等.油基鉆井液井筒清洗技術(shù)室內(nèi)研究[J].海洋石油，2008，28（4）：73-76.

WANG Jian，YUE Qiansheng，WU Bin，et al.Research on oil-base drilling fluid indoor wellbore cleaning technology[J].Offshore Oil，2008，28（4）：73-76.

[5]由福昌，許明標(biāo).一種固井前置沖洗液沖洗效率的評(píng)價(jià)方法[J].鉆井液與完井液，2009，26（6）：47-48.

YOU Fuchang，XU Mingbiao.Evaluation method on cementing front rinses flushing efficiency[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，26（6）：47-48.

[6]朱江林，石禮崗，馮克滿(mǎn)，等.一種物理模擬沖洗液沖洗效率的評(píng)價(jià)方法[J].鉆井液與完井液，2012，29（1）：69-70.

ZHU Jianglin，SHI Ligang，F(xiàn)ENG Keman，et al. Evaluation method on fiushing efficiency of physical simulation flushing fluid[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2012，29（1）：69-70.

[7]王廣雷，吳迪，姜增東，等.固井沖洗效率評(píng)價(jià)方法探討[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（2）：77-80.

WANG Guanglei，WU Di，JIANG Zengdong，et al.Discussion of evaluation method of cementing flushing efficiency[J].Petroleum Drilling Techniques，2011，39（2）：77-80.

A Visual Test Apparatus for Flushing Fluid Evaluation and the Evaluation Method

LI Shaoli, ZHOU Zhanyun, YAO Zhixiang, LI Zhimin
(Cementing Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd., Sinopec, Puyang, Henan 457000,China)

In flushing fluid evaluation， no standardized methods are available； some evaluation apparatus developed in recent years are not able to simulate the real situation of field operation， and quantitatively evaluate the performance of flushing fluid. A new visual test apparatus for flushing fluid evaluation has recently been developed， which consists of fluid storage tank， circulation pump， flow rate controller， flow meter， simulated wellbore， backflow conduit， heating device， liquid drain， and roller. This apparatus is able to simulate the formulation of flushing fluid， flushing time and flow rate etc.， and the flushing performance can be visually checked because a transparent glass pipe is used as the simulated borehole. The flushing time can be determined by visualization and the critical flow rate can be determined for optimum flushing. As a quantitative， visual evaluation apparatus， it is able to satisfy the needs for field application.

Well cementing； Flushing fluid； Flushing efficiency； Visual evaluation apparatus

TE256.9

A

1001-5620（2016）02-0092-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.020

李韶利，工程師， 1977年生，現(xiàn)從事固井水泥漿化驗(yàn)分析工作。電話 13938336850；E-mail：lslhh@ sina.com。

（2015-12-03；HGF=1601C8；編輯王超）