王樂頂，王長在，喻 芬，尚 鋒，黃海鴻，劉 勇

(1．油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室〈西南石油大學〉，四川 成都610500;2．中石油大港油田油氣藏評價事業(yè)部，天津大港300280;3．四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川成都610200;4．中石油遼河油田曙光工程技術(shù)處，遼寧盤錦124109;5．中石油渤海鉆探塔里木鉆井分公司，新疆 庫爾勒841000)

當前，隨著人類對能源需求的日益增長，非常規(guī)能源在勘探開發(fā)中所占的比例越來越大。以頁巖氣鉆井為例，為防止頁巖水化膨脹以及水平段鉆具卡鉆等問題的出現(xiàn)，常采用油基鉆井液或者仿油基鉆井液。然而，現(xiàn)有的沖洗液評價方法主要有行業(yè)標準、旋轉(zhuǎn)粘度計法等。這些方法主要針對水基鉆井液，對于油基鉆井液的沖洗效率和潤濕反轉(zhuǎn)情況還沒有配套的評價方法。本文通過改進前人的評價方法研究出一種適用于油基和水基鉆井液的新型固井沖洗液室內(nèi)評價方法。該方法利用實際工程中的井身結(jié)構(gòu)和平均環(huán)空返速來計算環(huán)空壁面(膠結(jié)界面)處的剪切速率，然后，依據(jù)計算出的剪切速率來選擇室內(nèi)評價實驗應采用的參數(shù)。該評價方法操作簡單，能夠同時測得沖洗液的沖洗效率和模擬評價沖洗效率對固井第一或第二界面處膠結(jié)的影響情況。

1 常用沖洗液評價方法

沖洗液作為前置液的一部分，在固井施工中起著至關(guān)重要的作用，能夠剝離鉆井液泥餅為水泥漿與膠結(jié)界面的良好膠結(jié)創(chuàng)造條件。常用的沖洗液評價方法主要有原行業(yè)標準［1］、旋轉(zhuǎn)粘度計法［2］和王廣雷等人研究的改進旋轉(zhuǎn)粘度計法［3］。

(1)原行業(yè)標準(SY/T 5374－2000)中推薦的沖洗液評價方法是用粘附有鉆井液的圓模來模擬附有泥餅的套管，在1400 r/min下沖洗，稱量沖洗前后粘附鉆井液圓模的質(zhì)量差之比計算沖洗液的沖洗效率。該方法轉(zhuǎn)速較大，剪切速率約為2000～3000 s－1，一般現(xiàn)場施工排量很難達到，不符合實際固井施工時的環(huán)空返速對套管的清洗效率，也不能對固井二界面(井壁)的沖洗效果做出評價。

(2)旋轉(zhuǎn)粘度計法利用旋轉(zhuǎn)粘度計外筒來對沖洗效率進行評價，轉(zhuǎn)速為300 r/min。此方法采用在外筒上粘附鉆井液或者在外筒上捆綁附有鉆井液失水后形成泥餅的濾紙和捆綁鋼質(zhì)篩網(wǎng)或砂紙(模擬固井界面粗糙度)，然后置于沖洗液中旋轉(zhuǎn)，稱量沖洗前后粘附有鉆井液的外筒質(zhì)量差之比計算沖洗效率。由于外筒旋轉(zhuǎn)時存在離心力，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。該方法模擬的剪切速率單一(模擬壁面剪切速率為340 s－1)，不能適應存在不同井身結(jié)構(gòu)和環(huán)空返速下的剪切速率變化，有很大的局限性和偏差。

(3)王廣雷等人根據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計的測量原理對其內(nèi)筒進行了改造。該方法改進了外筒旋轉(zhuǎn)的不足，通過改造內(nèi)筒來計算沖洗效率。利用沖洗液相關(guān)的流變參數(shù)及對應的流體力學公式計算沖洗液在井下環(huán)空的壁面剪切應力，然后調(diào)整改進后的旋轉(zhuǎn)粘度計轉(zhuǎn)速來使內(nèi)筒的壁面剪切應力與井下環(huán)空的壁面剪切應力相接近，并在這種轉(zhuǎn)速下測量沖洗液對內(nèi)筒的沖洗效率。該方法相比前兩種方法有了很大進步，但旋轉(zhuǎn)粘度計有限的轉(zhuǎn)速限制了剪切應力的范圍，而且不能對沖洗液使固井膠結(jié)界面潤濕反轉(zhuǎn)的情況做出評價。

上述3種評價方法都存在一定的不足之處，如轉(zhuǎn)速過大、剪切速率單一、離心力的影響和不能對固井界面的潤濕反轉(zhuǎn)情況做出評價等。對于這些評價方法的改進，使其能夠適用于評價沖洗液對油基鉆井液沖洗效果的室內(nèi)評價方法還未見報道。

2 新型沖洗液評價方法

目前國外沖洗液評價實驗多采用旋轉(zhuǎn)粘度計法［6～10］，針對上述評價方法存在的不足之處，有必要研究出一種新的沖洗液評價方法。在現(xiàn)有評價方法的基礎上改進，將室內(nèi)實驗與現(xiàn)場工程施工設計相結(jié)合，并且能夠針對沖洗液設計做出評價和指導，對油基和水基鉆井液都有很好的適用性。

2．1 裝置原理

通過計算工程中固井膠結(jié)界面處的剪切速率，環(huán)空壁面處剪切速率［4］為:

式中:γ1——壁面處剪切速率，s－1;v——環(huán)空平均返速，m/s;D——井眼直徑，m;d——套管外徑，m。

常用外筒旋轉(zhuǎn)型(Couette系統(tǒng))粘度計的內(nèi)筒外表面處的剪切速率［5］計算公式如下:

式中:γ2——內(nèi)筒外表面處剪切速率，s－1;ω——外筒轉(zhuǎn)速，r/min;R2——外筒內(nèi)半徑，mm;R1——內(nèi)筒外半徑，mm。

流體在兩個同軸圓筒體之間的環(huán)形空間流動近似模擬了沖洗液在套管和井壁之間的環(huán)形空間內(nèi)流動(見圖1)。利用剪切速率相近為理論依據(jù)，用室內(nèi)實驗沖洗效果評價現(xiàn)場工程固井施工參數(shù)(環(huán)空間隙和平均返速)。

圖1 環(huán)空平均返速與圓筒環(huán)形空間流動示意

為了方便模擬固井第二膠結(jié)界面，以常見巖心外半徑為內(nèi)筒固定外半徑，通過增大或減小外筒內(nèi)半徑尺寸來使內(nèi)筒外表面處剪切速率減小或增大(見表1)，以及常見井身結(jié)構(gòu)尺寸時不同平均返速下的壁面剪切速率值(見表2)。

由表1和表2可見:(1)表2中215.90 mm×139.70 mm的井身結(jié)構(gòu)在0.8 m/s平均環(huán)空返速時對應的壁面剪切速率為125.98 s－1，與表1中序號2組合在100 r/min時的內(nèi)筒外表面處剪切速率125.03 s－1相近似。(2)表2中152.40 mm×101.60 mm的井身結(jié)構(gòu)在1 m/s平均環(huán)空返速時對應的壁面剪切速率為236.22 s－1，與表1中序號4組合在600 r/min時的內(nèi)筒外表面處剪切速率233.04 s－1相近似。從以上舉例可以看出該裝置對常見井身結(jié)構(gòu)尺寸和不同環(huán)空平均返速下的剪切速率有很好的匹配性。

在模擬第一和第二固井膠結(jié)界面時，可以將內(nèi)筒選為鋼材或巖心材料，將沖洗前和沖洗后的內(nèi)筒進行膠結(jié)強度的測量，從而對膠結(jié)界面的潤濕反轉(zhuǎn)情況做出定量的判斷。與改進旋轉(zhuǎn)粘度計方法不同，該方法直接用巖心或鋼柱作內(nèi)筒(定子)，只考慮沖洗液對內(nèi)筒的剪切速率而不用測量沖洗液流變性能和內(nèi)筒(定子)的旋轉(zhuǎn)角度，減化了操作步驟?？紤]到溫度可能對液體流變性能的影響，在旋轉(zhuǎn)時為了保持液體溫度恒定，減少實驗誤差，配備了與旋轉(zhuǎn)粘度計匹配的保溫裝置。

表1 內(nèi)筒外半徑為12.5 mm時不同外筒半徑下的剪切速率

表2 常見井身結(jié)構(gòu)尺寸時不同平均返速下的壁面剪切速率

2．2 操作方法

根據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計工作原理，通過改變內(nèi)外筒半徑來得到不同的剪切速率。利用與現(xiàn)場施工相近似的剪切速率在改進后的旋轉(zhuǎn)粘度計上進行模擬、評價沖洗液的沖洗效果，同時為現(xiàn)場施工排量做出指導和優(yōu)化。具體操作方法如下:

(1)計算剪切速率。根據(jù)現(xiàn)場的井身結(jié)構(gòu)和預計平均環(huán)空返速，利用式(1)計算環(huán)空壁面的剪切速率。

(2)選擇組合與轉(zhuǎn)速。對照表1，選擇與現(xiàn)場施工相近的剪切速率下對應的內(nèi)外筒組合及轉(zhuǎn)速。

(3)計算沖洗效率。利用上述組合將現(xiàn)場所用鉆井液在規(guī)定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)一定時間，在旋轉(zhuǎn)之前稱量內(nèi)筒(鋼柱或巖心)質(zhì)量(M1)，用鉆井液旋轉(zhuǎn)之后，取出內(nèi)筒，靜置1～2 min，待無鉆井液滴下時，再次稱重(M2);用沖洗液替換鉆井液，同樣的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)固定的時間(依據(jù)施工所達到的接觸時間)，沖洗后，同樣靜置1～2 min，稱重內(nèi)筒質(zhì)量(M3)，并代入公式(3)計算沖洗效率(A)。以上旋轉(zhuǎn)過程中鉆井液和沖洗液都處于保溫裝置內(nèi)，使其溫度保持在井內(nèi)循環(huán)溫度。

式中:A——沖洗效率，%;M1——內(nèi)筒質(zhì)量，g;M2——粘附鉆井液后內(nèi)筒質(zhì)量，g;M3——沖洗液沖洗粘附鉆井液后內(nèi)筒質(zhì)量，g。

(4)潤濕反轉(zhuǎn)評價。將沖洗后的內(nèi)筒(鋼柱或巖心)放入剪切膠結(jié)測量裝置內(nèi)，灌入現(xiàn)場固井施工設計的水泥漿，然后放入一定溫度、壓力下養(yǎng)護24 h，將測得數(shù)據(jù)代入公式(4)，求出沖洗后的固井界面膠結(jié)強度(P1)。

式中:P——界面膠結(jié)強度，MPa;F——抗壓機測值，N;S——水泥環(huán)膠結(jié)面積，mm2。

同樣方法，將未粘附鉆井液的鋼柱或巖心放入剪切膠結(jié)測量裝置內(nèi)，測出其界面膠結(jié)強度(P2)，將上述膠結(jié)強度代入公式(5)，計算沖洗液對膠結(jié)界面的模擬潤濕反轉(zhuǎn)率(R)。

式中:R——膠結(jié)界面的模擬潤濕反轉(zhuǎn)率，%;P1——沖洗后界面膠結(jié)強度，MPa;P2——未粘附鉆井液時的界面膠結(jié)強度，MPa。

(5)評價與調(diào)整。利用以上實驗數(shù)據(jù)可以評價不同沖洗液的沖洗效果，優(yōu)選最佳沖洗液。利用優(yōu)選出的沖洗液，調(diào)整固井沖洗液施工設計(環(huán)空返速，沖洗液接觸時間等)使其沖洗效果達到或接近100%(見圖2)。

圖2 評價方法中評價與調(diào)整示意

圖2中沖洗效果包括沖洗效率和界面模擬潤濕反轉(zhuǎn)率，如果是在水基鉆井液固井條件下評價沖洗液，可以跳過評價步驟(4)。沖洗液方案指優(yōu)選出的沖洗液類型、環(huán)空返速和沖洗接觸時間等。

3 不同評價方法的評價結(jié)果比較

以某頁巖氣井為例，該井是針對頁巖氣勘探開發(fā)的水平井，三開水平段采用215.9 mm鉆頭，139.7 mm套管固井。將行業(yè)標準、旋轉(zhuǎn)粘度計法和新評價方法進行對比，同時與真實固井質(zhì)量相近似的膠結(jié)強度做參考。評價方法對比實驗采用復配沖洗液(含表面活性劑)與清水，鉆井液為油基鉆井液(基本性能為:密度1.45 g/cm3，漏斗粘度86 s，塑性粘度76 mPa·s，動切力16 Pa，靜切力2/5 Pa，n=0.658，K=0.573 Pa·sn)。根據(jù)該井井身結(jié)構(gòu)并對照表1和表2，模擬平均環(huán)空返速為0.8 m/s時的沖洗效率，新評價方法應利用內(nèi)外筒序號2組合，轉(zhuǎn)速為100 r/min(該返速下壁面剪切速率為125.98 s－1，序號 2組合模擬剪切速率能達到 125.03 s－1，兩者最為接近)。實驗中藥品與加量都相同，三種評價方法的沖洗時間皆為10 min，實驗數(shù)據(jù)見表3。

從表3可以看出，在相同沖洗時間下，行業(yè)標準與旋轉(zhuǎn)粘度計法對清水和復配沖洗液的沖洗效率區(qū)分度不大，而且與實際膠結(jié)強度沒有很好的正相關(guān)，即沖洗效率較高而模擬界面膠結(jié)強度很差。潤濕反轉(zhuǎn)率也反映出清水和復配沖洗液對界面潤濕反轉(zhuǎn)能力的差異。

表3 不同評價方法對沖洗液的評價結(jié)果對比

通過接觸角測定儀對兩種沖洗液進行評價，清水在親油玻片上的接觸角為70°，而復配沖洗液則完全鋪展開，接觸角只有5°。利用含油巖心接觸角也可以驗證新評價方法中界面膠結(jié)強度與潤濕反轉(zhuǎn)情況的一致性。將兩塊巖心在油基鉆井液中浸泡相同時間，然后分別用清水和復配沖洗液以1 m/s速度沖洗10 min，在沖洗后的巖心表面滴幾滴清水，觀察巖心的潤濕反轉(zhuǎn)情況(見圖3)。

圖3 含油巖心在清水與復配沖洗液沖洗后的潤濕情況對比

室內(nèi)模擬評價方法通過測量界面膠結(jié)強度彌補了單純的沖洗效率不能評價沖洗液對固井膠結(jié)界面的潤濕反轉(zhuǎn)情況的缺陷，并且可同時得到?jīng)_洗液的沖洗效率、沖洗后的界面膠結(jié)強度和潤濕反轉(zhuǎn)率，更能體現(xiàn)出對油基鉆井液沖洗效果評價的適用性。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)剪切速率相等原理來改進沖洗液評價方法，以剪切速率為切入點，通過改變外筒尺寸來得到內(nèi)筒表面不同的剪切速率值。結(jié)合室內(nèi)實驗與現(xiàn)場施工設計，更加真實地反應了沖洗液對膠結(jié)界面的沖洗效果。

(2)該方法操作簡單，適應于油基鉆井液和水基鉆井液，并且能夠同時得出沖洗液的沖洗效率和沖洗后的模擬固井界面膠結(jié)強度，能夠?qū)_洗液的沖洗效果做出評價以及對固井沖洗液施工設計做出優(yōu)化。

(3)該方法采用環(huán)空壁面與改進裝置內(nèi)筒壁面處剪切速率相等的原理，通過改變外筒尺寸的技術(shù)手段，在不改變轉(zhuǎn)速的情況下增加了旋轉(zhuǎn)粘度計的剪切速率范圍，保溫裝置避免了較長轉(zhuǎn)動時間下溫度對實驗結(jié)果的影響。

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