朱 亮，馬 里，陳 華，陳 丹

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，四川成都610051；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都610051）

在水平井固井作業(yè)中，殘留的泥餅會(huì)阻止水泥漿與井壁直接接觸，易在井眼環(huán)空界面處形成微環(huán)隙，從而降低界面膠結(jié)強(qiáng)度；殘存的巖屑會(huì)降低水平井固井頂替效率，并直接影響固井質(zhì)量。所以有效清除環(huán)空殘留的井壁泥餅和巖屑是提高水平井固井質(zhì)量的前提。因此需要研究一種沖洗液能同時(shí)有效清洗井壁泥餅和清除環(huán)空殘存的巖屑。壓裂液最新研究表明：纖維壓裂液可提高其對(duì)支撐劑的攜砂性能，其原理在于壓裂液中的纖維均勻分散形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保持壓裂液攜砂性能的穩(wěn)定，同時(shí)還可降低壓裂液摩阻[1-5]。因此，為解決固井作業(yè)前水平井段的井眼清潔問(wèn)題，借鑒纖維壓裂液的研究，將纖維引入到固井沖洗液中，利用纖維在沖洗液中分散后形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在循環(huán)時(shí)清除、攜帶巖屑和刮掉井壁泥餅，來(lái)滿足水平井環(huán)空清潔需求。為此，開(kāi)展了泥餅動(dòng)態(tài)沖洗試驗(yàn)研究和巖屑清潔試驗(yàn)研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維沖洗液沖洗泥餅與清除巖屑的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

（1）試驗(yàn)材料。清潔纖維選用5～10mm單絲人造纖維；選擇標(biāo)準(zhǔn)人造巖芯進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，巖芯滲透率為9～11mD（基于氣測(cè)條件下）；模擬鉆屑，石英砂4～6目（3.35～4.75mm）；水泥漿配方：夾江G級(jí)水泥+35%硅粉+4%BXF-200L（降失水劑）+0.1%BP-1B（消泡劑）+7%PC-RG1（膠乳）+0.5%SXY（分散劑）+3%SEP-2（膨脹劑）+水；試驗(yàn)采用水基鉆井液；沖洗液為現(xiàn)場(chǎng)沖洗液；鉆井液和沖洗液性能如表1、表2所示。

（2）試驗(yàn)設(shè)備：

表1 50℃鉆井液性能參數(shù)

表2 沖洗液性能參數(shù)

①泥餅動(dòng)態(tài)沖洗試驗(yàn)研究。泥餅動(dòng)態(tài)沖洗試驗(yàn)研究主要依賴西南石油大學(xué)自行研制的的固井水泥石膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置[6]，該裝置較之于以前的方法更能夠模擬井下條件，更具有實(shí)用價(jià)值。功能：模擬高溫高壓環(huán)境下不同鉆井液在巖芯上形成泥餅、鉆井液泥餅的動(dòng)態(tài)沖洗、水泥環(huán)的養(yǎng)護(hù)形成過(guò)程，并測(cè)量出水泥環(huán)與巖芯、水泥環(huán)與模擬套管的界面膠結(jié)強(qiáng)度等。

②巖屑床清潔試驗(yàn)研究。巖屑床清潔實(shí)驗(yàn)是在注水泥頂替效率模擬裝置[7]上進(jìn)行的。注水泥頂替效率模擬裝置用于開(kāi)展水泥漿（或泥漿）相似液井筒試驗(yàn)或環(huán)空流動(dòng)試驗(yàn)、水泥漿相似液頂替試驗(yàn)，該裝置可調(diào)節(jié)不同的液體流速、不同的井斜角、不同的井筒直徑和不同的套管偏心度。對(duì)注水泥頂替模擬裝置的改造可滿足井眼清潔實(shí)驗(yàn)的要求。

1.2 泥餅動(dòng)態(tài)沖洗試驗(yàn)研究

（1）實(shí)驗(yàn)原理。高溫高壓前置液動(dòng)態(tài)沖洗效率實(shí)驗(yàn)裝置功能①和②整個(gè)過(guò)程的原理如圖1所示。攪拌槳葉置于巖芯周圍，攪拌槳葉的金屬棒頂在巖芯頂部保證泥餅形成、沖洗的均勻性以及防止巖芯頂部流場(chǎng)受到干擾。

圖1 模擬泥餅形成與沖洗過(guò)程示意圖

流體在2個(gè)同軸圓筒體之間的環(huán)形空間流動(dòng)可近似模擬沖洗液在套管和井壁之間的環(huán)空流動(dòng)，因此，利用內(nèi)筒壁面與環(huán)空壁面處剪切速率相近為理論依據(jù)，用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)沖洗效果模擬評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)工程固井施工參數(shù)[8]。

式中：R1——內(nèi)筒半徑，m；

R2——外筒半徑，m；

D1——井眼直徑，m；

D2——套管外徑，m；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

V——環(huán)空流速，m/s。

（2）實(shí)驗(yàn)條件。泥餅動(dòng)態(tài)形成過(guò)程：在50℃×7.5MPa條件下，攪拌槳葉轉(zhuǎn)速為300r/min，鉆井液濾液穿過(guò)巖芯流出，在巖芯壁面形成泥餅，濾失時(shí)間270min。

動(dòng)態(tài)沖洗過(guò)程：在50℃×7.5MPa條件下，沖洗時(shí)間8min，模擬現(xiàn)場(chǎng)井身結(jié)構(gòu)：井眼直徑215.9mm，套管外徑139.7mm，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)空返速0.8m/s，利用公式（1）計(jì)算試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)速。

養(yǎng)護(hù)過(guò)程：將配制好的水泥漿倒入已經(jīng)沖洗過(guò)巖芯的模具內(nèi)，在60℃×21MPa條件下，養(yǎng)護(hù)24h。

（3）沖洗效率和膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。沖洗液的沖洗效率利用稱重法計(jì)算；膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定采用常規(guī)的“壓出法”[9-10]來(lái)測(cè)定抗壓強(qiáng)度值。

1.3 巖屑清潔試驗(yàn)研究

（1）注水泥模擬裝置改造。為了滿足井眼清潔的實(shí)驗(yàn)要求，需對(duì)注水泥模擬裝置進(jìn)行改造。井眼清潔實(shí)驗(yàn)需在井筒中預(yù)鋪設(shè)巖屑床以及收集沖洗出的巖屑，因此需要將測(cè)量分析系統(tǒng)更換為加砂裝置，在井筒末端加上內(nèi)置過(guò)濾袋，用以收集沖洗出的模擬巖屑。加砂裝置如圖2所示。

圖2 加砂裝置示意圖

（2）實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)裝置模擬水平井，環(huán)空返速0.8m/s，使用不同濃度纖維沖洗液清除巖屑（巖屑150g），使用不同偏心度（0，37.5%，56.3%），計(jì)算巖屑清除效率。

水平井中水平段巖屑清除效率計(jì)算公式：

式中：η——巖屑清除效率，%；

wi——第i次實(shí)驗(yàn)沖出巖屑重量，g；

W——模擬實(shí)驗(yàn)加入巖屑重量，g；

n——實(shí)驗(yàn)次數(shù)，無(wú)因次。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維沖洗液沖洗泥餅效果評(píng)價(jià)

由于模擬泥餅動(dòng)態(tài)形成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)條件相同巖芯滲透率也相同，泥餅形成的厚度（約為1mm）與致密性具有較好的一致性，因此，排除了泥餅厚度的不均質(zhì)性對(duì)后續(xù)沖洗效率評(píng)價(jià)的干擾。

沖洗后觀察巖芯，未加纖維沖洗液沖洗過(guò)后泥餅厚度最厚，隨著纖維濃度的增加，泥餅厚度逐漸變??；未加纖維時(shí)，沖洗過(guò)后巖芯壁面整體上明顯可見(jiàn)仍覆蓋一層泥餅；纖維濃度增加到0.2%時(shí)，巖芯壁面已可以看到大片巖芯裸露，巖芯表面大部分已清洗干凈。

分別計(jì)算不同濃度纖維沖洗液沖洗泥餅的沖洗效率與膠結(jié)強(qiáng)度，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同濃度纖維沖洗液沖洗效率和膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

由表3可知，隨著纖維濃度的增加，沖洗效率與第二界面膠結(jié)強(qiáng)度都在增加；纖維濃度為0.2%及以上時(shí)，沖洗效率已達(dá)到90%以上，此時(shí)的沖洗效率相較于未加纖維時(shí)的沖洗效率增加了63.65%，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度相較于未加纖維時(shí)的第二界面膠結(jié)強(qiáng)度增加了127%；在纖維濃度為0.2%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，在此濃度前，隨著纖維濃度的增加，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度和沖洗效率增加較快，在此濃度上再增加纖維濃度，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度和沖洗效率增加量變小，基本趨于穩(wěn)定，所以沖洗泥餅的纖維最佳濃度為0.2%。因此，纖維有利于刮掉井壁附著物，纖維沖洗液可有效提高沖洗泥餅的效率。

2.2 纖維沖洗液清除巖屑效果評(píng)價(jià)

（1）不同纖維濃度時(shí)纖維沖洗液的清除效率。分別計(jì)算不同濃度纖維沖洗液對(duì)巖屑的清除效率與膠結(jié)強(qiáng)度，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同濃度纖維沖洗液巖屑清除效率對(duì)比

由表4可知，隨著纖維濃度的增加，巖屑清除效率在增加，纖維濃度增加到0.15%時(shí)，巖屑清除效率已達(dá)到90%以上，此時(shí)的巖屑清除效率是未加纖維時(shí)的巖屑清除效率的2.5倍，清除巖屑時(shí)的最佳纖維濃度為0.15%。因此，纖維在沖洗液中分散后形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有利于清除巖屑，纖維沖洗液可有效提高巖屑清除效率。

（2）不同偏心度時(shí)纖維沖洗液的清除效率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組不同的偏心度，分別為：0，37.5%，56.3%。

圖3 不同偏心度時(shí)纖維沖洗液的清除效率

由圖3可知，未加纖維時(shí)，e=56.3%、e=37.5%的巖屑清除效率僅為1.4%和13.5%，都未能清除巖屑床；隨著纖維濃度的增加，不同偏心度時(shí)的巖屑床清除效率都增加；纖維沖洗液纖維濃度增加到0.3%，不同偏心狀態(tài)時(shí)的巖屑清除效率均已達(dá)到90%以上。因此，纖維沖洗液不但能提高套管居中時(shí)的巖屑清除效率，而且能顯著提高套管偏心時(shí)的巖屑清除效率。

現(xiàn)場(chǎng)固井施工為得到較高的頂替效率，要求套管居中度不小于67%，當(dāng)e=37.5%，纖維濃度為0.2%時(shí)巖屑清除效率為93.27%，所以在保證套管居中度不小于67%時(shí)的最佳纖維濃度為0.2%。

3 結(jié)論

（1）纖維有利于刮掉井壁泥餅和巖屑，纖維沖洗液可有效提高沖洗泥餅的效率和清除巖屑的效率，纖維濃度0.2%及以上時(shí)，沖洗效率和清除效率均達(dá)到90%以上。

（2）纖維沖洗液不但能提高套管居中時(shí)的巖屑清除效率，而且能顯著提高套管偏心時(shí)的巖屑清除效率。未加纖維時(shí)，e=56.3%、e=37.5%的巖屑清除效率僅為1.4%和13.5%，纖維沖洗液纖維濃度增加到0.3%，不同偏心狀態(tài)時(shí)的巖屑清除效率均已達(dá)到90%以上。

（3）滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求的沖洗液最佳纖維濃度為0.2%。

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