辜 濤 鄭有成 鄭友志 李 維 趙 軍 王 銳 舒秋貴

1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3.中國石油西南油氣田公司 4.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 5.西華師范大學(xué)

0 引言

優(yōu)良的固井質(zhì)量是確保井工程質(zhì)量的基礎(chǔ)，除了采用振動(dòng)固井、精細(xì)控壓壓力平衡法固井等工藝來保障固井質(zhì)量外[1-3]，還需要在水泥漿與鉆井液之間注入一段前置液，以達(dá)到?jīng)_洗井壁和套管壁、隔離水泥漿與鉆井液、防止接觸污染等目的[4-6]。因此，沖洗效率是評(píng)價(jià)前置液性能的關(guān)鍵指標(biāo)，是前置液評(píng)價(jià)優(yōu)選、用量和排量設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，對(duì)固井界面膠結(jié)質(zhì)量和層間有效封隔有著重要的影響[7-12]。目前，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的固井前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法、濾餅稱重法、模擬井筒沖洗裝置是較普遍使用的前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法。王翀等[13]將常規(guī)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒改為外筒側(cè)面及底部不開口的轉(zhuǎn)筒，以消除轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁吸附液體的影響。唐世忠等[14]借鑒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法，利用人造巖心或鋼柱來模擬靜態(tài)下的井壁和套管，建立了一種基于剪切速率相等原理的固井沖洗液評(píng)價(jià)裝置及方法。吳村章等[15]通過將高溫高壓濾失儀制得的鉆井液濾餅固定在六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒上進(jìn)行沖刷，通過評(píng)價(jià)沖洗前后濾餅變化，建立了前置液沖洗效率評(píng)價(jià)方法。齊奔等[16]以磨砂外筒模擬井壁，沖洗液杯模擬套管，加熱套模擬井下溫度建立了一種沖洗液沖洗效率評(píng)價(jià)方法。李韶利等[17]、由福昌等[18]利用陶瓷濾管、砂巖滲透性材料模擬井壁，通過對(duì)壓制形成鉆井液濾餅后的模擬井壁沖洗，建立了模擬井筒的沖洗液沖洗效率評(píng)價(jià)裝置。

上述方法中，濾餅稱重法和模擬井筒沖洗裝置因存在著裝置和操作復(fù)雜、裝備個(gè)性化強(qiáng)、操作方法難以統(tǒng)一等問題而未能廣泛應(yīng)用；而旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法則因具有設(shè)備易得、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)外所廣泛采用，目前已成為一些油氣田評(píng)價(jià)前置液沖洗效率的標(biāo)準(zhǔn)方法[19-23]。然而，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法也存在著評(píng)價(jià)結(jié)果誤差大、重復(fù)性差等不足，難以準(zhǔn)確、定量地反映前置液沖洗效率，不能有效指導(dǎo)前置液評(píng)價(jià)優(yōu)選和工藝參數(shù)優(yōu)化。為此，筆者在分析傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法誤差來源的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出了改進(jìn)措施并實(shí)驗(yàn)分析了改進(jìn)措施的有效性和適用性，利用改進(jìn)后的評(píng)價(jià)方法對(duì)長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)Y 井區(qū)頁巖氣水平井固井前置液洗油劑類型進(jìn)行了優(yōu)選，對(duì)前置液沖洗時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)前置液沖洗效率，可以為前置液優(yōu)選和應(yīng)用工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 改進(jìn)措施研究

1.1 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法誤差主要來源

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法的主要技術(shù)原理是用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的轉(zhuǎn)筒模擬套管，使其表面吸附一層鉆井液后，再放入前置液中并在模擬一定轉(zhuǎn)速下沖洗一定時(shí)間，模擬前置液在環(huán)空流動(dòng)沖洗狀態(tài)，最后通過沖洗前后吸附鉆井液的質(zhì)量變化來評(píng)價(jià)前置液沖洗效率。該方法的主要步驟為：①將黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒洗凈干燥后稱重；②將稱重后的轉(zhuǎn)筒在鉆井液中浸泡20 min，靜滴至不再滴鉆井液后稱重；③將轉(zhuǎn)筒安裝到六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上，用配好的前置液分別以200 r/min 或300 r/min 清洗5～10 min；④如果前置液為沖洗液，可以在沖洗后直接取走漿杯，等到不再滴落液體后將轉(zhuǎn)筒取下稱重，如果前置液為加重隔離液，則需要先用清水以6 r/min 的速度將轉(zhuǎn)筒上殘留的隔離液清洗掉，等到不再滴落液體后將其取下稱重；⑤最后按照式（1）計(jì)算沖洗效率。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)筒外徑為4.07 cm，周長為12.78 cm，即轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的距離為12.78 cm。在200 r/min 和300 r/min轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的距離為25.56 m/min 和38.34 m/min，即0.43 m/s 和0.64 m/s。

式中η表示沖洗效率；W1表示干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；W2表示吸附鉆井液后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；W3表示沖洗后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g。

從式（1）可知，要準(zhǔn)確獲得沖洗效率就必須準(zhǔn)確獲得沖洗后殘留在轉(zhuǎn)筒上的鉆井液質(zhì)量。然而在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，由于存在轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)、殘留鉆井液質(zhì)量確定方法兩方面主要原因，使得沖洗后殘留在轉(zhuǎn)筒上的鉆井液質(zhì)量無法準(zhǔn)確測(cè)定。首先，標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒為貫通結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)筒浸泡入鉆井液時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)外壁會(huì)同時(shí)吸附上鉆井液，但在沖洗時(shí)由于轉(zhuǎn)筒內(nèi)部有定子且空間狹小，使得內(nèi)壁不能被有效沖洗（圖1）。

當(dāng)前置液為加重隔離液時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁鉆井液非但不能被沖洗，還會(huì)在原來鉆井液上再黏附上一層隔離液（圖2），這就使得在目測(cè)轉(zhuǎn)筒外壁被沖洗較干凈的情況下，計(jì)算得到的沖洗效率卻很低，偏離了實(shí)際情況，無法對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果量化對(duì)比。

圖1 沖洗前后旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒照片

圖2 隔離液+清水沖洗后旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒外壁與內(nèi)壁照片

其次，殘留鉆井液質(zhì)量是通過測(cè)試沖洗液或清水清洗后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量與干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量的差值確定的，而用沖洗液沖洗或先用隔離液沖洗再用清水清洗后，轉(zhuǎn)筒上會(huì)黏附一層沖洗液或清水，造成測(cè)得的殘留鉆井液質(zhì)量高于實(shí)際值，對(duì)殘留鉆井液質(zhì)量測(cè)量結(jié)果有較大影響。因此，要提高旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法的測(cè)試準(zhǔn)確度就需要解決上述2 個(gè)方面的問題。

1.2 針對(duì)誤差來源的改進(jìn)措施

針對(duì)常規(guī)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁不能被有效沖洗問題，將原來兩端開口轉(zhuǎn)筒改為封端轉(zhuǎn)筒，螺紋扣型、外徑和高度與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)筒相同[16]。這樣就可以避免轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁無法被有效沖洗以及吸附隔離液帶來的誤差。在改進(jìn)沖洗后轉(zhuǎn)筒表面殘留鉆井液質(zhì)量確定方法方面，根據(jù)鉆井液固含量一定的原理，將沖洗液或清水沖洗后的轉(zhuǎn)筒放入烘箱烘干后，扣除干凈轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，得到殘留鉆井液所含的固體質(zhì)量。再根據(jù)鉆井液固含量，就能計(jì)算得到殘留的鉆井液質(zhì)量，從而消除了吸附的沖洗液或清水對(duì)殘留鉆井液質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的影響。

基于上述改進(jìn)措施，改進(jìn)后的評(píng)價(jià)步驟為：①稱取一定質(zhì)量攪拌均勻后的鉆井液置于已稱重的燒杯中，然后放入烘箱并在90 ℃條件下烘干至恒重，計(jì)算出燒杯中固體質(zhì)量，進(jìn)而得到鉆井液的固含量；②稱取改進(jìn)后的干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，然后將其浸入攪拌均勻的鉆井液中20 min 后取出靜滴3 min，稱取吸附鉆井液后的轉(zhuǎn)筒質(zhì)量；③將吸附鉆井液后的轉(zhuǎn)筒安裝到六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上，浸沒在前置液中以200 r/min 或300 r/min 轉(zhuǎn)速?zèng)_洗一定時(shí)間。對(duì)于固井時(shí)環(huán)空返速小于1 m/s 的情況優(yōu)先選擇200 r/min 轉(zhuǎn)速，反之優(yōu)先選擇300 r/min 轉(zhuǎn)速；④如果前置液為沖洗液，可以在沖洗完后直接取走漿杯，等到不再滴落液體后將轉(zhuǎn)筒放入烘箱中，在90 ℃條件下烘干至恒重后稱重。如果前置液為加重隔離液，則需要先用清水以6 r/min 的速度將轉(zhuǎn)筒上殘留的隔離液清洗掉，靜滴3 min 后放入烘箱中，在90 ℃條件下烘干至恒重后稱重。

根據(jù)鉆井液固含量ω，可以得出沖洗后殘留在轉(zhuǎn)筒上的鉆井液質(zhì)量為：

則可以沖洗掉的鉆井液質(zhì)量計(jì)算沖洗效率η，如式（3）所示。

進(jìn)一步簡化式（3），得

式中M3表示烘干后轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；M1表示干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；M2表示吸附鉆井液后的轉(zhuǎn)筒質(zhì)量，g；ω表示鉆井液固含量。

2 改進(jìn)措施有效性與適用性實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

主要材料：柴油基鉆井液（取自川南某頁巖氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)，密度2.00 g/cm3，固含量為ωOBM=32.15%）、水基聚磺鉆井液（取自川西地區(qū)某超深井鉆井現(xiàn)場(chǎng)，密度1.92 g/cm3，固含量為ωWBM=29.38%）；前置液懸浮劑XFJ（來自成都安諾鈕斯公司）；洗油劑XYJ（取自固井現(xiàn)場(chǎng)代號(hào)為A、B 和C 的3 種類型）；消泡劑XPJ（來自成都科龍?jiān)噭┕荆恢鼐痁JS（來自峨眉山市雍久超細(xì)材料技術(shù)有限公司）；自來水。針對(duì)兩種不同類型鉆井液分別設(shè)計(jì)了不同類型前置液，如表1 所示。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（ZNN-D6B，上海榮計(jì)達(dá)儀器科技有限公司），精密電子天平（ME2002E，梅特勒—托利多有限公司），鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9140A，常州兆圣實(shí)驗(yàn)設(shè)備制造有限公司）。

表1 前置液配方表

2.2 改進(jìn)措施有效性分析

分別采用改進(jìn)評(píng)價(jià)方法和傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，對(duì)比測(cè)試了4 種條件下的沖洗效率。每種條件下均平行測(cè)試3 次，通過結(jié)果的重復(fù)性來評(píng)價(jià)改進(jìn)措施的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法和改進(jìn)評(píng)價(jià)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果表

從表2 可以看出，在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，改進(jìn)評(píng)價(jià)方法測(cè)試結(jié)果的平均值均遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法結(jié)果，而改進(jìn)評(píng)價(jià)方法測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法測(cè)試結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值在3%以內(nèi)，表明改進(jìn)評(píng)價(jià)方法結(jié)果具有較好的一致性。測(cè)試結(jié)果相差最大的為第1 組，改進(jìn)評(píng)價(jià)方法結(jié)果比傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法結(jié)果高出72.4%，而其標(biāo)準(zhǔn)偏差只有1.4%，要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法的13.1%。原因在于轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)改變后，消除了如圖2 中所示的傳統(tǒng)方法中轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁不能被有效沖洗以及附著的前置液導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏小的影響。

2.3 改進(jìn)措施適用性分析

為驗(yàn)證改進(jìn)措施的適用性，考察了如表3 所示的不同沖洗條件對(duì)沖洗效率的影響，如圖3 所示。由圖3 可知：①在不同前置液類型條件下，對(duì)于柴油基鉆井液，洗油型加重隔離液兼具表面活性劑的洗滌作用同時(shí)所含重晶石顆粒能夠?qū)︺@井液起到?jīng)_擊剝離作用，因而具有最高的沖洗效果。普通加重隔離液的沖洗效率高于洗油型沖洗液說明重晶石顆粒的沖擊剝離作用要大于表面活性劑的洗滌作用。②在不同沖洗轉(zhuǎn)速條件下，300 r/min 的沖洗效果要高于200 r/min，這是由于前置液的相對(duì)流速越大，形成的壁面剪切應(yīng)力越大。③在不同沖洗時(shí)間條件下，10 min 沖洗效率比5 min 沖洗效率增加了14.5%，但15 min 沖洗效率只比10 min 沖洗效率增加了3.5%，表明固井作業(yè)時(shí)的前置液沖洗時(shí)間需要設(shè)計(jì)在合理范圍，如果沖洗時(shí)間過短則不能有效沖洗兩個(gè)膠結(jié)面，影響固井質(zhì)量，過長則會(huì)提高前置液用量，增加成本。④在不同洗油劑類型條件下，采用B 型洗油劑能夠獲得較高的沖洗效率。

通過以上分析可以看出，由于改進(jìn)方法評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性提高，不同條件下得到的沖洗效率結(jié)果具有對(duì)比性，能夠?yàn)榍爸靡盒阅茉u(píng)價(jià)和相關(guān)應(yīng)用工藝參數(shù)提供參考。

表3 不同沖洗實(shí)驗(yàn)條件表

圖3 不同沖洗條件對(duì)沖洗效率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3 改進(jìn)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

利用改進(jìn)后旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法對(duì)長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)Y 井區(qū)頁巖氣水平井固井前置液洗油劑類型進(jìn)行了優(yōu)選，對(duì)前置液用量進(jìn)行了優(yōu)化。該區(qū)塊為三開井身結(jié)構(gòu)，三開為?168.28 mm 井眼、下?127.00 mm 油層套管，具有裸眼水平段長（平均1 400 m）、鉆井液密度高和黏切高、界面清洗困難等固井難點(diǎn)，對(duì)洗油型加重隔離液的沖洗性能提出了極高要求。

3.1 洗油劑類型優(yōu)選

將示范區(qū)內(nèi)在用的S80、AN100、DR20L 等3種洗油劑配制成沖洗液，按沖洗時(shí)間8 min、沖洗轉(zhuǎn)速300 r/min，對(duì)密度2.10 g/cm3的高密度柴油基鉆井液進(jìn)行了沖洗效率對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示?？梢钥闯觯琒80 洗油劑的沖洗效率相對(duì)最高，可作為首選的洗油劑。

表4 不同沖洗液沖洗效率對(duì)比表

3.2 洗油型加重隔離液沖洗時(shí)間優(yōu)化

前置液用量與沖洗時(shí)間密切相關(guān)，在設(shè)定沖洗時(shí)間后，結(jié)合施工井的環(huán)空返速和井筒環(huán)空體積，就可計(jì)算出固井時(shí)所需的前置液用量。將S80 洗油劑配制成密度2.13 g/cm3的洗油型加重隔離液，在沖洗轉(zhuǎn)速300 r/min 下，開展了沖洗效率隨時(shí)間變化的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯?，沖洗效率在最初隨沖洗時(shí)間增加而大幅提高，但在沖洗時(shí)間達(dá)到8 min 后就逐漸平穩(wěn)，獲得較高沖洗效率的最佳和最經(jīng)濟(jì)的沖洗時(shí)間為8～10 min。

圖4 S80 洗油型加重隔離液沖洗效率隨沖洗時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié)論與建議

1）將轉(zhuǎn)筒改進(jìn)為封端結(jié)構(gòu)避免轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁無法被有效沖洗的影響，以鉆井液固含量和清洗后鉆筒表面殘留固體質(zhì)量來確定殘留鉆井液質(zhì)量消除了殘留沖洗液或清水的影響。

2）改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的重復(fù)性，不同實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，能夠?yàn)榍爸靡盒阅茉u(píng)價(jià)優(yōu)選和應(yīng)用工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

3）可在改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究建立標(biāo)準(zhǔn)鉆井液、沖洗轉(zhuǎn)速、沖洗時(shí)間等，形成標(biāo)準(zhǔn)的前置液評(píng)價(jià)方法。