一種可視化沖洗液評價裝置與方法

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457000）

一種可視化沖洗液評價裝置與方法

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457000）

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

目前，國內(nèi)外對沖洗液沖洗效率的評價沒有統(tǒng)一的方法和手段，近年來也有一些評價裝置的研制與使用，但不能真實模擬現(xiàn)場，不能定量評價沖洗液性能。中原固井公司結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用，設(shè)計了一種沖洗液評價裝置與方法，該裝置主要由儲液罐、循環(huán)泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計、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)場沖洗液的配比、沖洗時間、沖洗流速等技術(shù)參數(shù)，同時，井筒采用透明玻璃管，實現(xiàn)沖洗效果可視化。其可以根據(jù)目視結(jié)果更加準(zhǔn)確地確定沖洗時間，同時也便于調(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價沖洗效果的裝置，能夠充分滿足現(xiàn)場需要。。

固井；沖洗液；沖洗效率；可視化評價裝置

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；同時由于裸眼段長，環(huán)空間隙小、固井頂替效率較低，且水基完井液體系對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)濾餅損害儲層及外濾餅堵塞篩管縫隙，在完井過程中必須最大程度地清除濾餅，因此對固井沖洗液的性能提出了更高要求[1]。目前，國內(nèi)外對沖洗液產(chǎn)品的評價方法及手段都無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，幾種方法各有利弊[2-4]。根據(jù)室內(nèi)實驗及模擬現(xiàn)場，設(shè)計出了一套沖洗液模擬沖洗裝置，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，該裝置能較好地評價油基條件下固井沖洗液的沖洗率。為評價沖洗液的沖洗效率提供了一種科學(xué)的儀器和方法。

1　沖洗液模擬裝置評價難點

1）如何選取模擬巖心材料形成致密油基泥餅。

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

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

4）如何設(shè)定評價方法，確定沖洗效率評價計算公式，確保真實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，通過氣體加壓，使鉆井液在陶瓷濾芯上單向過濾，最終可在濾芯外壁上形成致密的濾餅。

2）對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，以此模擬井下實際溫度狀況。

3）對于實際施工排量下流體的模擬，設(shè)計一種裝置，該裝置由箱體容納沖洗液，箱體內(nèi)安裝溫控加熱裝置，通過離心泵提供動力使液體流動，通過設(shè)置球閥來控制并調(diào)節(jié)流量，通過設(shè)置流量計來監(jiān)控流量，通過設(shè)置容納陶瓷濾芯的裝置來模擬井筒并使流體能夠沖刷模擬井壁。

4）對于沖洗效率的評價，可采用稱重法，分別稱量形成濾餅前、后及沖洗前、后陶瓷濾芯的重量，根據(jù)重量差計算確定沖洗效率。

3　評價裝置設(shè)計

按照上述技術(shù)方案，分別設(shè)計了濾餅生成裝置和沖洗效率評價裝置；濾餅生成裝置用以在模擬井壁的陶瓷濾芯外壁形成濾餅，沖洗效率評價裝置用以模擬沖洗液對模擬井壁進(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，管壁開有多個通孔，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)，下端開有中心孔，外壁設(shè)有外螺紋及密封圈，可實現(xiàn)與內(nèi)管之間的可靠密封。裝置外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

沖洗效率評價裝置主要由儲液罐、循環(huán)泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計、模擬井筒、回流管、溫控加熱器、排液口、滾輪等組成，見圖2。儲液罐箱體結(jié)構(gòu)，其上部安裝循環(huán)泵及模擬井筒，循環(huán)泵入口浸入儲液罐內(nèi)的液體內(nèi)，循環(huán)泵出口通過管路依次連接流量調(diào)節(jié)閥、流量計、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）；儲液罐內(nèi)下部設(shè)置溫控加熱器，儲液罐底部設(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　沖洗效率評價儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀

3.1技術(shù)參數(shù)

儲液罐：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；流量計可顯示即時流量、累計流量；模擬井筒可模擬環(huán)空，即時流速最高可達(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)管上部內(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沖洗效率評價裝置

該裝置由循環(huán)泵提供動力，將罐體內(nèi)盛裝的沖洗液依次通過流量調(diào)節(jié)閥、流量計泵入模擬井筒的進(jìn)液口，流經(jīng)模擬井筒內(nèi)的環(huán)空，對模擬井壁進(jìn)行沖洗，然后由出液口經(jīng)回流管流回儲液罐內(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；流量計可監(jiān)控流量，以配合流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量；儲液罐體下部設(shè)置的溫控加熱器可對罐體內(nèi)的沖洗液進(jìn)行恒溫加熱，以此模擬井下溫度。

3.2.3評價實驗操作方法

1） 利用陶瓷濾管模擬地層井壁，首先稱量其初始重量m0。

2）將陶瓷濾管置于泥餅生成裝置中，由氮氣瓶將高壓氮氣引入泥餅生成裝置的進(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，取出稱取重量m1。

3）將沖洗液加入到?jīng)_洗效率評價裝置的儲液罐中，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價裝置的模擬井筒中，擰上端蓋，打開循環(huán)泵，根據(jù)模擬現(xiàn)場環(huán)空返速調(diào)節(jié)流量，然后開始計時。

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

η=（m1-m2）/（m1-m0）×100%

4　評價實驗

為了驗證實驗裝置能否滿足實際評價的需要，實驗人員模擬現(xiàn)場擬定的操作程序進(jìn)行了評價，采用現(xiàn)場常用的10%M71L和15%M71L油基沖洗液，對其沖洗效率進(jìn)行了測試，方法是：稱量濾芯初始質(zhì)量m0和泥餅生成之后質(zhì)量m1，沖洗后烘干、冷卻后稱重為m2，根據(jù)上述公式計算出沖洗率。60℃下10%M71L、15%M-71L在不同流速、不動沖洗時間下的沖洗效率實驗結(jié)果見表1、表2。由表1和表2可以看出，該套實驗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，而且能定量地評價沖洗液對泥餅的沖洗效率，達(dá)到評價要求[5-7]。

表1　利用沖洗裝置評價10%M71L沖洗液的沖洗效率

表2　利用沖洗裝置評價15%M71L沖洗液沖洗效率

5　結(jié)論及建議

1.研制的沖洗效率評價裝置能夠模擬現(xiàn)場實際情況，能對沖洗液對井壁濾餅的沖洗效率進(jìn)行直觀有效的評價，對于調(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)確地確定沖洗時間，同時也便于調(diào)整并確定達(dá)到最佳沖洗效果的臨界流速，對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價裝置，對于進(jìn)行各類型沖洗液、隔離液對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際，操作簡單，更利于沖洗液的評價。

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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分析工作。電話 13938336850；E-mail：lslhh@ sina.com。

（2015-12-03；HGF=1601C8；編輯王超）