固井前置液沖洗效率評價方法
——改進的旋轉黏度計法

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研究院 2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學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中心 5.西華師范大學

0 引言

優良的固井質量是確保井工程質量的基礎，除了采用振動固井、精細控壓壓力平衡法固井等工藝來保障固井質量外[1-3]，還需要在水泥漿與鉆井液之間注入一段前置液，以達到沖洗井壁和套管壁、隔離水泥漿與鉆井液、防止接觸污染等目的[4-6]。因此，沖洗效率是評價前置液性能的關鍵指標，是前置液評價優選、用量和排量設計的重要依據，對固井界面膠結質量和層間有效封隔有著重要的影響[7-12]。目前，國內外還沒有統一的固井前置液沖洗效率評價方法和標準。旋轉黏度計法、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價方法。王翀等[13]將常規旋轉黏度計轉筒改為外筒側面及底部不開口的轉筒，以消除轉筒內壁吸附液體的影響。唐世忠等[14]借鑒旋轉黏度計法，利用人造巖心或鋼柱來模擬靜態下的井壁和套管，建立了一種基于剪切速率相等原理的固井沖洗液評價裝置及方法。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黏度計轉筒上進行沖刷，通過評價沖洗前后濾餅變化，建立了前置液沖洗效率評價方法。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價方法。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價裝置。

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雜、裝備個性化強、操作方法難以統一等問題而未能廣泛應用；而旋轉黏度計法則因具有設備易得、操作簡便等優點被國內外所廣泛采用，目前已成為一些油氣田評價前置液沖洗效率的標準方法[19-23]。然而，傳統的旋轉黏度計法也存在著評價結果誤差大、重復性差等不足，難以準確、定量地反映前置液沖洗效率，不能有效指導前置液評價優選和工藝參數優化。為此，筆者在分析傳統旋轉黏度計法誤差來源的基礎上，有針對性地提出了改進措施并實驗分析了改進措施的有效性和適用性，利用改進后的評價方法對長寧—威遠頁巖氣示范區Y 井區頁巖氣水平井固井前置液洗油劑類型進行了優選，對前置液沖洗時間進行了優化。改進后的旋轉黏度計法能夠準確評價前置液沖洗效率，可以為前置液優選和應用工藝參數優化提供依據。

1 改進措施研究

1.1 傳統旋轉黏度計法誤差主要來源

傳統旋轉黏度計法的主要技術原理是用六速旋轉黏度計的轉筒模擬套管，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速下沖洗一定時間，模擬前置液在環空流動沖洗狀態，最后通過沖洗前后吸附鉆井液的質量變化來評價前置液沖洗效率。該方法的主要步驟為：①將黏度計轉筒洗凈干燥后稱重；②將稱重后的轉筒在鉆井液中浸泡20 min，靜滴至不再滴鉆井液后稱重；③將轉筒安裝到六速旋轉黏度計上，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）計算沖洗效率。旋轉黏度計標準轉筒外徑為4.07 cm，周長為12.78 cm，即轉筒旋轉一周的距離為12.78 cm。在200 r/min 和300 r/min轉速下，轉筒旋轉的距離為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表示干凈轉筒質量，g；W2表示吸附鉆井液后轉筒質量，g；W3表示沖洗后轉筒質量，g。

從式（1）可知，要準確獲得沖洗效率就必須準確獲得沖洗后殘留在轉筒上的鉆井液質量。然而在實際測試中發現，由于存在轉筒結構、殘留鉆井液質量確定方法兩方面主要原因，使得沖洗后殘留在轉筒上的鉆井液質量無法準確測定。首先，標準旋轉黏度計轉筒為貫通結構，將轉筒浸泡入鉆井液時，轉筒內外壁會同時吸附上鉆井液，但在沖洗時由于轉筒內部有定子且空間狹小，使得內壁不能被有效沖洗（圖1）。

當前置液為加重隔離液時，轉筒內壁鉆井液非但不能被沖洗，還會在原來鉆井液上再黏附上一層隔離液（圖2），這就使得在目測轉筒外壁被沖洗較干凈的情況下，計算得到的沖洗效率卻很低，偏離了實際情況，無法對不同實驗條件下的結果量化對比。

圖1 沖洗前后旋轉黏度計轉筒照片

圖2 隔離液+清水沖洗后旋轉黏度計轉筒外壁與內壁照片

其次，殘留鉆井液質量是通過測試沖洗液或清水清洗后轉筒質量與干凈轉筒質量的差值確定的，而用沖洗液沖洗或先用隔離液沖洗再用清水清洗后，轉筒上會黏附一層沖洗液或清水，造成測得的殘留鉆井液質量高于實際值，對殘留鉆井液質量測量結果有較大影響。因此，要提高旋轉黏度計法的測試準確度就需要解決上述2 個方面的問題。

1.2 針對誤差來源的改進措施

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

基于上述改進措施，改進后的評價步驟為：①稱取一定質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，計算出燒杯中固體質量，進而得到鉆井液的固含量；②稱取改進后的干凈轉筒質量，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筒質量；③將吸附鉆井液后的轉筒安裝到六速旋轉黏度計上，浸沒在前置液中以200 r/min 或300 r/min 轉速沖洗一定時間。對于固井時環空返速小于1 m/s 的情況優先選擇200 r/min 轉速，反之優先選擇300 r/min 轉速；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。

根據鉆井液固含量ω，可以得出沖洗后殘留在轉筒上的鉆井液質量為：

則可以沖洗掉的鉆井液質量計算沖洗效率η，如式（3）所示。

進一步簡化式（3），得

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

2 改進措施有效性與適用性實驗分析

2.1 實驗材料與儀器

主要材料：柴油基鉆井液（取自川南某頁巖氣鉆井現場，密度2.00 g/cm3，固含量為ωOBM=32.15%）、水基聚磺鉆井液（取自川西地區某超深井鉆井現場，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（取自固井現場代號為A、B 和C 的3 種類型）；消泡劑XPJ（來自成都科龍試劑公司）；重晶石ZJS（來自峨眉山市雍久超細材料技術有限公司）；自來水。針對兩種不同類型鉆井液分別設計了不同類型前置液，如表1 所示。

主要實驗儀器：六速旋轉黏度計（ZNN-D6B，上海榮計達儀器科技有限公司），精密電子天平（ME2002E，梅特勒—托利多有限公司），鼓風干燥箱（DHG-9140A，常州兆圣實驗設備制造有限公司）。

表1 前置液配方表

2.2 改進措施有效性分析

分別采用改進評價方法和傳統評價方法，對比測試了4 種條件下的沖洗效率。每種條件下均平行測試3 次，通過結果的重復性來評價改進措施的有效性，實驗結果如表2 所示。

表2 傳統評價方法和改進評價方法對比實驗條件與結果表

從表2 可以看出，在同樣實驗條件下，改進評價方法測試結果的平均值均遠大于傳統評價方法結果，而改進評價方法測試結果的標準偏差均遠小于傳統評價方法測試結果，標準偏差最大值在3%以內，表明改進評價方法結果具有較好的一致性。測試結果相差最大的為第1 組，改進評價方法結果比傳統評價方法結果高出72.4%，而其標準偏差只有1.4%，要遠小于傳統方法的13.1%。原因在于轉筒結構改變后，消除了如圖2 中所示的傳統方法中轉筒內壁不能被有效沖洗以及附著的前置液導致測試結果偏小的影響。

2.3 改進措施適用性分析

為驗證改進措施的適用性，考察了如表3 所示的不同沖洗條件對沖洗效率的影響，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所含重晶石顆粒能夠對鉆井液起到沖擊剝離作用，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流速越大，形成的壁面剪切應力越大。③在不同沖洗時間條件下，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%，表明固井作業時的前置液沖洗時間需要設計在合理范圍，如果沖洗時間過短則不能有效沖洗兩個膠結面，影響固井質量，過長則會提高前置液用量，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，由于改進方法評價結果的準確性和重復性提高，不同條件下得到的沖洗效率結果具有對比性，能夠為前置液性能評價和相關應用工藝參數提供參考。

表3 不同沖洗實驗條件表

圖3 不同沖洗條件對沖洗效率影響實驗結果圖

3 改進評價方法應用

利用改進后旋轉黏度計法對長寧—威遠頁巖氣示范區Y 井區頁巖氣水平井固井前置液洗油劑類型進行了優選，對前置液用量進行了優化。該區塊為三開井身結構，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，對洗油型加重隔離液的沖洗性能提出了極高要求。

3.1 洗油劑類型優選

將示范區內在用的S80、AN100、DR20L 等3種洗油劑配制成沖洗液，按沖洗時間8 min、沖洗轉速300 r/min，對密度2.10 g/cm3的高密度柴油基鉆井液進行了沖洗效率對比評價實驗，結果如表4 所示。可以看出，S80 洗油劑的沖洗效率相對最高，可作為首選的洗油劑。

表4 不同沖洗液沖洗效率對比表

3.2 洗油型加重隔離液沖洗時間優化

前置液用量與沖洗時間密切相關，在設定沖洗時間后，結合施工井的環空返速和井筒環空體積，就可計算出固井時所需的前置液用量。將S80 洗油劑配制成密度2.13 g/cm3的洗油型加重隔離液，在沖洗轉速300 r/min 下，開展了沖洗效率隨時間變化的評價實驗，結果如圖4 所示。可以看出，沖洗效率在最初隨沖洗時間增加而大幅提高，但在沖洗時間達到8 min 后就逐漸平穩，獲得較高沖洗效率的最佳和最經濟的沖洗時間為8～10 min。

圖4 S80 洗油型加重隔離液沖洗效率隨沖洗時間變化曲線圖

4 結論與建議

1）將轉筒改進為封端結構避免轉了轉筒內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量來確定殘留鉆井液質量消除了殘留沖洗液或清水的影響。

2）改進的旋轉黏度計法獲得的評價結果具有良好的重復性，不同實驗條件下的實驗結果具有對比性，能夠為前置液性能評價優選和應用工藝參數優化提供依據。

3）可在改進的旋轉黏度計法基礎上，進一步研究建立標準鉆井液、沖洗轉速、沖洗時間等，形成標準的前置液評價方法。