一种可视化冲洗液评价装置与方法

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，河南濮阳457000）

一种可视化冲洗液评价装置与方法

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，河南濮阳457000）

李韶利等.一种可视化冲洗液评价装置与方法[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：92-95.

目前，国内外对冲洗液冲洗效率的评价没有统一的方法和手段，近年来也有一些评价装置的研制与使用，但不能真实模拟现场，不能定量评价冲洗液性能。中原固井公司结合现场实际应用，设计了一种冲洗液评价装置与方法，该装置主要由储液罐、循环泵、流量调节阀、流量计、模拟井筒、回流管、温控加热器、排液口、滚轮等组成，能够模拟现场冲洗液的配比、冲洗时间、冲洗流速等技术参数，同时，井筒采用透明玻璃管，实现冲洗效果可视化。其可以根据目视结果更加准确地确定冲洗时间，同时也便于调整并确定达到最佳冲洗效果的临界流速，是一种既能定量又很直观地评价冲洗效果的装置，能够充分满足现场需要。。

固井；冲洗液；冲洗效率；可视化评价装置

油基钻井液钻井后由于井壁存在含油泥饼、套管壁上黏附有油基钻井液，且清洗困难，影响固井水泥环胶结强度，导致第一、二界面固井质量欠佳；同时由于裸眼段长，环空间隙小、固井顶替效率较低，且水基完井液体系对油膜的冲洗效果较差，进一步造成固井质量难以提高，为了防止钻井液内滤饼损害储层及外滤饼堵塞筛管缝隙，在完井过程中必须最大程度地清除滤饼，因此对固井冲洗液的性能提出了更高要求[1]。目前，国内外对冲洗液产品的评价方法及手段都无统一标准，几种方法各有利弊[2-4]。根据室内实验及模拟现场，设计出了一套冲洗液模拟冲洗装置，经现场应用，该装置能较好地评价油基条件下固井冲洗液的冲洗率。为评价冲洗液的冲洗效率提供了一种科学的仪器和方法。

1　冲洗液模拟装置评价难点

1）如何选取模拟岩心材料形成致密油基泥饼。

2）如何模拟井下实际温度，并模拟冲洗液在该温度条件下对模拟井壁上形成的泥饼进行冲洗。

3）如何模拟实际施工排量下的流态，以确保冲洗状态与井下实际情况相似。

4）如何设定评价方法，确定冲洗效率评价计算公式，确保真实反映冲洗液的冲洗效果。

2　技术方案的确定

1）采用富含微孔隙陶瓷滤芯模拟岩石井壁，由于其具有0.1 μm的微孔隙，可为油基钻井液在压差下滤失并形成滤饼创造条件；然后设计一种密闭装置容纳油基钻井液，并将陶瓷滤芯浸入油基钻井液中，通过气体加压，使钻井液在陶瓷滤芯上单向过滤，最终可在滤芯外壁上形成致密的滤饼。

2）对于冲洗液的温度控制，采用一种温控加热器，可恒温加热，加热温度可由温控器设定并控制，以此模拟井下实际温度状况。

3）对于实际施工排量下流体的模拟，设计一种装置，该装置由箱体容纳冲洗液，箱体内安装温控加热装置，通过离心泵提供动力使液体流动，通过设置球阀来控制并调节流量，通过设置流量计来监控流量，通过设置容纳陶瓷滤芯的装置来模拟井筒并使流体能够冲刷模拟井壁。

4）对于冲洗效率的评价，可采用称重法，分别称量形成滤饼前、后及冲洗前、后陶瓷滤芯的重量，根据重量差计算确定冲洗效率。

3　评价装置设计

按照上述技术方案，分别设计了滤饼生成装置和冲洗效率评价装置；滤饼生成装置用以在模拟井壁的陶瓷滤芯外壁形成滤饼，冲洗效率评价装置用以模拟冲洗液对模拟井壁进行冲洗。

滤饼生成装置主要由筒体、内管、压盖3部分组成，筒体为筒状结构，两端封闭，上端设置进气孔，其内可容纳钻井液；内管为管状结构，位于筒体内部轴心，管壁开有多个通孔，便于钻井液流入，上端设有内螺纹，可与压盖相连，其内可放置陶瓷滤管；压盖为管状结构，下端开有中心孔，外壁设有外螺纹及密封圈，可实现与内管之间的可靠密封。装置外观及内部结构见图1。

冲洗效率评价装置主要由储液罐、循环泵、流量调节阀、流量计、模拟井筒、回流管、温控加热器、排液口、滚轮等组成，见图2。储液罐箱体结构，其上部安装循环泵及模拟井筒，循环泵入口浸入储液罐内的液体内，循环泵出口通过管路依次连接流量调节阀、流量计、模拟井筒及回流管，模拟井筒内可安装陶瓷滤芯（模拟井壁）；储液罐内下部设置温控加热器，储液罐底部设置排液口，四角安装滚轮。

图1　滤饼生成装置外观及内部结构图

图2　冲洗效率评价仪内部结构及外观

3.1技术参数

储液罐：可容纳50 L冲洗液；循环泵最大排量为100 L/min；流量调节阀可调节流量范围为0～100 L/min；流量计可显示即时流量、累计流量；模拟井筒可模拟环空，即时流速最高可达到1.42 m/s；温控加热器可显示罐内液体温度，可设定恒温加热温度，加热温度范围为0～99 ℃，加热器功率为2 000 W；设定方式为手动和遥控。

3.2工作原理及操作方法

3.2.1滤饼生成装置

将适量油基钻井液由内管上端倒入筒体内，确保液面高度能够浸没陶瓷滤管，然后将陶瓷滤管置入内管，并将压盖旋入内管上部内螺纹，将陶瓷滤管压紧，然后将高压气体由进气孔引入筒体内，在气体压力作用下，钻井液由陶瓷滤管外壁向内部发生滤失，最终可在滤管外壁形成致密的泥饼。

3.2.2冲洗效率评价装置

该装置由循环泵提供动力，将罐体内盛装的冲洗液依次通过流量调节阀、流量计泵入模拟井筒的进液口，流经模拟井筒内的环空，对模拟井壁进行冲洗，然后由出液口经回流管流回储液罐内。流量调节阀可调节流量大小，确保可根据需要提供不同的环空流速；流量计可监控流量，以配合流量调节阀调节流量；储液罐体下部设置的温控加热器可对罐体内的冲洗液进行恒温加热，以此模拟井下温度。

3.2.3评价实验操作方法

1） 利用陶瓷滤管模拟地层井壁，首先称量其初始重量m0。

2）将陶瓷滤管置于泥饼生成装置中，由氮气瓶将高压氮气引入泥饼生成装置的进气孔，加压1.5 MPa持续10 min，使油基钻井液在陶瓷滤管外壁形成泥饼，取出称取重量m1。

3）将冲洗液加入到冲洗效率评价装置的储液罐中，大约占箱体积的1/3～2/3，根据环空冲洗流速确定并调节流量，使流速达到模拟要求，启动温控加热器，将冲洗液循环加热到预定温度。

4） 关闭循环泵，将带有泥饼的陶瓷滤管放入评价装置的模拟井筒中，拧上端盖，打开循环泵，根据模拟现场环空返速调节流量，然后开始计时。

5） 到达设定的冲洗时间后，关闭循环泵及温控加热器，打开模拟井筒顶盖，取出陶瓷滤管，晾干后称取重量m2。冲洗效率计算公式如下。

η=（m1-m2）/（m1-m0）×100%

4　评价实验

为了验证实验装置能否满足实际评价的需要，实验人员模拟现场拟定的操作程序进行了评价，采用现场常用的10%M71L和15%M71L油基冲洗液，对其冲洗效率进行了测试，方法是：称量滤芯初始质量m0和泥饼生成之后质量m1，冲洗后烘干、冷却后称重为m2，根据上述公式计算出冲洗率。60℃下10%M71L、15%M-71L在不同流速、不动冲洗时间下的冲洗效率实验结果见表1、表2。由表1和表2可以看出，该套实验装置能够便捷地模拟井下井壁生成泥饼，不但能直接观察冲洗效果，而且能定量地评价冲洗液对泥饼的冲洗效率，达到评价要求[5-7]。

表1　利用冲洗装置评价10%M71L冲洗液的冲洗效率

表2　利用冲洗装置评价15%M71L冲洗液冲洗效率

5　结论及建议

1.研制的冲洗效率评价装置能够模拟现场实际情况，能对冲洗液对井壁滤饼的冲洗效率进行直观有效的评价，对于调配高效的冲洗液具有积极的借鉴作用。

2.装置具有可视性，可以根据目视结果更加准确地确定冲洗时间，同时也便于调整并确定达到最佳冲洗效果的临界流速，对于合理确定固井施工排量具有指导意义。

3.该套装置作为一种评价装置，对于进行各类型冲洗液、隔离液对井壁滤饼的冲洗效果研究具有积极的促进作用。

4. 建议进一步研究井壁模拟材料，使滤饼的形成更加接近井下实际，操作简单，更利于冲洗液的评价。

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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，工程师， 1977年生，现从事固井水泥浆化验分析工作。电话 13938336850；E-mail：lslhh@ sina.com。

（2015-12-03；HGF=1601C8；编辑王超）