CN104675345A - 一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置及方法，该装置主要由支架、承托盘、人造岩心、岩心夹持器、变速电机、质量传感器、计算机采集终端组成，支架上有高度调节夹具，承托盘上放置盛装固井前置液的浆杯，高度调节夹具依次连接质量传感器、变速电机和岩心夹持器，岩心夹持器固定人造岩心，通过调节变速电机转速控制人造岩心在前置液中的转速以模拟施工排量，质量传感器与计算机采集终端相连，可实时采集、记录、存储冲洗过程中人造岩心表面滤饼的质量变化并计算冲洗效率，绘制曲线。本发明原理可靠，操作简便，可实现全过程冲洗效率量化评价和分析，为前置液体系优选、前置液性能优化和冲洗时间、排量等施工参数优化提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工程领域固井工程中固井前置液冲洗效率的评价装置及方法。
背景技术
提高固井水泥石与套管和井壁之间的界面胶结质量是保证固井质量的最重要环节，然而由于钻井液与固井水泥浆之间不具有相容性，套管壁上粘附的钻井液和井壁上钻井液失水形成的滤饼将直接影响水泥石与套管和井壁的胶结质量。为了提高固井界面胶结质量，延长油气井生产寿命，需要在固井注水泥之前向井内注入一段液体段塞对井壁和套管壁进行清洗，称之为前置液。经过多年的研究，国内外已经在前置液方面取得了长足的进步，但是针对前置液的冲洗效果，目前国内外尚无科学统一的作法和标准，这也成为了阻碍固井前置液技术进步的一个主要因素。
针对前置液冲洗效率的评价方法主要有锥形瓶法、钻屑柱法、旋转粘度计法、模拟井筒法。锥形瓶法是将10ml钻井液放入锥形瓶，然后加入一定量的前置液摇晃锥形瓶30s，从瓶中倒出混合物，观察冲洗情况。锥形瓶法是最早采用的方法，比较简单也比较原始，可重复性差，结果只能定性不能定量，人为误差大。钻屑柱法是称取500g包裹有钻井液的钻屑放入玻璃筒内，然后注入一定量的前置液冲洗钻屑，根据冲洗掉的钻井液计算冲洗效率。钻屑柱法虽然可以计算冲洗效率，但是误差很大，实验过程也较繁琐。旋转粘度计法是目前现场最为常用的一种方法，该方法是将旋转粘度计的外转筒沾满钻井液后浸入前置液中旋转清洗一定时间，再根据冲洗前后的质量差计算冲洗效率。旋转粘度计法比较简便，但是操作误差大，可重复性差。模拟井筒法是建立人工模拟井筒，模拟前置液在环空流道中的冲洗情况来评价前置液的冲洗效果，如中国专利“一种固井液冲洗效率评价装置”(CN203515574U)。该方法比较贴合现场实际但是单次试验规模大，成本高，过程繁琐。经过对现有固井前置液冲洗评价装置的文献检索发现，中国专利“一种固井冲洗液冲洗效率定量模拟评价装置”(CN203161216U)采用选择粘度计的外转筒模拟井壁或套管壁，通过控制装置的转速使得外转筒壁面剪切速率与环空壁面剪切速率相等来评价冲洗液对井壁的冲洗效率。中国专利“一种基于剪切速率相等原理的固井冲洗液评价装置及方法”(CN103541675A)在选择粘度计的基础上，采用人造岩心来模拟井壁，通过测试冲洗前后岩心的质量变化来评价冲洗效率，更接近于实际情况。
总体来说目前的评价装置或评价方法主要存在以下两个方面的不足：(1)不能真实地模拟井内滤饼存在情况。现有评价方法中，滤饼是通过把岩心浸泡在钻井液中粘附形成的，不能真实反映钻井液在井内压差的作用下在井壁表面形成致密滤饼的情况，而致密滤饼相比于粘附的钻井液要难清除得多。(2)不能实时反映冲洗过程情况。现有测试方法只能捕捉到开始点和结束点数据，在一段时间内只能产生一个结果，如果要考察不同冲洗时间条件下的冲洗效率则需要重复实验，工作量大而且对冲洗过程不能完整的反应和分析，对前置液的最佳用量、冲洗时间、排量的关键施工参数不能提供科学的指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置，该装置更接近实际工况、操作简单、对比性强，避免传统称量方法中的操作误差，减少不同考察时间条件下的实验工作量，具有广阔的市场前景。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对固井前置液冲洗效率进行工程模拟量化评价的方法，该方法原理可靠，操作简便，利用表面压有滤饼的岩心能够真实地模拟井壁表面存在滤饼的实际工况，通过控制岩心在前置液中的转速模拟固井时前置液的环空返速，利用质量传感器实时精确记录岩心上滤饼的质量损失率和质量损失速率，实现全过程冲洗效率量化评价和分析，为前置液体系优选、前置液性能优化和冲洗时间、排量等施工参数优化提供依据。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置，主要由支架、承托盘、人造岩心、岩心夹持器、变速电机、质量传感器、计算机采集终端组成，所述支架上有高度调节夹具，所述承托盘上放置盛装固井前置液的浆杯，所述高度调节夹具依次连接质量传感器、变速电机和岩心夹持器，所述岩心夹持器通过紧固螺钉固定人造岩心，所述变速电机连有电机转速调节器，通过调节变速电机转速控制人造岩心在前置液中的转速以模拟施工排量，所述质量传感器与计算机采集终端相连，可实时采集、记录、存储冲洗过程中人造岩心表面滤饼的质量变化并计算冲洗效率，绘制曲线。
所述人造岩心直径为40mm，长度为60mm且表面附有钻井液滤饼，所述人造岩心浸没于浆杯内的固井前置液中。
利用上述装置对固井前置液冲洗效率进行工程模拟量化评价的方法，依次包括以下步骤：
(1)选取一个直径为40mm，长度为60mm的人造岩心，并称取其质量G1；
(2)将人造岩心浸没在装有钻井液的高温高压失水仪中，用氮气瓶施加3.5MPa压力，稳压20min后泄压，取出表面附有滤饼的人造岩心，所述钻井液为现场取样钻井液或实验室配制钻井液；
(3)称取附有滤饼的人造岩心质量G2，减去未附有滤饼的人造岩心质量G1，得到人造岩心表面钻井液滤饼的质量G3；
(4)将附有滤饼的人造岩心固定在岩心夹持器上，旋紧紧固螺钉；
(5)将附有滤饼的人造岩心浸入盛装固井前置液的浆杯中，利用电机转速调节器通过调节变速电机的转速，使人造岩心在前置液中的转速至所需转速，人造岩心所需转速R根据下式计算：
R＝V×60/π×D×10-3
式中：V为固井时前置液在环空的返速，m/s，
D为岩心直径，40mm；
(6)通过质量传感器，计算机采集终端实时采集记录人造岩心上附着的滤饼在t时刻的质量Gt，计算滤饼质量随时间变化的损失率即冲洗效率ηt并绘制曲线，滤饼在任意时刻的冲洗效率ηt通过下式计算：
ηt＝Gt/(G2-G1)×100％；
(7)根据计算机采集终端所得的冲洗效率，优选前置液体系，评价和改进前置液的冲洗性能、冲洗时间和排量等工艺参数。
所述人造岩心所需转速，是根据固井时前置液在环空的返速，利用相对运动原理，求出使得人造岩心旋转时线速度等于固井时前置液在环空返速所需的电机转速。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用表面压制有滤饼的岩心能够更好地模拟井壁表面存在滤饼的实际工况。
(2)本发明通过控制岩心在前置液中转动的线速度来模拟固井时前置液的环空返速，与现场主要作业参数的排量结合紧密，原理科学，实验结果有利于现场应用。
(3)本发明利用质量传感器实时精确记录岩心上滤饼的质量损失量并计算冲洗效率，有利于对冲洗过程的分析和数据处理，减少实验工作量，避免传统称量方法中的操作误差。
(4)本发明更接近工程实际，过程可见、操作简单、对比性强，不仅可以评价前置液的冲洗效率，还可根据冲洗效率优选前置液，优化前置液冲洗时间、排量。
附图说明
图1是一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置结构示意图。
图2是本发明提供的实施例前置液冲洗效率测试结果示意图。
图3是本发明提供的实施例前置液冲洗时间优化的测试结果示意图。
图4是本发明提供的实施例前置液返速优化的测试结果示意图。
图5是本发明提供的实施例前置液优选的测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1。
一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置，主要由支架1、承托盘2、人造岩心7、岩心夹持器6、变速电机5、质量传感器4、计算机采集终端10组成，所述支架1上有高度调节夹具3，所述承托盘2上放置盛装固井前置液的浆杯8，所述高度调节夹具3依次连接质量传感器4、变速电机5和岩心夹持器6，所述岩心夹持器6通过紧固螺钉固定人造岩心7，所述变速电机5连有电机转速调节器9，所述质量传感器4与计算机采集终端10相连，所述人造岩心7直径为40mm，长度为60mm且表面附有钻井液滤饼，所述人造岩心7浸没于浆杯8的固井前置液中。
下面结合具体实施例，对本发明提供的固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价方法进行说明，依次按照以下步骤：
(1)选取一个直径为40mm，长度为60mm的人造岩心7，并称取其质量G1；
(2)将人造岩心7浸没在装有钻井液的高温高压失水仪中，用氮气瓶施加3.5MPa压力，稳压20min后泄压，取出表面压有滤饼的岩心；
(3)称取表面压有滤饼的人造岩心质量G2并减去干净人造岩心质量G1，得到人造岩心表面钻井液滤饼的质量G3；
(4)将附有滤饼的人造岩心7固定在岩心夹持器6上，旋紧紧固螺钉；
(5)根据前置液在井下的环空返速计算人造岩心所需转速R，将附有滤饼的人造岩心7浸入盛有固井前置液的浆杯8中，利用电机调速器9调节人造岩心7至所需转速；
(6)在计算机采集终端10的采集软件上点击开始，软件实时采集记录人造岩心7上附着的滤饼在t时刻的质量Gt，并计算滤饼质量随时间变化的损失率即冲洗效率ηt并绘制曲线；
(7)根据步骤(6)计算机采集终端所得的冲洗效率，优选前置液体系，评价和改进前置液的冲洗性能、冲洗时间、排量等工艺。
实施例1钻井液用前置液冲洗效率测试实验
川西地区某井，直径215.90mm井眼中下入139.70mm套管，采用钻井液体系为密度1.52g/cm3的聚磺钻井液体系，设计采用前置液A以0.8m/S的环空返速顶替钻井液，设计冲洗时间为15min。采用本发明评价装置及方法评价前置液A在此作业参数条件下的冲洗效率。
第一步，称取人造岩心质量为112.36g。第二步，将人造岩心至于高温高压失水仪中，灌入现场钻井液并没过岩心，利用氮气瓶向高温高压失水仪中注入3.5MPa的压力，稳压20min后泄压取出表面压有滤饼的岩心。第三步，称取表面压有滤饼的岩心质量为131.58g，减去干净岩心质量得到滤饼质量为19.22g。第四步，将表面压有滤饼的岩心安装在岩心夹持器上，并调节人造岩心高度使其没入盛有前置液A的浆杯中。第五步，按照电机转速R计算公式得到岩心线速度达到0.8m/s所需的转速为382r/min。第六步，在采集软件中上点击开始后调节电机转速至382r/min，冲洗15min，采集软件和显示器自动采集、记录、处理、显示、存储冲洗效率随时间变化曲线。本实施例的测试结果如图2所示，得到人造岩心使用前置液A冲洗以0.8m/s的返速15min后的冲洗效率为80.12％，此外从曲线上可以看出，在冲洗最开始的阶段，冲洗效率上升速度较快，而后期速度逐渐降低，这是因为滤饼存在一定的分层结构：表面为虚泥饼层，较易被冲洗；中间为稠化泥饼层，冲洗稍困难；而底部为压实致密层，不易被冲洗，需要较长的冲洗时间或较大的冲洗力，这与张达明、S.M.EIkatatny等人对滤饼的结构研究成果相符(张达明,徐同台,牛亚斌等.用冷冻干燥技术研究钻井液及泥饼的微观结构[J].钻井液与完井液.1995，12(3):1-7//S.M.EIkatatny,M.A.Mahmoud,H.A.Nasr-EI-Din.ANew technique to Characterise Drill Fluid Filter Cake[C],SPE Euopean Formation DamageConference,June 2011,SPE 144098)。
实施例2前置液冲洗时间的优化
步骤与实施例1相同，其他条件不变，只延长前置液A的冲洗时间，考察冲洗效率随冲洗时间的变化情况，测试结果如图3所示。从图3中可以看出，当冲洗时间达到15min时冲洗效率为82.95％，结果与实例1结果一致，同时也说明利用本发明装置，通过延长冲洗时间可以评价涵盖不同冲洗时间条件下的冲洗效率，可大量节约实验工作量。当冲洗时间达到23min以上时，冲洗效率维持在94％左右不再变化，说明在0.8m/s环空返速条件下，前置液冲洗时间至少要设计在23min以上才能获得比较好的冲洗效果。
实施例3前置液返速的优化
在实施例1的基础上，其他条件不变，只是将前置液A的环空返速提高到1.0m/s，相应的岩心转速提高到478r/min，考察冲洗15min后的冲洗效率，得到最终冲洗效率为90.48％，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，当返速提高后，冲洗效率在前期增长较快，后期逐渐趋于平稳，表明在前置液用量不足或封固段较长的情况下适当提高返速能够提高冲洗效率。
实施例4前置液优选
塔里木油田某区块目的层采用油基钻井液钻进后，因为井壁表面粘附有油基钻井液，而普通水基钻井液对其几乎没有清洗效果，且该区块环空间隙小，易井漏施工排量受限，严重影响了固井质量，需优选一套低返速条件下冲洗性能优良的表面活性剂前置液。为解决该区块的油基钻井液条件下的固井问题，设计了3套表面活性剂前置液体系，利用本发明评价装置和方法评价前置液B、C、D的冲洗效果优劣以选择最优的前置液体系。本实施例中钻井液采用该区块常用的柴油基乳化钻井液，按照该区块的常规作法选择冲洗时间为15min，环空返速为0.6m/s，相对应的岩心转速为287r/min，测试结果如图5所示。从图5中可以看出在相同的冲洗条件下，前置液C的冲洗效率最高(91.72％)，前置液B的冲洗效率次之(83.08％)，前置液D的冲洗效率最低(73.28％)，在不考虑其他因素的条件下，应首选前置液C。
最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，对本领域普通技术人员来说，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置，主要由支架(1)、承托盘(2)、人造岩心(7)、岩心夹持器(6)、变速电机(5)、质量传感器(4)、计算机采集终端(10)组成，其特征在于，所述支架(1)上有高度调节夹具(3)，所述承托盘(2)上放置盛装固井前置液的浆杯(8)，所述高度调节夹具(3)依次连接质量传感器(4)、变速电机(5)和岩心夹持器(6)，所述岩心夹持器(6)通过紧固螺钉固定人造岩心(7)，所述变速电机(5)连有电机转速调节器(9)，所述质量传感器(4)与计算机采集终端(10)相连。
2.如权利要求1所述的固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置，其特征在于，所述人造岩心(7)直径为40mm，长度为60mm且表面附有钻井液滤饼，所述人造岩心(7)浸没于浆杯(8)的固井前置液中。
3.利用权利要求1所述的装置对固井前置液冲洗效率进行工程模拟量化评价的方法，依次包括以下步骤：
(1)选取一个直径为40mm，长度为60mm的人造岩心，并称取其质量G1；
(2)将人造岩心浸没在装有钻井液的高温高压失水仪中，用氮气瓶施加3.5MPa压力，稳压20min后泄压，取出表面附有滤饼的人造岩心；
(3)称取附有滤饼的人造岩心质量G2，减去未附有滤饼的人造岩心质量G1，得到人造岩心表面钻井液滤饼的质量G3；
(4)将附有滤饼的人造岩心固定在岩心夹持器上，旋紧紧固螺钉；
(5)将附有滤饼的人造岩心浸入盛装固井前置液的浆杯中，利用电机转速调节器通过调节变速电机的转速，使人造岩心在前置液中的转速至所需转速，人造岩心所需转速R根据下式计算：
R＝V×60/π×D×10-3
式中：V为固井时前置液在环空的返速，m/s，
D为岩心直径，40mm；
(6)通过质量传感器，计算机采集终端实时采集记录人造岩心上附着的滤饼在t时刻的质量Gt，计算滤饼质量随时间变化的损失率即冲洗效率ηt并绘制曲线，滤饼在任意时刻的冲洗效率ηt通过下式计算：
ηt＝Gt/(G2-G1)×100％；
(7)根据计算机采集终端所得的冲洗效率，优选前置液体系，评价和改进前置液的冲洗性能、冲洗时间和排量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第(2)步骤中，钻井液为现场取样钻井液或实验室配制钻井液。
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- 2015-01-19 CN CN201510027071.5A patent/CN104675345B/zh active Active
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