CN114046144A - 基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定系统、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油勘探开发技术领域，公开了一种基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置、方法及应用，所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置设置有：井筒循环冲洗模拟系统、加热系统、检测评价系统、数据显示系统、中央处理系统、剪切力计算系统、控制系统。本发明为模拟固井作业过程中泥饼冲洗的评价装置，通过测试控制剪切力来评价冲洗效率，可更深层次揭示泥饼破坏机理，提升冲洗评价的准确性。通过剪切力计算程序计算井下泥饼受剪切力大小，程序自动确定转速，以该转速启动电机，对比剪切力测试值与计算值，微调转速达到设定的剪切力。本发明可以评价不同温度、不同剪切力以及不同冲洗液作用下泥饼的冲洗效率。
Description
技术领域
本发明属于石油勘探开发技术领域，尤其涉及一种基于剪切力相等的钻井 液泥饼冲洗测定系统、方法及应用。
背景技术
目前，固井过程中，在压差的作用下钻井液会在渗透性井壁上形成具有一 定强度和厚度的钻井液泥饼，其次钻井液中固相颗粒通过吸附作用也可附着在 套管壁和井壁上形成泥饼。泥饼在水泥与套管之间(或水泥与井壁之间)形成 一不可固化层，直接影响水泥与套管(水泥与井壁)之间的胶结质量，若胶结 不好或无法胶结就会形成窜流通道，造成井口带压、油气水层间互窜、含水率 剧增等问题，无法保持油气有效开采，严重影响油气井的经济效益、安全和寿 命。为了提高固井胶结质量问题，需要清除套管壁和井壁上的泥饼，在固井作 业之前通过注入一定量的前置液对套管壁和井壁泥饼进行冲洗剪切，提高界面 胶结质量，是目前解决泥饼的有效措施，为了完成这一措施，需要模拟井下工 况条件下(温度、壁面剪切力、浆体性能)进行前置液冲洗评价，因此，须构 建有效的冲洗效率评价装置及实验方法。
国内外经过多年的研究，提出了不同的泥饼冲洗效率评价方法，但受限于 井眼条件、钻井液性能、冲洗液性能、水泥浆性能以及地层压力系统等复杂多 样的工况条件，仍未有一种装置能实现全覆盖模拟评价，泥饼冲洗评价装置需 要不断地完善，逼近实际作用工况。如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)，该专利是根据人造岩心或钢柱壁面的剪 切速率与井眼环空的剪切速率相等实现冲洗效率评价，但是冲刷消除泥饼是流 体的剪切力，而不是剪切速率，由于冲洗液多属于非牛顿流体，剪切力与剪切 速率为非线性关系，测试剪切速率不能直接反应剪切力变化，剪切速率无法直接评价冲洗效率，一个冲洗效率对应唯一的剪切力，但由于非线性关系会对应 多个剪切速率，测试剪切速率无法更深层次揭示泥饼的冲洗机理。一种固井前 置液冲洗效率工程模拟量化评价装置及方法(CN104675345A)通过转子转动带 泥饼的岩心，存在离心力会增加冲洗效果使冲洗效率偏大，另外仍是通过测试 冲洗速率来评价冲洗效率，未从剪切力本身来进行评价。一种钻井液滤饼压制 及清洗效率一体化评价装置及方法(CN110107235A)利用人工井壁和转子间加 入钻井液模拟循环排量和压差压制泥饼，再向转子和人工井壁间加入前置液模 拟顶替排量进行泥饼冲洗，该装置模拟了井下泥饼冲洗工序，但仍然存在通过冲洗速率评价冲洗效率，未从泥饼剪切破坏机理来揭示泥饼冲洗过程。现有装 置都是通过测试剪切速率来评价冲洗效率，未从泥饼破坏的直接作用因素—剪 切力来评价冲洗效率，无法深层次揭示泥饼冲洗机理，无法更好支撑现场作业 需求。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有装置都是通过测试剪 切速率来评价冲洗效率，未从泥饼破坏的直接作用因素—剪切力来评价冲洗效 率，无法深层次揭示泥饼冲洗机理，无法更好支撑现场作业需求。
解决以上问题及缺陷的难度为：不同工况下实际井筒井壁泥饼所受剪切力 大小的计算；模拟泥饼所受剪切与实际剪切力大小一致的转速控制及自动补偿； 转动条件下模拟泥饼质量微变化的实时监测。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明中测试剪切力评价固井泥饼冲洗效 率的装置，既可以实现对泥饼冲洗效率影响因素及机理的研究，又可以对冲洗 液冲洗性能进行评价，确定虚泥饼层、可压缩层、密实层和致密层冲洗效率与 剪切应力的对应关系，优化排量和冲洗速度以及优选出相应的冲洗剂配方，对 提高固井界面胶结质量、提高开采效率、保证油气井安全生产和延长油气井寿 命具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于剪切力相等的钻井液泥 饼冲洗测定装置、方法及应用。本发明为模拟固井泥饼冲洗过程的评价装置， 通过控制测试剪切力来评价冲洗效率，可更深层次揭示泥饼破坏机理，提升了 冲洗评价效果的准确性。通过剪切力计算程序计算井下泥饼受剪切力大小，程 序自动确定转速，以该转速启动电机，对比剪切力测试值与计算值，微调转速 达到设定的剪切力。通过称重传感器和扭矩传感器实时监测泥饼所受破坏切削 力大小和泥饼质量，通过泥饼质量变化表征冲洗效率，可实时监测绘制剪切力 与冲洗效率关系图。本发明可以评价不同温度、不同剪切力以及不同冲洗液作 用下泥饼的冲洗效率。
本发明是这样实现的，一种基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置， 所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定系统设置有：
通过变频电机利用传动装置带动外筒转动模拟顶替冲洗的模拟井筒循环冲 洗模拟系统；
通过加热套将前置液加热至预定温度的加热系统；
通过岩心或钢柱在钻井液中形成泥饼模拟地层或泥膜模拟套管，称量岩心 或钢柱上的泥饼在冲洗一定时间前后的质量，以冲洗一定时间后的残留程度来 定量计算冲洗效率的检测评价系统；
通过各种类型的显示器，用以显示转速、质量、剪切力、温度、冲洗效率 和时间的数据显示系统；
根据现场井筒及作业参数，计算洗井、顶替等工艺下实际井眼泥饼所受的 剪切力大小的剪切力计算系统；
根据剪切力计算程序计算的剪切力，程序自动确定转速，以该转速启动电 机，对比剪切力测试值与计算值，微调转速达到设定剪切力转速的控制模块， 与加热控制、计时控制组成控制系统。
进一步，所述数据显示系统上设置有转速显示器、质量显示器、切力显示 器、温度显示器、冲洗效率显示器、时间显示器。
进一步，所述控制系统设置有转速调节器、加热开关、计时器开关、转速 微调旋钮。
进一步，所述加热系统设置有加热套，加热套包裹在浆杯外侧。
进一步，所述程序控制系统与控制系统连接，控制系统与中央处理系统连 接，中央处理系统与数据显示系统连接。
进一步，所述中央处理系统分别与变频电机、称重传感器、扭矩传感器和 温度传感器连接。
进一步，所述模拟井筒顶替循环系统设置有外筒，外筒装在浆杯内，外筒 通过传动装置与变频电机连接，外筒有两排供冲洗液流动的圆孔，每一排圆孔 的间隔为90°。
进一步，所述检测评价系统设置有浆杯，浆杯放置在托盘上，托盘固定在 框架上，框架底侧设置有底盘；
浆杯的顶部通过夹持杆连接岩心夹持器和夹持岩心或钢柱，夹持杆固定在 框架上，钢柱模拟固井第一界面的冲洗，实地岩心模拟固井第二界面的冲洗；
岩心夹持器连接温度传感器，浆杯中装有前置液，夹持杆上端装有称重传 感器和扭矩传感器。
本发明另一目的在于提供一种所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定 方法在模拟井下工况条件下进行前置液冲洗评价中的应用，所述模拟井下工况 条件下包括：温度、壁面剪切力、浆体性能。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利 用岩心(或钢柱)壁面与固井环空壁面处剪切力相等的原理，从泥饼破坏的直 接作用因素—剪切力来评价冲洗效率，能准确评价不同密实层泥饼(虚泥饼层/ 可压缩层/密实层/致密层)所需最佳切削破坏力值，其结果更好支撑现场作业需 求。
本装置可模拟不同渗透率、不同井眼规则度、不同井壁粗糙度、不同钻井 液体系和不同冲洗液体系条件下泥饼冲洗，同时可通过程序控制系统实现泥饼 冲洗所受剪切力程序控制，更好反应固井注水泥过程中钻井液泥饼冲洗的实际 情况。本发明操作简便、可重复性高，提升了冲洗评价效果的准确性。
本发明利用称重传感器和扭矩传感器实时监测岩心(或钢柱)质量变化和 岩心(或钢柱)壁面所受切应力值，可根据冲洗效率随时间变化的趋势确定最 佳冲洗排量、最佳冲洗速度、最佳冲洗液体系、最佳钻井液体系以及剪切力和 冲洗效率对应关系图，具有广阔的市场应用前景。
本发明考虑不同流型状态下雷诺数Re、平均流速υ、摩阻系数f、壁面剪 切应力τ计算，计算原理科学，实验结果可靠，更佳贴合工程实际。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置结 构示意图。
图中：1、称重传感器；2、扭矩传感器；3、夹持杆；4、外筒；5、岩心夹 持器；6、岩心或钢柱；7、前置液；8、浆杯；9、加热套；10、变频电机；11、 框架；12、托盘；13、底盘；14、温度传感器；15、传动装置；16、中央处理 系统；17、数据显示系统；18、转速显示器；19、质量显示器；20、切力显示 器；21、温度显示器；22、冲洗效率显示器；23、时间显示器；24、控制系统；25、转速调节器；26、加热开关；27、计时器开关；28、转速微调旋钮；29、 程序控制系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于剪切力相等的钻井液泥 饼冲洗测定装置、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置业内的普通技术 人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于剪切力相等的钻井 液泥饼冲洗测定装置仅仅是一个具体实施例而已。
如图1所示，本发明实施例提供的基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定 装置包括：称重传感器1、扭矩传感器2、夹持杆3、外筒4、岩心夹持器5、岩 心或钢柱6、前置液7、浆杯8、加热套9、变频电机10、框架11、托盘12、底 盘13、温度传感器14、传动装置15、中央处理系统16、数据显示系统17、控 制系统24、程序控制系统29。
数据显示系统17上设置有转速显示器18、质量显示器19、切力显示器20、 温度显示器21、冲洗效率显示器22、时间显示器23。
控制系统24设置有转速调节器25、加热开关26、计时器开关27、转速微 调旋钮28。
框架11底侧设置有底盘13，框架11上固定有托盘12，托盘12上侧放置 有浆杯8，浆杯8外侧包裹有加热套9，并给浆杯8中前置液加热。其中，托盘 12可以调节高度使井筒顶替循环系统内冲洗液液面完全没过岩心(或套管)上 形成的泥饼或泥糊顶部。
浆杯8的顶部通过夹持杆3连接岩心夹持器5和夹持岩心6或钢柱，夹持 岩心6或钢柱通过岩心夹持器5固定在框架11上，钢柱模拟固井第一界面的冲 洗，用实地岩心模拟固井第二界面的冲洗。
岩心夹持器5连接温度传感器14；浆杯8中承装有前置液7，夹持杆3上 端装有称重传感器1和扭矩传感器2；浆杯8内装有外筒4，外筒4通过传动装 置15与变频电机10连接，变频电机10连有转速调节器和转速微调旋钮，用以 调节外筒转速。外筒4有两排供冲洗液流动的圆孔，每一排圆孔的间隔为90°。
框架11右端固定有中央处理系统16、数据显示系统17、控制系统24；中 央处理系统16分别与变频电机10、称重传感器1、扭矩传感器2和温度传感器 14连接；中央处理系统16分别连接数据显示系统17和控制系统24，控制系统24连接程序控制系统29。
本发明的工作原理为：实地岩心取样，选择对应尺寸的钻头钻取岩心；根 据井下地层条件，在渗透性岩心上压制好钻井液滤饼；利用岩心模拟井壁，钢 柱模拟套管，通过岩心夹持器固定岩心(或钢柱)，岩心的直径、高度根据实 验需要而定(尺寸可调)。将制备好带泥饼的岩心(或钢柱)固定在岩心夹持器上， 岩心(或钢柱)固定在模拟井筒内，使之与外筒形成环形空间；把现场取样的 前置液倒入浆杯中，将前置液加至指定刻度线；打开装置的加热器给浆杯内前 置液加热，打开电机通过转速调节器调节转筒转速，输入流变参数和剪切力大 小控制冲洗评价装置转速，待切力传感器达到设计值后，模拟井下顶替排量， 实现程序控制系统输入固井泥饼受剪切力和流变参数控制转速；其次通过切力 显示器值实现转速自动补偿，从泥饼破坏的直接作用因素—剪切力来评价冲洗 效率；开始搅拌前置液后打开计时器开关，计时开始冲洗，进行钻井液滤饼冲 洗实验。通过泥饼在一定冲洗时间后的残留程度定量计算冲洗效率，岩心与泥 饼的质量可实时显示于质量显示器。温度、排量、转速、切力、时间均按实验 需要设定，重复上述步骤即可。
本发明实施例提供的基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定方法，包括：
S101：记录岩心或钢柱装入岩心夹持器的质量M1。
S102：记录制备好带泥饼的岩心或钢柱装入岩心夹持器的质量M2。
S103：将现场取样的前置液倒入浆杯中，使前置液加至指定刻度线，通过现 场浆体顶替排量、井径尺寸和固井液性能等实际工况计算泥饼所受切削破坏应 力大小。
S104：打开温度开关将前置液加热至预定温度，打开变频电机通过传动装置 带动外筒转动模拟顶替冲洗，通过程序控制系统输入固井泥饼受剪切力和流变 参数控制转速，其次通过切力显示器值实现转速自动补偿，保证模拟装置中泥 饼所受切削破坏应力大小与固井泥饼切削破坏力大小相同，同时打开计时器开 关，开始冲洗。
S105：依据实验条件设定温度及冲洗时间，记录泥饼冲洗后岩心或钢柱质量 读数M3。
S106：计算冲洗效率，对比冲洗效率，分析冲洗剂、顶替排量、温度及冲洗 时间对冲洗效率的影响趋势，评价前置液的冲洗性能。
本发明实施例提供的S106中，冲洗效率计算过程为：
岩心或钢柱的初始质量记为M1，滤失结束后将吸附有钻井液滤饼的岩心或 钢柱的质量记为M2，冲洗结束后的岩心或钢柱质量记为M3，根据下式计算冲 洗液对一界面(或二界面)钻井液滤饼的冲洗效率η：
本发明基于岩心(或钢柱)壁面的剪切力与井眼环空壁面的剪切力相等的原 理，用实地岩心模拟井壁，用钢柱模拟套管，结合固井井身结构、地层条件、 循环顶替排量和钻井液性能，通过外筒旋转带动前置液对静态岩心(或钢柱) 进行冲刷，通过调节器调节外筒的转速，利用转速的改变获得不同的剪切力， 即通过改变外筒的转速使岩心(或钢柱)壁面的剪切力与井眼环空壁面的剪切 力相等，具体计算公式(2)-(16)。此装置对固井过程中的前置液冲洗效率评 价更加真实可靠。
环空摩阻压力梯度的计算公式为：
式中，ΔP——摩阻压力，Pa；
ΔP/L——摩阻压力梯度，Pa/m；
L——套管或环空的长度，m；
ρ——流体密度，kg/m3；
v——流体平均流速，m/s；
f——摩阻系数，壁上剪切应力与单位体积的动能之比；
Da——环空外径，m；
da——环空内径，m。
环空雷诺数Re的计算公式为：
牛顿流体：
冥律流体：
宾汉流体：
式中，Re——雷诺数；
ρ——流体密度，kg/m3；
υ——流体平均流速，m/s；
Da——环空外径，m；
da——环空内径，m；
n——冥律指数；
k——稠度系数，Pa·sn；
μ——流体粘度，Pa·s。
环空流体的平均流速的计算公式为：
牛顿流体：
冥律流体：
宾汉流体：
式中，Re——雷诺数；
ρ——流体密度，kg/m3；
υ——流体平均流速，m/s；
Da——环空外径，m；
da——环空内径，m；
n——冥律指数；
k——稠度系数，Pa·sn；
μ——流体粘度，Pa·s。
摩阻系数的计算公式为：
牛顿流体：
层流：
紊流：
过度流：在过度流流态下，在雷诺数Re＝2100～3000之间采用双对数近似法 进行计算。
冥律流体：
层流
紊流：
过度流：在过度流流态下，在Re＝RePL1～RePL2之间采用双对数近似法进行 计算,其中RePL1＝3250-1150×n，RePL2＝4150-1150×n。
宾汉流体：
层流：
紊流：f＝A(Re)-B (14)
过度流：在过度流流态下，在Re＝ReBP1～ReBP2之间采用双对数近似法进行 计算,其中ReBP1＝ReBP2-577(1-ac)。
式中，f——摩阻系数；
n——冥律指数；
He——赫兹数；
Re——雷诺数。
井下壁面剪切应力的计算公式为：
式中，
——套管壁面剪切应力，Pa；
L——套管或环空的长度，m；
Da——环空外径，m；
da——环空内径，m；
ΔP——摩阻压力，Pa；
模拟壁面剪切应力与外筒转速的对应关系：
τ＝ηυ (16)
式中，τ——剪切应力，Pa；
υ——剪切速率，m/s；
η——流体粘度，Pa·s。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语 “上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示 的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发 明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以 特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、 “第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定系统设置有：
通过变频电机利用传动装置带动转筒转动，转筒带动液体流动模拟井筒流体循环流动的井筒循环冲洗模拟系统；
通过加热套将前置液加热至预定温度的加热系统；
通过岩心或钢柱在钻井液中形成泥饼模拟地层或泥膜模拟套管，称量岩心或钢柱上的泥饼在一定冲洗时间前后的质量，以冲洗一定时间后的残留程度来定量计算冲洗效率的检测评价系统；
通过各种类型的显示器，用以显示转速、质量、剪切力、温度、冲洗效率和时间的数据显示系统；
根据现场井筒及作业参数，计算洗井、顶替等工艺下实际井眼泥饼所受的剪切力大小的剪切力计算系统；
根据剪切力计算程序计算的剪切力，程序自动确定转速，以该转速启动电机，对比剪切力测试值与计算值，微调转速达到设定剪切力转速的控制模块，与加热控制、计时控制组成控制系统。
2.如权利要求1所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述数据显示系统上设置有转速显示器、质量显示器、切力显示器、温度显示器、冲洗效率显示器、时间显示器。
3.如权利要求1所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述控制系统设置有转速调节器、加热开关、计时器开关、转速微调旋钮。
4.如权利要求1所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述加热系统设置有加热套，加热套包裹在浆杯外侧。
5.如权利要求1所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述程序控制系统与控制系统连接，控制系统与中央处理系统连接，中央处理系统与数据显示系统连接。
6.如权利要求5所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述中央处理系统分别与变频电机、称重传感器、扭矩传感器和温度传感器连接。
7.如权利要求1所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述模拟井筒顶替循环系统设置有外筒，外筒装在浆杯内，外筒通过传动装置与变频电机连接，外筒有两排供冲洗液流动的圆孔，每一排圆孔的间隔为90°。
8.如权利要求1所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置，其特征在于，所述检测评价系统设置有浆杯，浆杯放置在托盘上，托盘固定在框架上，框架底侧设置有底盘；浆杯的顶部通过夹持杆连接岩心夹持器夹持岩心或钢柱，夹持岩心或钢柱通过岩心夹持器固定在框架上，钢柱模拟固井第一界面的冲洗，实地岩心模拟固井第二界面的冲洗；岩心夹持器连接温度传感器，浆杯中承装有前置液，夹持杆上端装有称重传感器和扭矩传感器。
9.一种使用如权利要求1～8任意一项所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定装置的基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定方法，其特征在于，所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定方法，包括：
步骤一，记录岩心或钢柱装入岩心夹持器的质量M1；
步骤二，记录制备好带泥饼的岩心或钢柱装入岩心夹持器的质量M2；
步骤三，将现场取样的前置液倒入浆杯中，使前置液加至指定刻度线，通过现场浆体顶替排量、井径尺寸和固井液性能实际工况计算泥饼所受切削破坏应力大小；
步骤四，将前置液加热至预定温度，打开变频电机通过传动装置带动外筒转动模拟顶替冲洗，通过程序控制系统输入固井泥饼受剪切力和流变参数控制转速，其次通过切力显示器值实现转速自动补偿，使模拟装置中泥饼所受切削破坏应力大小与固井泥饼所受切削破坏力大小相同，同时计时器开始计时，开始冲洗；
步骤五，依据实验条件设定温度及冲洗时间，记录泥饼冲洗后岩心或钢柱质量读数M3；
步骤六，计算冲洗效率，对比冲洗效率，分析冲洗剂、顶替排量、温度及冲洗时间对冲洗效率的影响趋势，评价前置液的冲洗性能；冲洗效率计算过程为：
岩心或钢柱的初始质量记为M1，滤失结束后将吸附有钻井液滤饼的岩心或钢柱的质量记为M2，冲洗结束后的岩心或钢筒质量记为M3，根据下式计算冲洗液对一界面或二界面钻井液滤饼的冲洗效率η：
10.一种如权利要求9所述基于剪切力相等的钻井液泥饼冲洗测定方法在模拟井下工况条件下进行前置液冲洗评价中的应用，其特征在于，所述模拟井下工况条件下包括：温度、壁面剪切力、浆体性能。
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