纖維沖洗液清潔井眼實驗研究

朱 亮，馬 里，陳 華，陳 丹

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都610051；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發(fā)研究院，四川成都610051）

在水平井固井作業(yè)中，殘留的泥餅會阻止水泥漿與井壁直接接觸，易在井眼環(huán)空界面處形成微環(huán)隙，從而降低界面膠結強度；殘存的巖屑會降低水平井固井頂替效率，并直接影響固井質量。所以有效清除環(huán)空殘留的井壁泥餅和巖屑是提高水平井固井質量的前提。因此需要研究一種沖洗液能同時有效清洗井壁泥餅和清除環(huán)空殘存的巖屑。壓裂液最新研究表明：纖維壓裂液可提高其對支撐劑的攜砂性能，其原理在于壓裂液中的纖維均勻分散形成交聯網狀結構，保持壓裂液攜砂性能的穩(wěn)定，同時還可降低壓裂液摩阻[1-5]。因此，為解決固井作業(yè)前水平井段的井眼清潔問題，借鑒纖維壓裂液的研究，將纖維引入到固井沖洗液中，利用纖維在沖洗液中分散后形成網架結構，在循環(huán)時清除、攜帶巖屑和刮掉井壁泥餅，來滿足水平井環(huán)空清潔需求。為此，開展了泥餅動態(tài)沖洗試驗研究和巖屑清潔試驗研究，通過室內試驗評價纖維沖洗液沖洗泥餅與清除巖屑的效果。

1 實驗部分

1.1 試驗材料與試驗設備

（1）試驗材料。清潔纖維選用5～10mm單絲人造纖維；選擇標準人造巖芯進行模擬實驗，巖芯滲透率為9～11mD（基于氣測條件下）；模擬鉆屑，石英砂4～6目（3.35～4.75mm）；水泥漿配方：夾江G級水泥+35%硅粉+4%BXF-200L（降失水劑）+0.1%BP-1B（消泡劑）+7%PC-RG1（膠乳）+0.5%SXY（分散劑）+3%SEP-2（膨脹劑）+水；試驗采用水基鉆井液；沖洗液為現場沖洗液；鉆井液和沖洗液性能如表1、表2所示。

（2）試驗設備：

表1 50℃鉆井液性能參數

表2 沖洗液性能參數

①泥餅動態(tài)沖洗試驗研究。泥餅動態(tài)沖洗試驗研究主要依賴西南石油大學自行研制的的固井水泥石膠結性能評價裝置[6]，該裝置較之于以前的方法更能夠模擬井下條件，更具有實用價值。功能：模擬高溫高壓環(huán)境下不同鉆井液在巖芯上形成泥餅、鉆井液泥餅的動態(tài)沖洗、水泥環(huán)的養(yǎng)護形成過程，并測量出水泥環(huán)與巖芯、水泥環(huán)與模擬套管的界面膠結強度等。

②巖屑床清潔試驗研究。巖屑床清潔實驗是在注水泥頂替效率模擬裝置[7]上進行的。注水泥頂替效率模擬裝置用于開展水泥漿（或泥漿）相似液井筒試驗或環(huán)空流動試驗、水泥漿相似液頂替試驗，該裝置可調節(jié)不同的液體流速、不同的井斜角、不同的井筒直徑和不同的套管偏心度。對注水泥頂替模擬裝置的改造可滿足井眼清潔實驗的要求。

1.2 泥餅動態(tài)沖洗試驗研究

（1）實驗原理。高溫高壓前置液動態(tài)沖洗效率實驗裝置功能①和②整個過程的原理如圖1所示。攪拌槳葉置于巖芯周圍，攪拌槳葉的金屬棒頂在巖芯頂部保證泥餅形成、沖洗的均勻性以及防止巖芯頂部流場受到干擾。

圖1 模擬泥餅形成與沖洗過程示意圖

流體在2個同軸圓筒體之間的環(huán)形空間流動可近似模擬沖洗液在套管和井壁之間的環(huán)空流動，因此，利用內筒壁面與環(huán)空壁面處剪切速率相近為理論依據，用室內實驗沖洗效果模擬評價現場工程固井施工參數[8]。

式中：R1——內筒半徑，m；

R2——外筒半徑，m；

D1——井眼直徑，m；

D2——套管外徑，m；

n——轉速，r/min；

V——環(huán)空流速，m/s。

（2）實驗條件。泥餅動態(tài)形成過程：在50℃×7.5MPa條件下，攪拌槳葉轉速為300r/min，鉆井液濾液穿過巖芯流出，在巖芯壁面形成泥餅，濾失時間270min。

動態(tài)沖洗過程：在50℃×7.5MPa條件下，沖洗時間8min，模擬現場井身結構：井眼直徑215.9mm，套管外徑139.7mm，現場環(huán)空返速0.8m/s，利用公式（1）計算試驗裝置轉速。

養(yǎng)護過程：將配制好的水泥漿倒入已經沖洗過巖芯的模具內，在60℃×21MPa條件下，養(yǎng)護24h。

（3）沖洗效率和膠結強度測試。沖洗液的沖洗效率利用稱重法計算；膠結強度的測定采用常規(guī)的“壓出法”[9-10]來測定抗壓強度值。

1.3 巖屑清潔試驗研究

（1）注水泥模擬裝置改造。為了滿足井眼清潔的實驗要求，需對注水泥模擬裝置進行改造。井眼清潔實驗需在井筒中預鋪設巖屑床以及收集沖洗出的巖屑，因此需要將測量分析系統(tǒng)更換為加砂裝置，在井筒末端加上內置過濾袋，用以收集沖洗出的模擬巖屑。加砂裝置如圖2所示。

圖2 加砂裝置示意圖

（2）實驗條件。實驗裝置模擬水平井，環(huán)空返速0.8m/s，使用不同濃度纖維沖洗液清除巖屑（巖屑150g），使用不同偏心度（0，37.5%，56.3%），計算巖屑清除效率。

水平井中水平段巖屑清除效率計算公式：

式中：η——巖屑清除效率，%；

wi——第i次實驗沖出巖屑重量，g；

W——模擬實驗加入巖屑重量，g；

n——實驗次數，無因次。

2 結果與討論

2.1 纖維沖洗液沖洗泥餅效果評價

由于模擬泥餅動態(tài)形成過程的實驗條件相同巖芯滲透率也相同，泥餅形成的厚度（約為1mm）與致密性具有較好的一致性，因此，排除了泥餅厚度的不均質性對后續(xù)沖洗效率評價的干擾。

沖洗后觀察巖芯，未加纖維沖洗液沖洗過后泥餅厚度最厚，隨著纖維濃度的增加，泥餅厚度逐漸變??；未加纖維時，沖洗過后巖芯壁面整體上明顯可見仍覆蓋一層泥餅；纖維濃度增加到0.2%時，巖芯壁面已可以看到大片巖芯裸露，巖芯表面大部分已清洗干凈。

分別計算不同濃度纖維沖洗液沖洗泥餅的沖洗效率與膠結強度，具體數據見表3。

表3 不同濃度纖維沖洗液沖洗效率和膠結強度對比

由表3可知，隨著纖維濃度的增加，沖洗效率與第二界面膠結強度都在增加；纖維濃度為0.2%及以上時，沖洗效率已達到90%以上，此時的沖洗效率相較于未加纖維時的沖洗效率增加了63.65%，第二界面膠結強度相較于未加纖維時的第二界面膠結強度增加了127%；在纖維濃度為0.2%時出現拐點，在此濃度前，隨著纖維濃度的增加，第二界面膠結強度和沖洗效率增加較快，在此濃度上再增加纖維濃度，第二界面膠結強度和沖洗效率增加量變小，基本趨于穩(wěn)定，所以沖洗泥餅的纖維最佳濃度為0.2%。因此，纖維有利于刮掉井壁附著物，纖維沖洗液可有效提高沖洗泥餅的效率。

2.2 纖維沖洗液清除巖屑效果評價

（1）不同纖維濃度時纖維沖洗液的清除效率。分別計算不同濃度纖維沖洗液對巖屑的清除效率與膠結強度，具體數據見表4。

表4 不同濃度纖維沖洗液巖屑清除效率對比

由表4可知，隨著纖維濃度的增加，巖屑清除效率在增加，纖維濃度增加到0.15%時，巖屑清除效率已達到90%以上，此時的巖屑清除效率是未加纖維時的巖屑清除效率的2.5倍，清除巖屑時的最佳纖維濃度為0.15%。因此，纖維在沖洗液中分散后形成網架結構有利于清除巖屑，纖維沖洗液可有效提高巖屑清除效率。

（2）不同偏心度時纖維沖洗液的清除效率。試驗設計了3組不同的偏心度，分別為：0，37.5%，56.3%。

圖3 不同偏心度時纖維沖洗液的清除效率

由圖3可知，未加纖維時，e=56.3%、e=37.5%的巖屑清除效率僅為1.4%和13.5%，都未能清除巖屑床；隨著纖維濃度的增加，不同偏心度時的巖屑床清除效率都增加；纖維沖洗液纖維濃度增加到0.3%，不同偏心狀態(tài)時的巖屑清除效率均已達到90%以上。因此，纖維沖洗液不但能提高套管居中時的巖屑清除效率，而且能顯著提高套管偏心時的巖屑清除效率。

現場固井施工為得到較高的頂替效率，要求套管居中度不小于67%，當e=37.5%，纖維濃度為0.2%時巖屑清除效率為93.27%，所以在保證套管居中度不小于67%時的最佳纖維濃度為0.2%。

3 結論

（1）纖維有利于刮掉井壁泥餅和巖屑，纖維沖洗液可有效提高沖洗泥餅的效率和清除巖屑的效率，纖維濃度0.2%及以上時，沖洗效率和清除效率均達到90%以上。

（2）纖維沖洗液不但能提高套管居中時的巖屑清除效率，而且能顯著提高套管偏心時的巖屑清除效率。未加纖維時，e=56.3%、e=37.5%的巖屑清除效率僅為1.4%和13.5%，纖維沖洗液纖維濃度增加到0.3%，不同偏心狀態(tài)時的巖屑清除效率均已達到90%以上。

（3）滿足現場施工要求的沖洗液最佳纖維濃度為0.2%。

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