CN104863533B - 一种固井冲洗效率评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固井冲洗效率评价装置及评价方法，以雷诺数相等原理进行设计，包括模拟井筒、加热水箱、动力泵、电磁流量计，模拟井筒主要包括内筒与外筒，内筒由内筒筒体、不同目数的不锈钢筛网和内筒端盖组成，可通过覆盖滤纸或充填石英砂的条件下来模拟地层，外筒可以旋转，并设计有不同形状导流叶片，用来模拟套管。本发明具有操作简单、对比性强、工作量小、能有效形成滤饼、能够模拟评价套管旋转或使用螺旋扶正器情况下冲洗效率的特点，可用来评价冲洗液对第一、第二界面的冲洗效率，并可据此评价与优选冲洗液体系、设计冲洗液用量，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及油气井固井领域，特别涉及一种固井冲洗效率评价装置及评价方法。
背景技术
固井冲洗液通常是在水中加入表面活性剂等或用钻井液稀释混配而成。可与隔离液同时使用，但位于隔离液之前。冲洗液的主要目的是清洗井壁及套管壁粘附的钻井液和滤饼，提高固井界面胶结强度。在井眼钻进时，钻井液易井壁上形成薄而韧且致密的滤饼，有效控制钻井液滤失量，减少钻井工程复杂事故。然而在固井时，井壁及套管壁残留的钻井液及滤饼会阻止水泥浆与井壁直接接触，并且在水泥浆水化时进一步发生脱水、干枯或粉化现象，易在井眼环空界面处形成微环隙，从而降低界面第二界面胶结强度，严重影响固井质量，甚至引起油气水窜流。固井二界面问题一直是长期困扰固井工程一个难题，其严重制约了石油与天然气勘探开发。因此有效提高对钻井液和滤饼的冲洗效率，为水泥浆胶结提供一个清洁有利的环境，是改善界面胶结强度，保证固井质量的关键步骤。冲洗液对井壁及套管壁粘附的钻井液和滤饼的清洗效率将直接关系到固井的成功与否和固井质量高低，最终关系到油气井使用年限和生产效益，对油气井后期能否顺利地进行系列增产措施也有极其重大的影响。
现阶段所采用的冲洗效率评价方法主要有5种，分别为锥形瓶法、钻屑柱法、大型模拟井筒法、旋转粘度计法、室内模拟井筒评价装置等。
锥形瓶法：锥形瓶法使用较早，相对比较简单，但也比较简陋。具体操作步骤是：把10mL钻井液放入锥形瓶，然后加入一定量的冲洗液，盖上瓶塞，摇动30秒，从瓶中倒出混合物，观察冲洗情况。这种方法使用非常简便，但有明显缺点，受各种因素影响其测量结果不准确，结果很大程度上受摇晃力量大小控制，而摇晃力量大小又无法保证统一，可重复性差，只能对冲洗情况进行简单的观察，现场指导性较差，现使用较少。
钻屑柱法：称取500g钻屑，用钻井液浸泡，使钻屑上粘附一定厚度钻井液，然后装在玻璃筒中，让冲洗液以一定速度流过钻屑，对其进行冲洗，称量冲洗掉的质量，计算冲洗效率。相对于锥形瓶法，这种方法有了很大的进步，可以对冲洗效率进行简单的计算，但仍不准确，整个实验过程不够完善且操作复杂。
大型模拟井筒法：通过建立大型的模拟井筒装置来模拟井下冲洗顶替过程，但这种方法不能对实际冲洗效果直观的观察评价，且实验、设备的规模较大，各方面要求较高，不适合进行室内性能评价。
旋转粘度计法：该方法是在旋转粘度计外筒粘有一定厚度的钻井液，杯中装有一定量冲洗液，设定转速，一般为200r/min，旋转冲洗一定时间，观察冲洗效果。该方法可以对冲洗效果进行直观观察，但不能定量表征冲洗效率，且冲洗过程与实际工况也存在着较大的差距。因此，现场指导意义并不很大。中国实用新型专利“固井冲洗液冲洗效率定量模拟评价装置”(CN203161216U)，改进了粘度计法，但装置的实验环境只能是常温常压，同时装置不能对钻井液滤饼进行冲洗效果评价。
室内模拟井筒评价装置：采用人工砂岩来模拟井壁，冲洗效率评价实验在动态模拟井筒中进行，井筒内有模拟套管和模拟井壁。首先采用钻井液充满井筒并加压，钻井液向井壁失水形成滤饼。然后用冲洗液顶替冲洗钻井液，达到一定的接触时间即停止顶替，采用称重法计算冲洗效率，对现场具有一定的指导意义。如文章“高温高压泥饼胶结模拟评价***的研制与应用”(《石油仪器》2008年第22卷第1期第37-40页)开发了一种高温高压泥饼胶结模拟评价***，可以对各种条件下造壁形成的泥饼质量、影响固井水泥浆胶结质量的因素进行较细致的研究；文章“一种固井前置冲洗液冲洗效率的评价方法”(《钻井液与完井液》2009年第26卷第6期第47-48页)采用砂岩来模拟井壁、模拟井筒的冲洗过程，评价冲洗液的冲洗效率；文章“DCX固井模拟冲洗效率评价装置的研制”(《石油钻探技术》2013年第41卷第3期第127-129页)开发了一种DXC固井模拟冲洗效率评价装置；中国实用新型专利“一种固井液冲洗效率评价装置”(授权公告号：CN203515574U)发明了一种小型模拟井筒装置来模拟评价冲洗效率。但目前的模拟井筒评价装置及冲洗效率评价方法都存在着以下不足：装置设计复杂，操作相对繁琐，并且功能比较单一；由于采用人造岩心，使工作量较大，可重复性受到局限，同时，该装置的设计也不利于形成均匀压实的滤饼；装置并不能完全模拟真实的滤饼形成与冲洗顶替过程，评价方法不具广泛适用性。
发明内容
本发明的目的在于，改善现有技术中存在的问题，提供一种固井冲洗效率评价装置，该装置具有操作简单，对比性强，适用范围广的特点。
本发明的另一目的在于，提供利用上述装置对固井冲洗液进行评价的方法，原理可靠，操作简单。根据冲洗效率评价可优选冲洗液体系，根据冲洗时间的测定可设计冲洗液用量，前景广阔。
为解决以上技术问题，本发明所提供以下技术方案。
本发明根据实际井筒与模拟井筒雷诺数相等原理，用滤纸及不锈钢筛网或石英砂模拟地层，形成滤饼，同时结合固井井身结构和环空返速，对固井冲洗液的评价更加可靠。
一种固井冲洗效率评价装置，包括模拟井筒，动力泵，电磁流量计和加热水箱，所述模拟井筒的进液口通过活接头连接有模拟井筒进液阀，所述模拟井筒的出液口通过活接头连接有模拟井筒出液阀；所述加热水箱的进口安装有加热水箱进液阀，所述加热水箱出口安装有加热水箱出液阀，所述水箱底部设有水箱排空阀；所述加热水箱出液阀通过管道与所述动力泵、所述电磁流量计及所述模拟井筒进液阀依次串联，所述模拟井筒出液阀与所述水箱进液阀相连接。
所述模拟井筒包括模拟井筒外壁、内筒和外筒，所述外筒穿出上方盖端中央，作为出液口，所述出液口通过轴承与出液阀相接，外筒安装有传动盘来与电机相连，使外筒旋转；所述内筒通过螺纹固定于内筒支架上，其内部中空，通过排水口与外界相通，所述内部中空可充填石英砂；所述模拟井筒外壁上方设有加压口，所述加压口安装有加压阀，所述模拟井筒外壁下方设有放空口，所述放空口安装有放空阀。除钻井液流经的通孔外其余部位相互密封，通过滤纸渗出的水可以从排水口排出。
所述模拟井筒内筒包括筒体、筛网和内筒盖。所述筒体壁面造有一系列平行内筒轴线的梯形缝，缝长为5-30mm，缝宽为0.5～2.5mm，缝的总面积占内筒筒体外壁总面积30-60％，梯形缝的两斜边夹角设计为8-12°，梯形缝大的底边位于筒体外壁，梯形缝小的底边位于筒体内壁，避免石英砂漏出在筒体，同时不影响滤饼的形成，所述筛网为一系列不同目数不锈钢筛网，范围在40～400目之间，套于所述内筒外部，紧贴内筒筒体，由所述内筒盖固定，所述内筒盖通过螺纹固定在所述内筒筒体上。
本装置可通过以下方式模拟地层：一种是在内筒筛网外覆盖一层滤纸，通过滤纸和不同目筛网来模拟地层，在滤纸表面形成滤饼；另一种在内筒中空部分充填不同粒度的石英砂，通过筛网和不同粒度的石英砂来模拟不同渗透率的地层。
选用滤纸及不锈钢筛网模拟地层，可有效控制实验的变量，提高实验的可重复性和对比性；模拟井筒中内筒内中空的设计，可以更好的控制形成滤饼时的压差大小，使形成的滤饼压实均匀。
本发明通过在内筒表面形成一层滤饼，模拟固井第二界面冲洗效率，利用外筒模拟固井第一界面冲洗效率。外筒可以旋转，在外筒内壁可设计有不同的导流叶片，来模拟在套管旋转或使用螺旋扶正器条件下，所产生的不同流型对固井冲洗液冲洗效率的影响。
利用该装置进行冲洗实验，冲洗液从下往上进行返排，与固井顶替过程相符。
模拟井筒与实际井筒返排速度之间关系根据雷诺数相等原理确定：
式中：vn、vm分别为实际井筒与模拟井筒的流体流速，单位为m/s；Dn、dn分别为实际井眼直径、套管直径，单位为m；Dm、dm分别为模拟井筒外筒直径、内筒直径；(D-d)为当量直径，单位为m；νn、νm为原型与模型的运动粘度，m2/s。
根据实验原理，实际井下和模拟井筒实验中使用同一种固井冲洗液，所以νn＝νm，可得模拟井筒中流速与实际井下流速关系如下：
vn(Dn-dn)＝vm(Dm-dm) (1)。
所述冲洗效率η按下式计算：
η＝(G1-G2)/(G1-G0)×100％ (2)。
式中：G0为内筒重或外筒重，g；
G1为形成滤饼后内筒连同滤饼重量或粘附钻井液的外筒重量，g；
G2为形成滤饼的内筒连同滤饼或粘附钻井液的外筒在冲洗一段时间后的重量，g。
根据雷诺数相同原理，并利用本装置对冲洗液冲洗效率进行评价，依次包括以下步骤：
第一步，根据井身结构和环空平均返速，结合模拟井筒尺寸，通过下式计算雷诺数相同时模拟井筒返速：
vn(Dn-dn)＝vm(Dm-dm)；
第二步，通过在模拟井筒加入钻井液并加压，在内筒外壁上形成滤饼或外筒上粘附钻井液后，称量形成滤饼的内筒或粘有钻井液后外筒的质量G1，g；
第三步，使用冲洗液以计算的模拟井筒返速来进行冲洗，一定时间后，称量内筒或外筒的质量G2，g；
第四步，称量干净的内筒或外筒质量G0，g；
第五步，通过下式计算冲洗液的冲洗效率η：
η＝(G1-G2)/(G1-G0)×100％。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明根据井下井身结构与冲洗液返排方式进行设计，实验结果参考性强，设计简洁，易于实现；
(2)本发明利用雷诺数相同原理，不涉及流体的流变模式等，计算简单，原理清楚，适用范围广泛；
(3)本发明利用滤纸及不同目数不锈钢筛网或者石英砂来模拟不同渗透率的地层，克服了使用人造岩心时工作量大、成本高、操作性差的不足，具有重复性好、对比性强、操作简单的优点；
(4)本发明中外筒设计可以旋转，用来模拟井下套管旋转对固井冲洗效率的影响，同时，外筒内壁可设计有不同导流叶片，用来模拟井筒中套管安装有螺旋扶正器时对冲洗效率的影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。
图1为本发明固井冲洗效率评价装置的管路示意图。
图2为本发明固井冲洗效率评价装置中模拟井筒的结构示意图。
图3为本发明固井冲洗效率评价装置中模拟井筒内筒纵向剖面图(左)和缝眼剖面图(右)。
图4为本发明固井冲洗效率评价装置内筒一种导流叶片设计纵向剖面图。
图5为本发明固井冲洗效率评价装置内筒一种导流叶片设计纵向剖面图。
图中：1.模拟井筒；1a.模拟井筒外壁；1b.内筒；1c.外筒；1d.上方端盖；1e.模拟井筒出液口；1f.出液阀；1g.传动盘；1h.内筒支架；1i.内筒筒体；1j.内筒盖；1k.不锈钢筛网；1l.石英砂；1m.进液口；1n.进液阀；1a1.排液口；1a2.加压口；1a3.放空口；1b1.缝眼；1c1、1c2.导流叶片；2.电磁流量计；3.动力泵；4.加热水箱；4a.加热水箱进液阀；4b.加热水箱出液阀；4c.加热电阻丝。
具体实施方式
如图1所示，本发明固井冲洗效率评价装置，包括模拟井筒1、电磁流量计2、动力泵3和加热水箱4，模拟井筒的进液口1m通过活接头连接有模拟套管进液阀1n，模拟井筒的出液口1e通过活接头连接有模拟井筒出液阀1f；加热水箱的进口安装有加热水箱进口阀4a，加热水箱出口安装有加热水箱出口阀4b，水箱底部设有水箱排空阀；加热水箱出液阀通过管道与所述动力泵3、电磁流量计2及模拟井筒进液阀1n依次串联，模拟井筒出液阀1f与所述水箱进液阀4a相连接。
如图2所示，模拟井筒包括模拟井筒外壁1a、内筒1b和外套管1c，外筒1c穿出上方盖端1d中央作为出液口1e，出液口通过轴承与出液阀1f相接，外筒安装有传动盘1g来与电机相连，使外筒旋转；内筒1b通过螺纹固定于内筒支架1h上，其内部中空，通过排水口1a1与外界相通，内筒内部可充填石英砂1l；模拟井筒外壁上方设有加压口1a2，加压口安装有加压阀，模拟井筒外壁下方设有放空口1a3，放空口安装有放空阀。除钻井液流经的通孔外其余部位相互密封，通过滤纸渗出的水可以从排水口排出。
模拟井筒内筒包括筒体1i、不锈钢筛网1k和内筒盖1j。筒体1i造有一系列平行内筒轴线的缝眼1b1，缝眼长为50～100mm，缝眼总面积占内筒筒体外表总面积的50％左右，缝眼剖面呈梯形，两斜边夹角设计为12°左右，梯形大的底边应为筒体内表面，小的底边对应筒体内表面，避免石英砂1l漏出在筒体，同时不影响形成滤饼，不锈钢筛网可选取40～400目之间不同目数，套于内筒外部，由内筒盖1j固定，内筒盖通过螺纹固定在所述内筒筒体上。
测试冲洗液对地层井壁的冲洗效率或优选冲洗液配方具体实施方式：
第一步，根据(1)式及井身结构和井下冲洗液环空返速确定实验时固井冲洗液的合适流速；第二步，在内筒不锈钢筛网外覆盖一层滤纸或在其内部中空充填石英砂；第三步，打开模拟井筒进液阀、模拟井筒出液阀，向井筒中加满钻井液，关闭进液阀、出液阀；第四步，打开模拟套管加压阀，然后与氮气瓶连接，设置氮气瓶压力为要求压力；打开模拟井筒排液阀，形成滤饼；第五步，然后关闭加压阀，打开模拟井筒放空阀、出液阀，对模拟井筒进行放空后，关闭放空阀、出液阀，打开模拟井筒取下内筒及其上滤饼进行第一次称重记录；第六步，将模拟井筒与加热水箱、泵、流量计等依次串联起来，关闭加热水箱进液阀、出液阀；第七步，向加热水箱中注入冲洗液，打开加热水箱进液阀、出液阀，模拟井筒进液阀、出液阀，启动动力泵，使用冲洗液对形成的滤饼进行冲洗，利用流量计控制流速使达到要求；第八步，取出内筒及滤饼进行第二次称重并记录；第九步，根据(2)式计算冲洗效率；第十步，第二次称重记录后再将滤纸装回模拟井筒，进行第三次冲洗称重；如此循环并记录，根据泥饼重量的变化计算冲洗效率，最终得到所用冲洗液对模拟地层井壁滤饼的冲洗效率。
运用同样方法，可测得其它冲洗液的冲洗效率，包括油基钻井液滤饼的冲洗效率等。将所测的冲洗液效率进行对比，可优选效果最优的冲洗液体系。
确定冲洗液用量具体实施方式：
第一步，根据(1)式及井身结构和井下冲洗液环空返速确定实验时固井冲洗液的合适流速；第二步，在内筒不锈钢筛网外覆盖一层滤纸或在其内部中空充填石英砂；第三步，打开模拟井筒进液阀、模拟井筒出液阀，向井筒中加满钻井液，关闭进液阀、出液阀；第四步，打开模拟套管加压阀，然后与氮气瓶连接，设置氮气瓶压力为要求压力；打开模拟井筒排液阀，形成滤饼；第五步，然后关闭加压阀，打开模拟井筒放空阀、出液阀，对模拟井筒进行放空后，关闭放空阀、出液阀，打开模拟井筒取下内筒及其上滤饼进行第一次称重记录；第六步，将模拟井筒与加热水箱、泵、流量计等依次串联起来，关闭加热水箱进液阀、出液阀；第七步，向加热水箱中注入冲洗液，打开加热水箱进液阀、出液阀，模拟井筒进液阀、出液阀，启动动力泵，使用冲洗液对形成的滤饼进行冲洗，利用流量计控制流速使达到要求；第八步，冲洗时，每隔一段时间取出内套管观察冲洗情况，待冲洗效率达95％以上时，认为基本冲洗干净，记录冲洗时间；第九步，根据冲洗时间和井身结构，计算冲洗液用量。
当然，以上所述仅是本发明的一种实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种固井冲洗效率评价装置，包括模拟井筒、电磁流量计、动力泵和加热水箱，其特征在于所述模拟井筒的进液口通过活接头连接有模拟井筒进液阀，所述模拟井筒的出液口通过活接头连接有模拟井筒出液阀；所述加热水箱的进口安装有加热水箱进液阀，所述加热水箱出口安装有加热水箱出液阀，所述水箱底部设有水箱排空阀；所述加热水箱出液阀通过管道与所述动力泵、所述电磁流量计及所述模拟井筒进液阀依次串联，所述模拟井筒出液阀与所述水箱进液阀相连接；
所述模拟井筒包括模拟井筒外壁、内筒和外筒，所述外筒穿出上方盖端中央，作为出液口，所述出液口通过轴承与出液阀相接，外筒安装有传动盘来与电机相连，使外筒旋转；所述内筒通过螺纹固定于内筒支架上，其内部中空，通过排水口与外界相通，所述内部中空可充填石英砂；所述模拟井筒外壁上方设有加压口，所述加压口安装有加压阀，所述模拟井筒外壁下方设有放空口，所述放空口安装有放空阀；所述模拟井筒内筒包括筒体、筛网和内筒盖；所述筒体壁面造有一系列平行内筒轴线的梯形缝，缝长为5-30mm，缝宽为0.5～2.5mm，缝的总面积占内筒筒体外壁总面积30-60％，梯形缝的两斜边夹角设计为8-12°，梯形缝大的底边位于筒体外壁，梯形缝小的底边位于筒体内壁，避免石英砂漏出筒体，同时不影响滤饼的形成，所述筛网为一系列不同目数不锈钢筛网，范围在40～400目之间，套于所述内筒外部，紧贴内筒筒体，由所述内筒盖固定，所述内筒盖通过螺纹固定在所述内筒筒体上；装置通过所述外筒模拟套管，外筒可以旋转，外筒内壁设计有导流叶片；采用以下方式模拟地层：在内筒筛网外覆一层滤纸，通过滤纸和筛网来模拟地层，在滤纸表面形成滤饼，或在内筒中空部分充填不同粒度的石英砂，通过筛网和不同粒度石英砂来模拟不同渗透率的地层。
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