CN110107235B - 一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价装置及方法，该装置由转子1、变速电机2、密封盖11、人造井壁7、螺杆9组成，转子1通过轴承固定于上、下密封盖之间，转子与变速电机2同轴固定，转子的外部为人造井壁7，人造井壁通过螺杆9同样固定于上、下密封盖之间，上密封盖有进液口、加压口，下密封盖有放液口、滤液口。该方法包括：将钻井液倒入转子与人造井壁之间的环形空间；打开变速电机模拟钻井时井下循环排量；测量钻井液滤饼厚度；再向转子与人造井壁之间的环形空间装入前置液；打开变速电机模拟固井中前置液顶替排量；计算滤饼清洗效率、抗剪强度。本发明操作简便，便于深入研究钻井液滤饼形成及冲洗效率的影响因素及机理。

Description

一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价装置及方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发领域一种可在动态、加压环境下于井壁上压制和冲洗钻井液滤饼的一体化模拟评价装置及方法。

背景技术

在油气井的钻井过程中，钻井液会在渗透性井壁上、在压差作用下形成具有一定强度和厚度的钻井液滤饼。

与钻井液相比，钻井液滤饼的结构强度更大，加之大多数井眼并非标准圆形，井壁表面并不平整光滑，为此，井壁在长时间压差作用下形成的钻井液滤饼更难以冲洗干净、更容易成为油气水窜流通道，加大了固井失效的风险。

为研究相关因素对钻井液滤饼冲洗效率的影响、规律及机理，需要研制可压制和/或冲洗钻井液滤饼装置及方法。经过多年的研究，国内外研究人员提出了不同的钻井液滤饼压制方法和冲洗效率评价方法，但是，由于对井眼条件、钻井液滤饼形成和被冲洗过程的简单处理，导致各环节与井下实际情况严重不符，从而导致评价结果偏离实际。

常用的钻井液滤饼形成方式，可分为如下几种：(1)将常用六速旋转粘度计的外筒在钻井液中浸泡一段时间，通过钻井液的粘附作用，在外筒表面粘附一层钻井液，用于模拟钻井液在井壁上形成滤饼，可以看出，该方法形成的钻井液滤饼与井下实际不符。(2)将岩心或人造岩心置入高压容器，如高温高压失水仪等，装满钻井液并加压，通过压缩岩心内孔隙中的流体，促使钻井液在岩芯中渗滤并在表面形成一层滤饼，该滤饼形成方式与井下情况接近，但是，在泄压拆取带滤饼的岩心时，岩心内被压缩的流体和滤液开始膨胀并从岩心内向外返排，从而大幅度降低滤饼与岩心之间的粘结强度，进而导致后续冲洗效率的结果偏离井下实际。(3)在岩心两端或内外制造压差，使钻井液在规则形状岩心的端面或外(内)圆柱面上形成滤饼，该滤饼形成方式与井下形成滤饼的方式接近，但是岩心上的模拟井壁为规则圆柱的端面或圆柱面，导致所形成的滤饼为规则圆饼或圆环，与实际井眼大多不圆甚至严重椭圆、所形成滤饼为形状复杂空间圆环的情况不符。

常用的钻井液滤饼冲洗方式，可分为如下几种：(1)将带钻井液滤饼的岩心置于冲洗液中，再按一定的速度旋转岩心，造成钻井液滤饼与冲洗液的相对运动，模拟冲洗液在井下冲洗钻井液滤饼过程，其不足在于钻井液滤饼在冲洗液中被均匀冲洗的情况与井眼大多不圆、井壁上钻井液滤饼非均匀冲洗的情况不符，此外，在岩心带动其外表面上钻井液滤饼高速旋转的情况下，难以区分钻井液滤饼是被冲洗掉的还是被离心力甩掉的。(2)在内壁带钻井液滤饼的岩心中充入冲洗液，再进行搅拌或循环冲洗液，钻井液滤饼与冲洗液产生相对运动，可避免滤饼高速旋转所致离心力对评价结果的影响，但依然存在滤饼被均匀冲洗的问题。

发明专利“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)，通过在冲洗液中旋转带滤饼的岩心，制造冲洗液和滤饼之间的相对运动，虽然操作简便，但是存在离心力影响评价结果精度问题，且转速越高、影响越大。

发明专利“一种固井冲洗液定量模拟评价装置”(CN203515574U)，通过建立人工井筒模拟钻井液滤饼的形成和冲洗过程，较为符合井下情况，但是成本较高、装置设计复杂、操作繁琐，尤其是规则圆环型钻井液滤饼与井下实际情况不符。

发明专利“一种固井冲洗效率评价装置及方法”(CN104863533A)以雷诺数相似原理设计模拟装置、操作简便且集滤饼形成与冲洗一体化；发明专利“模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置及实验方法”(CN106285526A)可模拟偏心条件下冲洗液对滤饼的冲洗过程，但均存在上述规则圆环型滤饼与井下实际不符的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价装置，该装置通过内壁不规则的渗透性圆筒模拟井眼，在模拟井眼内外形成压差，促使钻井液在内壁上渗滤形成钻井液滤饼，通过控制电机的转速模拟钻进时的环空钻井液循环速度与固井时的环空冲洗液冲洗速度，达到在人造井壁上形成更真实的滤饼和对钻井液滤饼不均匀冲洗的目的。

本发明的另一目的在于提供利用上述装置对钻井液滤饼压制及清洗效率进行评价的方法，该方法原理可靠，操作简便，可通过不规则井眼条件下钻井液滤饼形成情况以及不同条件下的清洗效率，便于更深入地研究钻井液滤饼形成及冲洗效率的影响因素及机理。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

本发明在动态环境下通过加压在环形井壁上形成滤饼，模拟井壁滤饼形成真实环境，其后替换成前置液，通过公式将现场固井排量换算成转子转速，模拟前置液接触时间，利用冲洗后的滤饼厚度损失计算前置液冲洗效率。本发明通过将原本的环形人造井壁更换为不规则人造井壁，从而研究不规则井眼条件下钻井液滤饼形成情况以及不同条件下的清洗效率，通过分析钻井液滤饼在前置液作用下的抗剪强度，便于对滤饼结构性能做更深入的研究。

一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价装置，该装置位于支架上，由转子、变速电机、轴承、密封盖、人造井壁、螺杆组成，所述转子通过轴承固定于上、下密封盖之间，转子与变速电机同轴固定，转子的外部为人造井壁，人造井壁通过螺杆同样固定于上、下密封盖之间，上密封盖设有进液口、加压口，进液口、加压口均与转子和人造井壁之间的环形空间相连通，下密封盖设有放液口、滤液口，放液口与转子和人造井壁之间的环形空间相连通，滤液口与人造井壁和螺杆之间的环形空间相连通。

所述人造井壁设有支撑壁，人造井壁与支撑壁紧密贴合。

所述人造井壁与密封盖之间设有密封圈。

钻井液通过进液口进入转子与人造井壁之间的空间，变速电机控制转子转速，模拟钻井液循环排量，转子的转动带动钻井液运动，形成动态环境，通过加压口连接的中间容器为其加压，钻井液在压差作用下向井壁渗滤，在井壁上形成滤饼，由此可测量滤饼厚度。

通过放液口放空钻井液，再通过进液口装入前置液，设置转子转速，模拟顶替排量，一段时间后测量滤饼厚度，计算清洗效率，同时计算滤饼在前置液下的抗剪强度。

利用上述装置对钻井液滤饼压制及清洗效率进行评价的方法，依次包括以下步骤：

(1)将钻井液加热至井底温度，通过进液口将加热后的钻井液倒入转子与人造井壁之间的环形空间，充满后关闭进液口；

(2)通过加压口对转子与人造井壁之间的环形空间加压至井底压力，打开变速电机，模拟钻井时井下循环排量，由下式确定变速电机的转速Nm：

式中：Q_m为钻井时钻井液井下循环排量，L/s；D_m为钻进时井眼半径，m；d_m为钻杆半径，m；K_m为钻井液稠度系数，mPa*sⁿ；n_m为钻井液流性指数，无单位；τ_m为钻井液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；

(3)30min后，关闭变速电机，泄压，通过放液口排放钻井液，采用针入度法测量人造井壁内形成的钻井液原始滤饼厚度H，多处测量，取其平均值；

(4)通过进液口向转子与人造井壁之间的环形空间缓慢装入前置液，充满后关闭进液口；

(5)打开变速电机，模拟固井过程中前置液顶替排量，由下式确定变速电机的转速N_s：

式中：Q_s为前置液顶替排量，L/s；D_s为固井时井眼半径，m；d_s为套管半径，m；K_s为前置液稠度系数，mPa*sⁿ；n_s为前置液流性指数，无单位；τ_s为前置液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；r_s＝R₂-H，m；

(6)每隔5min测量一次滤饼厚度，直到滤饼厚度h不再变化；

(7)通过下式计算滤饼清洗效率：

(8)通过下式计算被清洗滤饼的抗剪强度：

式中：K_s为前置液稠度系数，mPa*sⁿ；n_s为前置液流性指数，无单位；τ_s为前置液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；r_s＝R₂-H，m。

所述钻井液为现场取样钻井液或实验室配置钻井液。

所述前置液为现场取样前置液或实验室配置前置液。

本发明通过将原本的环形人造井壁更换为不规则人造井壁，从而研究不规则井眼条件下钻井液滤饼形成情况以及不同条件下的清洗效率。

本发明通过分析钻井液滤饼在前置液作用下的抗剪强度，便于对滤饼结构性能做更深入的研究。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明可在动态、加温加压的条件下，在人造规则或不规则的、具备不同渗透率的环形井壁上形成滤饼，更符合井下实际；

(2)本发明通过控制电机转速调节钻井液循环时冲洗滤饼的剪切速度，利用壁面剪切力相等原理，根据钻进时的钻井液循环排量、剪切速率和井下压差压制滤饼，更符合井下实际；

(3)本发明通过控制电机转速调节冲洗液冲洗滤饼的剪切速度，利用壁面剪切力相等原理，根据固井时的顶替排量、剪切速率、冲洗时间冲洗滤饼，更符合井下实际；

(4)本发明可连续监测滤饼厚度的变化，并通过滤饼厚度的损失，计算、表征冲洗液的冲洗效率，更为简单可靠；

(5)本发明可根据不同位置钻井液滤饼被剪切破坏时的冲洗液剪切速率，计算其对应的抗剪强度，为研究钻井液滤饼的分层结构强度等提供理论依据。

附图说明

图1是一种钻井液滤饼压制及前置液清洗效率一体化评价装置结构示意图。

图中：1-转子；2-变速电机；3-轴承；4-进液口；5-放液口；6-滤液口；7-人造井壁；8-支撑壁；9-螺杆；10-密封圈；11-密封盖；12-支架；13-加压口。

具体实施方式

下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参见图1。

一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价装置，该装置位于支架12上，由转子1、变速电机2、轴承3、密封盖11、人造井壁7、螺杆9组成，所述转子1通过轴承3固定于上、下密封盖之间，转子与变速电机2同轴固定，转子的外部为人造井壁7，人造井壁通过螺杆9同样固定于上、下密封盖之间，上密封盖设有进液口4、加压口13，进液口、加压口均与转子和人造井壁之间的环形空间相连通，下密封盖设有放液口5、滤液口6，放液口与转子和人造井壁之间的环形空间相连通，滤液口与人造井壁和螺杆之间的环形空间相连通。

所述人造井壁7设有支撑壁8，人造井壁与支撑壁紧密贴合。

所述人造井壁7与密封盖之间设有密封圈10。

利用上述装置对钻井液滤饼压制及清洗效率进行评价的方法，依次包括以下步骤：

(1)将钻井液加热至90℃，通过进液口将加热后的钻井液倒入转子与人造井壁之间的环形空间，充满后关闭进液口；

(2)通过加压口对装置加压至3.5MPa，打开变速电机，模拟钻井时井下循环排量，利用公式(1)确定变速电机的转速；

(3)30min后，关闭变速电机，泄压，通过放液口排放钻井液，采用针入度法测量人造井壁内形成的钻井液滤饼厚度H，多处测量，取其平均值；

(4)通过进液口向转子与人造井壁之间的环形空间缓慢装入前置液，充满后关闭进液口；

(5)打开变速电机，模拟固井过程中前置液顶替排量，利用公式(2)确定变速电机的转速；

(6)每隔5min测量一次滤饼厚度，直到滤饼厚度h不再变化；

(7)通过公式(3)计算滤饼清洗效率η；

(8)通过公式(4)计算被清洗滤饼抗剪强度τ。

公式(1)的推导过程如下：

在钻进过程中，钻井液在环空流动中壁面剪切速率通过如下公式计算(胡兴，泥饼性能对冲洗效果的影响研究，西南石油大学硕士论文，2017年，第13-15页)：

式中：Г_m1为钻进时钻井液壁面剪切速率；V_m为钻进时环空返速，m/s；D_m为钻进时井眼半径，m；d_m为钻杆半径，m；K_m为钻井液稠度系数，mPa*sⁿ；n_m为钻井液流性指数，无单位；τ_m为钻井液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；

钻井液流变方程：

式中：τ₁为钻井液壁面剪切力，Pa。

井底流量与环空返速关系：

式中：Q_m为钻进时钻井液循环排量，L/s。

装置环空流速分布通过下式计算(陈小榆，高等流体力学，北京：石油工业出版社，2016年，第250-253页)：

式中：V_mm为装置某点的流速，m/s；r_m为装置转子与井壁间环空某点到圆心的距离，m；w_m为模拟钻进时装置角速度，r/s。

对上式求导可得：

式中：Г_m2为钻井液在装置中的壁面剪切速率，1/s。

转速与角速度的关系：

由于装置所用钻井液选取为循环过程真实钻井液，则壁面剪切力相等可换算成壁面剪切速率相等：

Г_m1＝Г_m2 (11)

联立公式(5)(7)(9)(10)可得装置转速与钻进时循环排量关系为：

公式(2)的推导过程如下：

在固井过程中，前置液在环空流动中壁面剪切速率通过如下公式计算(胡兴，泥饼性能对冲洗效果的影响研究，西南石油大学硕士论文，2017年，第13-15页)：

式中：Г_s1为固井时前置液壁面剪切速率；V_s为前置液环空返速，m/s；D_s为固井时井眼半径，m；d_s为套管半径，m；K_s为前置液稠度系数，mPa*sⁿ；n_s为前置液流性指数，无单位；τ_s为前置液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m。

前置液流变方程：

式中：τ₂为前置液壁面剪切力，Pa。

井底流量与环空返速关系：

式中：Q_s为固井时前置液顶替排量，L/s。

装置环空流速分布通过下式计算(陈小榆，高等流体力学，北京：石油工业出版社，2016年，第250-253页)：

式中：V_ss为环空某一点的流速，m/s；r_s＝R₂-H，m；w_s为模拟固井时装置角速度，r/s。

对上式求导可得：

式中：Г_s2为前置液在装置中的壁面剪切速率，1/s。

转速与角速度的关系：

由于装置所用前置液取为固井顶替过程真实前置液，则壁面剪切力相等可换算成壁面剪切速率相等：

Г_s1＝Г_s2 (19)

联立公式(13)、(15)、(17)、(18)、(19)可得装置转速与固井时前置液顶替排量关系为：

公式(4)的推导过程如下：

联立公式(14)、(17)、(18)可得到滤饼抗剪强度：

Claims (1)

1.一种钻井液滤饼压制及清洗效率一体化评价方法，依靠评价装置完成，该装置位于支架(12)上，由转子(1)、变速电机(2)、轴承(3)、密封盖(11)、人造井壁(7)、螺杆(9)组成，所述转子(1)通过轴承(3)固定于上、下密封盖之间，转子与变速电机(2)同轴固定，转子的外部为人造井壁(7)，人造井壁通过螺杆(9)同样固定于上、下密封盖之间，上密封盖设有进液口(4)、加压口(13)，进液口、加压口均与转子和人造井壁之间的环形空间相连通，下密封盖设有放液口(5)、滤液口(6)，放液口与转子和人造井壁之间的环形空间相连通，滤液口与人造井壁和螺杆之间的环形空间相连通，该方法依次包括以下步骤：

(1)将钻井液加热至井底温度，通过进液口将加热后的钻井液倒入转子与人造井壁之间的环形空间，充满后关闭进液口；

(2)通过加压口对转子与人造井壁之间的环形空间加压至井底压力，打开变速电机，模拟钻井时井下循环排量，由下式确定变速电机的转速N_m：

式中：N_m为钻井液滤饼压制时变速电机的转速，转/min；Q_m为钻井时钻井液井下循环排量，L/s；D_m为钻进时井眼半径，m；d_m为钻杆半径，m；K_m为钻井液稠度系数，mPa*sⁿ，n为流性指数，无单位；n_m为钻井液流性指数，无单位；τ_m为钻井液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；

(3)30min后，关闭变速电机，泄压，通过放液口排放钻井液，采用针入度法测量人造井壁内形成的钻井液原始滤饼厚度H，多处测量，取其平均值；

(4)通过进液口向转子与人造井壁之间的环形空间装入前置液，充满后关闭进液口；

(5)打开变速电机，模拟固井过程中前置液顶替排量，由下式确定变速电机的转速N_s：

式中：N_s为钻井液滤饼清洗时变速电机的转速，转/min；Q_s为前置液顶替排量，L/s；D_s为固井时井眼半径，m；d_s为套管半径，m；K_s为前置液稠度系数，mPa*sⁿ，n为流性指数，无单位；n_s为前置液流性指数，无单位；τ_s为前置液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；r_s＝R₂-H，m；

(6)每隔5min测量一次滤饼厚度，直到滤饼厚度h不再变化；

(7)通过下式计算滤饼清洗效率：

(8)通过下式计算被清洗滤饼的抗剪强度：

式中：τ为钻井液滤饼清洗后的抗剪强度，Pa；K_s为前置液稠度系数，mPa*sⁿ，n为流性指数，无单位；n_s为前置液流性指数，无单位；τ_s为前置液动切力，Pa；R₁为转子半径，m；R₂为人造井壁内壁半径，m；r_s＝R₂-H，m。

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