一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置及方法

摘要

本发明公开一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置及方法，所述装置包括：托盘；评价浆杯，设置于所述托盘上，所述评价浆杯包括杯体、浆杯底座和防溢帽环，所述浆杯底座和防溢帽环分别可拆卸地固定于与所述杯体的相对两端，所述杯体内壁采用螺纹或喷涂形式处理，以确保所述钻井液能够挂在所述杯体内壁上；旋转内筒，设置于所述评价浆杯内；驱动件；传动装置，与所述旋转内筒和所述驱动件连接，以将所述驱动件的驱动力传递给所述旋转内筒，使得所述旋转内筒相对于所述评价浆杯转动；其中，根据所述杯体的净重、挂有钻井液的杯体的重量和经冲洗液冲洗后的杯体的重量，计算所述冲洗液的冲洗效率。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置 及方法。

背景技术

钻井过程中，由于井壁具有渗透性和钻井液中含有膨润土等固相物质，因 此会在井壁上形成泥饼，而泥饼是由致密层、密实层、可压缩层及虚泥饼层组 成的，在固井过程中泥饼夹在水泥浆和地层之间，因此，虚泥饼的存在会影响 固井二界面的胶结质量。为此，在固井注水泥前注入一定量的冲洗液，对井壁 上的虚泥饼进行冲洗，冲洗效率作为评价冲洗液的重要指标。

目前固井冲洗液冲洗效率的评价装置主要分为利用滤纸模拟井壁装置、利 用岩心(或筛管)模拟井壁装置、利用固定内筒模拟井壁装置共三类。其中， 利用岩心(或筛管)模拟井壁装置能够较好的模拟井壁的状态，但每次实验所 使用的模拟砂岩以及泥饼的压实程度都存在一定的差异，实验的重复性相对差， 实验装置相对复杂、实验过程相对繁琐，不能快速完成对冲洗液的评价。利用 固定内筒模拟井壁装置，其实验操作简单，能够较好的模拟井下环空的剪切冲 洗过程，但由于模拟井壁的内筒下端面粘有钻井液，此部分减少量不受剪切速 率的影响，影响准确性；模拟井壁的内筒粘钻井液高度的一致性不好掌握，重 复性差；内外筒间隙小，拆卸内、外筒时容易碰到内筒外壁的钻井液，影响准 确性；模拟井壁的内筒外表面积小，粘钻井液的量相对较少，影响实验结果的 准确性。

发明内容

本申请提供一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置及方法，解决了或部分解 决了现有技术中利用岩心(或筛管)模拟井壁装置和利用固定内筒模拟井壁装 置不能够准确测得冲洗液对井壁钻井液的冲洗效率，并根据冲洗效率优选洗液 类型，且实验误差大、操作方法复杂、可重复性差的技术问题。

本申请提供一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置，所述装置包括：托盘； 评价浆杯，设置于所述托盘上，所述评价浆杯包括杯体、浆杯底座和防溢帽环， 所述浆杯底座和防溢帽环分别可拆卸地固定于与所述杯体的相对两端，所述杯 体内壁采用螺纹或喷涂形式处理，以确保所述钻井液能够挂在所述杯体内壁上； 旋转内筒，设置于所述评价浆杯内；驱动件；传动装置，与所述旋转内筒和所 述驱动件连接，以将所述驱动件的驱动力传递给所述旋转内筒，使得所述旋转 内筒相对于所述评价浆杯转动；其中，根据所述杯体的净重、挂有钻井液的杯 体的重量和经冲洗液冲洗后的杯体的重量，计算所述冲洗液的冲洗效率。

优选地，所述装置包括底座，所述驱动件固定于所述底座上。

优选地，所述装置还包括固定于所述底座上的支架，所述传动装置和所述 托盘固定于所述支架上。

优选地，所述杯体的内径与所述旋转内筒的外径差值大于等于10毫米。

本申请还提供一种评价固井冲洗液冲洗效率的方法，所述方法包括：确定 杯体的内径R₂；记录杯体的净重W₀；向所述评价浆杯中加入钻井液，搅拌后将 钻井液倒出，记录挂有钻井液的杯体的重量W₁；向所述评价浆杯中加入冲洗液， 冲洗时间T后，倒出冲洗液，记录冲洗后的杯体的重量W₂；根据所述W₀、W₁和W₂，计算固井冲洗液的冲洗效率P。

优选地，所述固井冲洗液的冲洗效率P具体为：

优选地，所述冲洗时间其中，所述V为冲洗液用量，所述V_t为 环空返速，所述A为环空横截面积。

优选地，所述确定杯体的内径R₂，包括：

计算固井施工时的环空返速其中，所述Q为顶替排量， 所述A为环空横截面积，所述D₁为套管外径，所述D₂为井眼直径；

计算固井施工时冲洗液对井壁的剪切速率

根据和ω₁＝2πN/60计算杯体内径R₂，其中，γ_n为杯体内 表面处剪切速率，ω₁为旋转内筒角速度，N为旋转内筒转速，R₁为旋转内筒直 径。

本申请有益效果如下：

上述装置利用传动装置使旋转内筒在盛有待评价冲洗液的评价浆杯中以一 定的转速下旋转，带动评价浆杯中的冲洗液做旋转运动，对挂有钻井液的评价 浆杯内壁在一定冲洗时间内进行冲洗，冲洗液对评价浆杯内壁产生一定的剪切 速率，在旋转内筒转速一定的条件下，通过改变评价浆杯的内径，获得不同的 剪切速率，以模拟不同井眼、套管柱结构、环空返速、冲洗液用量条件下冲洗 液对井壁的剪切冲洗过程,根据冲洗前后评价浆杯挂壁钻井液的质量变化计算冲 洗效率，从而解决了或部分解决了现有技术中利用岩心(或筛管)模拟井壁装 置和利用固定内筒模拟井壁装置不能够准确测得冲洗液对井壁钻井液的冲洗效 率，并根据冲洗效率优选洗液类型，且实验误差大、操作方法复杂、可重复性 差的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅 仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请实施方式一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置的结构示意图；

图2为图1中评价固井冲洗液冲洗效率的装置的评价浆杯的剖面示意图；

图3为本申请另一实施方式一种评价固井冲洗液冲洗效率的方法的流程图。

图中：1—底座，2—驱动件，3—支架，4—传动装置，5—旋转内筒，6— 托盘，7—评价浆杯，8—防溢帽环，9—杯体，10—浆杯底座

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方 式对上述技术方案进行详细的说明。

图1为本申请实施方式一种评价固井冲洗液冲洗效率的装置的结构示意图。 如图1所示，所述评价固井冲洗液冲洗效率的装置包括：托盘6、评价浆杯7、 旋转内筒5、驱动件2和传动装置4。

所述评价浆杯7设置于所述托盘6上，同时参阅图2，所述评价浆杯7包括 杯体9、浆杯底座10和防溢帽环8，所述浆杯底座10和防溢帽环8分别可拆卸 地固定于与所述杯体9的相对两端。具体地，在本实施方式中，所述杯体9与 浆杯底座10丝扣连接，密封圈密封；杯体9与防溢帽环8丝扣连接，密封圈密 封。另外，所述杯体9内壁采用螺纹或喷涂形式处理，以确保所述钻井液能够 挂在所述杯体9内壁上。杯体9的高度与旋转内筒5的有效长度一致；浆杯底 座10的外径小于托盘6的直径。杯体9、浆杯底座10和防溢帽环8的材质为不 锈钢，确保评价浆杯的抗腐蚀性；杯体9、浆杯底座10、防溢帽环8外壁采用 压花处理，起到紧扣、卸扣时的防滑作用。

所述旋转内筒5设置于所述评价浆杯7内。在本实施方式中，所述旋转内 筒5为密闭的空心圆柱筒，直径为41mm。

所述传动装置4与所述旋转内筒5和所述驱动件2连接，以将所述驱动件2 的驱动力传递给所述旋转内筒5，使得所述旋转内筒5相对于所述评价浆7杯转 动。在本实施方式中，所述驱动件2具体为电机。

其中，根据所述杯体9的净重、挂有钻井液的杯体9的重量和经冲洗液冲 洗后的杯体9的重量，计算所述冲洗液的冲洗效率。

上述装置利用传动装置4使旋转内筒5在盛有待评价冲洗液的评价浆杯7 中以一定的转速下旋转，带动评价浆杯7中的冲洗液做旋转运动，对挂有钻井 液的评价浆杯7内壁在一定冲洗时间内进行冲洗，冲洗液对评价浆杯7内壁产 生一定的剪切速率，在旋转内筒5转速一定的条件下，通过改变评价浆杯7的 内径，获得不同的剪切速率，以模拟不同井眼、套管柱结构、环空返速、冲洗 液用量条件下冲洗液对井壁的剪切冲洗过程,根据冲洗前后评价浆杯7挂壁钻井 液的质量变化计算冲洗效率，从而解决了或部分解决了现有技术中利用岩心(或 筛管)模拟井壁装置和利用固定内筒模拟井壁装置不能够准确测得冲洗液对井 壁钻井液的冲洗效率，并根据冲洗效率优选洗液类型，且实验误差大、操作方 法复杂、可重复性差的技术问题。

在具体实施方式中，所述装置包括底座1，所述驱动件2和所述支架3固定 于所述底座1上。在本实施方式中，所述电机2也固定在底座1上。

进一步地，所述装置还包括固定于所述底座1上的支架3，所述传动装置固 定于所述支架3上。托盘6安装在支架3上，且可上下调节高度，通过调节托 盘6的高度，使旋转内筒5置于评价浆杯7内的待评价冲洗液中。另外，在本 实施方式中，传动装置4固定在支架3的上部。

在具体实施方式中，所述杯体9的内径与所述旋转内筒5的外径差值大于 等于10毫米，以确保评价浆杯7装卸方便。且，通过改变杯体9内径得到冲洗 液对内壁不同的剪切速率，以模拟固井过程中不同环空返速条件下冲洗液对井 壁的冲洗过程。

通过调节固定在支架3上的托盘6的高度，使评价浆杯7中盛有的待评价 冲洗液液面没过内壁所挂的钻井液，通过旋转内筒5带动冲洗液对模拟井壁进 行剪切冲洗；带动旋转内筒5转动的传动装置4是通过固定在底座1上的电机2 提供动力。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种评价固井冲洗液冲洗效率的方法， 请参阅图3，所述方法包括以下步骤：

步骤31，确定杯体9的内径R₂。所述确定杯体的内径R₂具体包括：

计算固井施工时冲洗液对井壁的剪切速率：根据牛顿流体在环空层流时管 壁处的剪切速率表达式，(适用于钻井液的罗伯逊-斯蒂夫模式[J].西南石油学院 学报，1982(2)：22)，计算出固井施工时不同环空返速情况下冲洗液对井壁 的剪切速率剪切速率γ单位s^-1；

而环空返速其中，环空返速V_t单位为m/s；所述Q为 顶替排量，单位m³/min；所述A为环空横截面积，单位m²；所述D₁为套管外 径，单位m；所述D₂为井眼直径，单位m；

计算冲洗液对杯体(9)内壁的剪切速率：根据牛顿流体在两个同轴圆筒之 间的环形区域内作旋转运动时的剪切速率的分布规律(《原油与浆体流变学》， 李克文，石油工业出版社，1994年第一版，28)；

牛顿流体在两个同轴圆筒之间的环形区域内作旋转运动时的剪切速率分布 规律：

$\gamma =\frac{2({\omega }_2-{\omega }_1){r_1}^2·{r_2}^2}{r^2({r_2}^2-{r_1}^2)}$

其中，r₁为内圆筒的半径，r₂为外圆筒的半径。

当内筒旋转外筒静止的情况下，ω₂＝0，在外筒内表面(r＝r₂)处的剪切速 率为(即冲洗液对杯体(9)内壁的剪切速率)：

${\gamma }_n=\frac{2{\omega }_1·{r_1}^2}{({r_2}^2-{r_1}^2)}$

而内圆筒的直径R₁＝2r₁，外圆筒的直径R₂＝2r₂。

冲洗液对杯体(9)内壁的剪切速率可表述为：

${\gamma }_n=\frac{2{\omega }_1·{R_1}^2}{({R_2}^2-{R_1}^2)}$

而ω₁＝2πN/60

计算杯体9内径R₂，其中，γ_n为杯体内表面处剪切速率，单位为s-1；ω₁为旋转内筒角速度，单位为rad/s；N为旋转内筒转速，单位为r/min；R₁为旋转 内筒直径，单位为m；R₂为杯体9的内径，单位为m。

步骤32，记录杯体9的净重W₀。

步骤33，向所述评价浆杯7中加入钻井液，搅拌后将钻井液倒出，记录挂 有钻井液的杯体9的重量W₁。

步骤34，向所述评价浆杯7中加入冲洗液，冲洗时间T后，倒出冲洗液， 记录冲洗后的杯体9的重量W₂。所述冲洗时间是指冲洗液经过被冲洗井段的时 间，冲洗时间是影响冲洗效率的重要因素，实验中旋转内筒5在冲洗液中的旋 转时间即为模拟现场的冲洗时间，冲洗时间可根据现场冲洗液用量、井筒环空 截面积、环空返速的关系进行计算：

冲洗时间冲洗时间T的单位为s；其中，所述V为冲洗液用量， 单位为m³；所述V_t为环空返速，单位为m/s；所述A为环空横截面积，单位 m²。

步骤35，根据所述W₀、W₁和W₂，计算固井冲洗液的冲洗效率P。在本实 施方式中，所述固井冲洗液的冲洗效率P具体为：

与现有装置及方法相比，本发明具有如下优点：

(1)能够模拟现场固井施工的冲洗过程；

(2)评价浆杯拆卸、称量方便，避免了实验过程中带来的人为误差；

(3)克服了模拟筒下端面不参与冲洗的钻井液带来的误差；

(4)评价浆杯内壁挂钻井液量大，提高了实验的准确性

(5)评价浆杯挂钻井液的高度一致，实验重复性好。

利用该评价装置及方法进行冲洗液冲洗效率的评价，操作程序及方法简单， 人为误差小，实验结果重复性好，能够用于评价冲洗液冲洗效果，目前已应用 评价了YXCX、TCP-2、FLASH-A三种冲洗液对聚合物、抑制性、有机硅、钾 盐聚合物、钠盐聚合物共五种钻井液的冲洗效率80井次，实验结果对比性强， 依据评价结果优化了冲洗液类型，有效指导了固井方案设计及现场施工。

不同类型冲洗液对XX-1井有机硅钻井液冲洗效率情况表

对有机硅钻井液，TCP-2冲洗液冲洗效果最优，其次为FLASH-A冲洗液， YXCX冲洗液冲洗效果最差，因此XX-1井使用有机硅钻井液，固井冲洗液优选 采用TCP-2冲洗液。

以下结合不同冲洗液冲洗效果的评价实验对本发明进行进一步说明：

XX井，直径215.9mm的井眼，下入外径139.7mm的套管，以1.0m³/min 的顶替排量，分别用7m³的冲洗液A、冲洗液B对井壁的钻井液进行冲洗，评 价冲洗液A、冲洗液B的冲洗效果：

A.确定杯体9的内径R₂，通过以下两个步骤实现。

步骤一：计算环空返速：

$V_t=\frac{1.0m^3/60s}{\frac{\pi }{4}[{(215.9\times {10}^{-3}m)}^2-{(139.7\times {10}^{-3}m)}^2]}=0.784m/s$

步骤二：计算杯体9内径，选择评价浆杯7

1)计算0.784m/s环空返速下冲洗液对井壁的剪切速率：

$\gamma =\frac{12\times 0.784m/s}{215.9\times {10}^{-3}m-139.7\times {10}^{-3}m}=123.4646s^{-1}$

2)计算模拟井筒环空返速、旋转内筒600转/min转速情况下的冲洗液对杯 体内壁的剪切速率：

$123.4646s^{-1}=\frac{2{\omega }_1·{R_1}^2}{({R_2}^2-{R_1}^2)}=\frac{2\times (2\times \pi \times 600/60s)\times {(41\times {10}^{-3}m)}^2}{{R_2}^2-{(41\times {10}^{3}m)}^2}$

3)根据上述两个计算式，可以计算得出模拟固井过程中剪切速率的杯体内 径R₂：

R₂＝0.05823m＝58.23mm≈58mm

选择杯体内径为58mm的评价浆杯。

B将评价浆杯7卸掉浆杯底座10、防溢帽环8后，杯体9称重，记录重量 284.315g。

C杯体9装上浆杯底座10、防溢帽环8，将钻井液倒入评价浆杯7中，钻井 液液面超过杯体9上沿即可，搅拌5分钟后将钻井液倒出，自然风干5分钟； 卸掉浆杯底座10、防溢帽环8，将挂有钻井液的杯体9称重，记录重量为289.907g；

D杯体9装上浆杯底座10、防溢帽环8，将冲洗液A缓缓倒入评价浆杯7， 将盛有冲洗液A的评价浆杯7放置在托盘6上，调整托盘6高度，使冲洗液A 的液面没过杯体9上沿，启动传动装置4，使旋转内筒5在评价浆杯7中以600 转进行旋转7分钟，然后卸掉浆杯底座10、防溢帽环8，将杯体9称重，记录 重量285.618g。其中7分钟是通过以下方式计算得出，

$T=\frac{7m^3}{\frac{\pi }{4}\times [{(215.9\times {10}^{-3}m)}^2-{(139.7\times {10}^{-3}m)}^2]\times 0.784m/s}=420s$

$T=\frac{420s}{60s}=7\min$

即，冲洗时间为7分钟。

E根据所述W₀、W₁和W₂，计算固井冲洗液的冲洗效率P，

$P=\frac{289.907g-285.618g}{289.907g-284.315g}\times 100\%=76.7\%$

D重复冲洗液A冲洗步骤A-E，冲洗液替换为B，测得杯体9重量为284.315 g，挂钻井液后杯体9重量289.919g，冲洗后杯体9的重量286.814g，即可计 算冲洗液B的冲洗效率为：

$P=\frac{289.919g-286.814g}{289.919g-284.315g}\times 100\%=55.4\%$

因此，冲洗液A的冲洗效率高于冲洗液B的冲洗效率，在其它条件相同情 况下，冲洗液A的冲洗效果优于冲洗液B的冲洗效果。

上述装置利用传动装置4使旋转内筒5在盛有待评价冲洗液的评价浆杯7 中以一定的转速下旋转，带动评价浆杯7中的冲洗液做旋转运动，对挂有钻井 液的评价浆杯7内壁在一定冲洗时间内进行冲洗，冲洗液对评价浆杯7内壁产 生一定的剪切速率，在旋转内筒5转速一定的条件下，通过改变评价浆杯7的 内径，获得不同的剪切速率，以模拟不同井眼、套管柱结构、环空返速、冲洗 液用量条件下冲洗液对井壁的剪切冲洗过程,根据冲洗前后评价浆杯7挂壁钻井 液的质量变化计算冲洗效率，从而解决了或部分解决了现有技术中利用岩心(或 筛管)模拟井壁装置和利用固定内筒模拟井壁装置不能够准确测得冲洗液对井 壁钻井液的冲洗效率，并根据冲洗效率优选洗液类型，且实验误差大、操作方 法复杂、可重复性差的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要 求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。