油气井固井多棱石英砂冲洗液的研制与现场应用

何立成

（中石化胜利石油工程有限公司, 山东 东营 257000）

在油气井固井作业中，有效清洗井壁与套管上的附着物、顶替环空中的钻井液，是保证固井质量的关键。因此，应用高效冲洗液是提高水泥环胶结质量的主要措施。目前，国内外常用的固井冲洗液可分为水基冲洗液和油基冲洗液2类[1-5]，主要有清水型冲洗液、乳化型冲洗液、黏性冲洗液、饱和盐水冲洗液等，虽然基本满足了油气井固井要求，但存在沉降稳定性比较差、对油基钻井液或含油钻井液的冲洗效率低、油膜冲洗效果不佳等缺点。近年来，页岩油气井的数量越来越多，且多应用油基钻井液钻进，应用常规冲洗液进行固井作业时，很难有效清洗井壁上的含油滤饼和套管壁附着的油膜，严重影响水泥环胶结质量，不但难以实现环空的有效封隔，出现环空带压现象，而且无法满足后期大型压裂作业对水泥环胶结质量的要求，影响了压裂增产效果，也增加了油气井生产风险[6-7]。因此，需要研制高效冲洗液，以提高固井质量。目前，国内外已研制出一些高效冲洗液[8-10]，但种类比较少，功能和用途比较单一，且适应性差，很难满足油基钻井液条件下提高固井质量的要求。为此，基于加强冲洗液物理冲刷作用的研究思路，优选了有尖锐棱角、形状不规则的多棱石英砂颗粒，并优化了其加量、优选了悬浮剂，配制了多棱石英砂冲洗液。该冲洗液在胜利油田4口井进行了成功应用，固井施工顺利，固井质量明显提高。

1 多棱石英砂冲洗液配方优选

冲洗液中加入不规则形状的多棱石英砂后，将常规冲洗液中圆形石英砂与套管壁/井壁附着物的单点、面、滚动摩擦接触，改变为多点、更大侵入深度、滑动摩擦接触。同时，流体中存在压力和速度梯度、多棱石英砂颗粒相互碰撞等原因，可导致石英砂颗粒旋转，产生升力效应。这几方面因素协同作用，增大了多棱石英砂冲洗液的作用力度，增强了对套管壁/井壁虚滤饼及其他附着物的冲刷效果，提高了井眼净化程度及冲洗效率，有利于提高水泥环胶结质量。

1.1 多棱石英砂的基本性能

石英石是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2，具有硬度高、耐热、抗压和不易腐蚀等特点。多棱石英砂是由石英石破碎分筛加工而成，石英石破碎后出现多种不规则颗粒，分筛就得到不同粒径的石英砂，它呈不规则颗粒状，有锋利的棱角，颗粒边缘呈棱状，堆积空隙比较大。由多棱石英砂颗粒的电镜扫描分析结果（见图1）可知，多棱石英砂呈不规则多面体，边角锋利，有尖锐顶角。

图1 石英砂颗粒电镜扫描分析结果Fig.1 SEM analysis results of quartz sand particles

利用BT-9300LD激光粒度分布仪（湿法）对多棱石英砂进行了粒度分布测试，结果如图2所示。从图2可以看出，多棱石英砂的粒度约60目，粒径中值 37.49 μm，比表面积 194.5 m2/kg。

图2 多棱石英砂粒度分析结果Fig.2 Grain size analysis of polygonal quartz sand

1.2 悬浮剂的优选

悬浮剂主要用于防止冲洗液中的颗粒沉降、增加稳定性，对于提高冲洗效率和固井质量有重要作用。为此，优选了 SYXF-1、KCM004、KCM006和SYJ-1等4种常用悬浮剂，按不同加量加入多棱石英砂冲洗液中，静置3 h后观察液体分层及石英砂的沉降情况，并测量浆体上部和下部的密度，结果见表1。由表1可知：加入悬浮剂SYXF-1和SYJ-1的冲洗液，上下明显分层或石英砂基本全沉底，说明其无法满足冲洗液的稳定性要求；悬浮剂KCM006加量为0.4%～0.5%时冲洗液稳定性较好，但加量为0.6%时浆体就成为胶冻状，说明浆体稳定性对加量太敏感，现场施工难以控制；随着悬浮剂KCM004加量的增大，冲洗液上下密度差逐渐缩小，直至为0，说明冲洗液的悬浮能力不断增强，能够满足冲洗液的稳定性要求。因此，选用悬浮剂KCM004作为多棱石英砂冲洗液的悬浮剂。

表1 4种常用悬浮剂的悬浮能力测试结果Table 1 Test results of suspension capacity of four common suspending agents

1.3 多棱石英砂冲洗液配方优选

以KCM004为悬浮剂，配制了5种密度的多棱石英砂冲洗液，并对其沉降稳定性、游离液稳定性和流动性进行了评价。

1）沉降稳定性试验。用常压稠化仪将多棱石英砂冲洗液在室温下养护20 min，倒入500 mL量筒内，在室温下静置4 h，然后用注射器分别吸出顶部和底部170 mL的冲洗液，测量其密度，并计算密度差，以评价冲洗液的沉降稳定性。试验结果见表2。

2）游离液稳定性试验。用常压稠化仪将多棱石英砂冲洗液在室温下养护20 min，倒入250 mL量筒内，在室温下静置4 h，然后用注射器吸出量筒上部的游离液，并量取体积。结果发现，5种配方多棱石英砂冲洗液的游离液均为0，表明该冲洗液具有良好的稳定性。

3）流动性试验。用常压稠化仪将棱石英砂冲洗液在室温下养护20 min，然后用马氏漏斗测量冲洗液的漏斗黏度，以评价其流动性。试验结果见表2。

由表2可知：5种配方下多棱石英砂冲洗液的上下密度差均不超过0.01 kg/L，而且游离液皆为0，表明其具有很好的沉降稳定性；多棱石英砂冲洗液的密度能超过1.50 kg/L，可以满足不同井况的固井要求，但随着冲洗液密度提高，需增大悬浮剂加量，导致冲洗液的漏斗黏度不断增大，从而流动性变差，难以满足湍流注入的施工要求。因此确定优先应用配方1—配方4的多棱石英砂冲洗液。

表2 不同配方多棱石英砂冲洗液的基本性能Table 2 Basic performance of polygonal quartz sand flushing fluid with different formulas

2 多棱石英砂冲洗液性能试验

2.1 冲洗效率试验

基于目前已有的冲洗效率试验方法[11-14]，对六速旋转黏度计进行了改装，采用底部封口的同尺寸转筒代替不锈钢转筒，研制了新型冲洗效率评价试验装置。试验方法为：在室温下称取洁净干燥转筒质量（W0），然后在钻井液杯中倒入钻井液至刻度线，调节托板高低使半封闭外筒浸在钻井液中至警戒线，使外筒以600 r/min的转速旋转5 min后停止；调节托板让外筒完全脱离钻井液杯，静置3 min，称取外筒及其粘附钻井液的质量（W1）；将待测冲洗液倒入钻井液杯中，使粘附钻井液的外筒浸入冲洗液中至警戒线，使外筒以600 r/min的转速旋转5 min后停止；调节托板让外筒完全脱离钻井液杯，静置3 min，称取外筒及其粘附钻井液的质量（W2）；冲洗效率即为钻井液损失质量（W1-W2）与钻井液质量（W1-W0）的比值。

选取4口井实际使用的钻井液，对多棱石英砂冲洗液的冲洗效率进行测试，钻井液基本性能见表3。按照表2中的配方1—配方3，分别以多棱石英砂、普通石英砂、重晶石配制出不同冲洗液，在室温条件下进行不同钻井液的冲洗效率评价试验，结果见表4。由表4可知：无论是用于水基钻井液还是油基钻井液，与普通石英砂冲洗液及重晶石加重冲洗液相比，多棱石英砂冲洗液的冲洗效率均高10～30百分点；对于不同类型的钻井液，多棱石英砂冲洗液的冲洗效率有差异，对水基聚合物钻井液的冲洗效率最高，油基钻井液次之，水基无固相钻井液最低。

表3 4口井现场应用钻井液的基本性能Table 3 Basic on-site application performance of drilling fluid system in four wells

表4 不同冲洗液冲洗效率试验结果Table 4 Flushing efficiency test results of different flushing fluid

2.2 相容性试验

将低密度防漏水泥浆、多棱石英砂冲洗液、钻井液按不同比例进行掺混，应用常压稠化仪在65 ℃温度下进行混合液稠化试验。试验发现，多棱石英砂冲洗液与钻井液、低密度防漏水泥浆混合后的稠化曲线平滑、无稠度突变点，且没有稠化时间缩短、稠度异常升高现象（见表5），表明三者具有良好的相容性，能够满足固井作业时安全注入的要求。

表5 多棱石英砂冲洗液与常用水泥浆、钻井液的相容性试验结果Table 5 Compatibility test results of polygonal quartz sand flushing fluid with common cement slurry and drilling fluid

室内试验结果表明，多棱石英砂冲洗液具有浆体稳定性好、与水泥浆及钻井液相容性好、冲洗效率高等优点，完全可以满足现场固井施工及提高固井质量的需求。

3 现场应用

截至目前，多棱石英砂冲洗液已在乐安油田4口油井（C13-x332井、C13-x112井、B17-x292井和Fyp1井，前3口井是定向井，Fyp1井是水平井）的固井作业中进行了应用，均顺利完成，未出现井下故障，固井质量都得到了明显提高。

C13区块的C13-x332井和C13-x112井、B17区块的B17-x292井均应用水基钻井液钻进，设计井深1 500～2 500 m，采用二开井身结构。3 口井固井作业中应用了密度1.20 kg/L的多棱石英砂冲洗液，注入体积均为12 m3，固井施工一切正常，声幅测井结果显示（见表6），C13区块2口井的固井质量合格率96.0%、优良率71.7%（该区块应用常规冲洗液的C13-x330井固井质量合格率46.5%、优良率为16.6%），B17-x292井的固井质量合格率97.0%、优良率89.6%（该区块应用常规冲洗液的B17-x037井固井质量合格率86.0%、优良率为56.6%），3口井的固井质量均明显提高。这说明多棱石英砂冲洗液能有效冲刷井壁，清除滤饼，隔离和减少钻井液对于水泥浆的污染，从而提高第二界面固井质量。

表6 多棱石英砂冲洗液在3口井中的应用效果Table 6 Application effect of polygonal quartz sand flushing fluid in three wells

Fyp1井是大芦湖油田樊家区块的一口页岩油气重点勘探井，是一口水平井，设计井深5 364 m，采用三开井身结构。其中，目的层井段（3 300～5 364 m井段）采用密度1.50 kg/L的油基钻井液钻进，在固井作业中，为有效清除油膜及岩屑，保证固井作业安全，将多棱石英砂和加重剂进行复配，配制了密度1.65 kg/L 的多棱石英砂冲洗液（漏斗黏度 52 s，满足现场安全注入要求），注入体积20 m3。该井固井施工一切正常，声幅测井结果显示，目的层井段一界面固井质量优良率达92.0%，而该区块应用常规冲洗液油井的第一界面固井质量优良率仅43.0%，与之相比固井质量有了大幅提高。

4 结论与建议

1）基于加强物理冲刷的原理，通过优选多棱石英砂及悬浮剂，配制了多棱石英砂冲洗液。室内试验表明，该冲洗液具有稳定性好、冲洗效率高和相容性好等优点。

2）多棱石英砂冲洗液在4口井的应用效果表明，该冲洗液泵送性能良好，能够有效清洁井壁，改善固井第二界面胶结环境，固井质量均有明显的提高，具有较高的推广价值。

3）多棱石英砂冲洗液既可用于水基钻井液又可用于油基钻井液，建议在页岩油气井固井中进行推广应用，以提高固井质量，满足大型压裂对水泥环胶结质量的要求。