0 引言

油基钻井液以其优越的强抑制性、耐温性、抗污染性及对储层良好的保护性被越来越多地应用于各类非常规井。对于西南焦石坝地区以及延长陆相页岩气钻探开发，其产层钻进时均采用油基钻井液，通过提高黏度和切力以提高携砂能力，减小对井壁的冲击；然而完钻之后不可避免地在井壁及套管壁上留下一层难以清洗的油基泥饼，使界面表现为油润湿，严重影响了水泥环的界面胶结质量，影响了水泥环的密封性以及后期压裂过程中段间的密封性。为了有效清除界面油基泥饼，给水泥环与地层有效地胶结提供良好的条件，通常需采用界面清油剂清洗井壁滤饼；然而对于冲洗液对滤饼冲洗效率国内尚没有统一、定量的评价方法及装置^[1-2]，对于现场实际应用冲洗液的配比、冲洗时间和冲洗流速等技术参数的确定也缺乏合理依据。目前采用的冲洗效率评价方法主要有锥形瓶法、钻屑柱法、建立大型的模拟井筒法和旋转黏度计法等^[3-7]。其中旋转黏度计法因操作简便、对比性强而被广泛应用。

但是旋转黏度法不能模拟实际的流动液体冲洗效果，外筒黏附的钻井液也不能形成泥饼，仅能模拟评价第一界面的冲洗效果，无法对第二界面(即井壁)的冲洗效果进行模拟；另外，其旋转离心力对评价结果也有较大影响，因此该方法有较大的局限性。

长江大学研究了一种固井前置液冲洗效率评价方法，其采用砂岩模拟井壁及井筒的冲洗过程，通过冲洗前、后质量差来计算冲洗效率^[8-9]；但该方法及装置仅能模拟环空和流速，不能模拟井底温度情况，由于温度条件对冲洗效率的影响无法评价，所以其评价结果也有一定的局限性。中海油田服务有限公司油田化学研究院对上述方法进行了改进，研制了高温高压泥饼冲洗效率评价仪，但该套装置结构及试验操作均比较复杂，且评价结果可重复性较差，适用性不强。此外，大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院研发了一套DCX固井模拟冲洗效率评价装置^[10-12]，虽然能够模拟较多实际参数，但是不能模拟套管与井壁之间的环形空间。

针对上述技术的不足，笔者研制了一种冲洗效率评价装置。该装置不仅能够模拟冲洗液在井下的流动状态，模拟第二界面形成滤饼，而且还能模拟井下温度，评价不同条件下冲洗液对滤饼的冲洗效率，实现对第二界面冲洗效率的定量评价。该装置体积小，结构简单，操作方便，评价结果可重复性较强，适用性较好。

1 设计思路

对于井壁的模拟，拟采用富含微孔隙陶瓷滤芯模拟岩石井壁，由于其具有0.1 μm的微孔隙，可为油基钻井液虑失并形成滤饼创造条件；对于滤饼的生成，可设计一种密闭装置，其内容纳油基钻井液，将陶瓷滤芯浸入钻井液中，通过气体加压，使钻井液在陶瓷滤芯上发生滤失并形成滤饼。

对于井温的模拟，只需对冲洗液的温度进行控制即可，拟采用一种温控加热棒。该加热器可恒温加热液体，具体加热温度可由温控器设定并控制。

对于实际施工排量下流体流态的模拟，拟设计一种装置，该装置由箱体容纳冲洗液，箱体内安装温控加热装置，通过离心泵提供动力使液体流动，通过设置球阀来控制并调节流量，通过设置流量计来监控流量，通过设置容纳陶瓷滤芯的装置来模拟井筒，并使流体能够冲刷模拟井壁。

对于冲洗效率的评价，拟采用称重法，分别称量形成滤饼前、后及冲洗前、后陶瓷滤芯的质量，根据质量差来计算冲洗效率。

2 结构及原理

按照设计思路，分别设计了滤饼生成装置和冲洗效率评价装置；滤饼生成装置用以在模拟井壁的陶瓷滤芯外壁形成滤饼，冲洗效率评价装置用以模拟冲洗液对模拟井壁的冲洗。

2.1 结构 2.1.1 滤饼生成装置

滤饼生成装置主要由筒体、内管和压盖3部分组成，筒体为筒状结构，两端封闭，上端设置进气孔，其内可容纳钻井液；内管为管状结构，位于筒体内部轴心，管壁开有多个通孔，上端设有内螺纹，可与压盖相连，其内可放置陶瓷虑管；压盖为管状结构，下端开有中心孔，外壁设有外螺纹及密封圈，可实现与内管之间的可靠密封。具体结构见图 1和图 2。

2.1.2 冲洗效率评价装置

冲洗效率评价装置主要由储液罐、循环泵、流量调节阀、流量计、模拟井筒、回流管、温控加热器、排液口和滚轮等组成(见图 3)。储液罐为箱体结构，其上部安装循环泵及模拟井筒，循环泵入库浸入储液罐内的液体内，循环泵出口通过管路依次连接流量调节阀、流量计、模拟井筒及回流管，模拟井筒内可安装陶瓷滤芯(模拟井壁)；储液罐内下部设置温控加热器，储液罐底部设置排液口，四角安装滚轮。

2.1.3 模拟井筒

模拟井筒主要由上端盖、下端盖、外壳和模拟岩芯等组成，如图 4所示。上端盖、外壳和下端盖之间依次通过螺纹连接；上端盖下部设有凸台，上部设有四方；下端盖上部同样设有凸台；上端盖、下端盖与外壳之间设有密封圈确保密封；外壳壁上部设出液口，下部设进液口，外壳内容纳模拟岩芯；模拟岩芯外壁与外壳内壁之间留有环形空间，以模拟套管与井壁之间的环空。

2.2 工作原理 2.2.1 滤饼生成装置

将适量油基钻井液由内管上端倒入筒体内，确保液面高度能够浸没模拟岩芯；然后将模拟岩芯置入内管内，并将压盖旋入内管上部内螺纹，将模拟岩芯压紧；之后将高压气体由进气孔引入筒体内，在气体压力作用下，钻井液由模拟岩芯外壁向内部发生滤失；最终可在岩芯外壁形成致密的泥饼。

2.2.2 冲洗效率评价装置

该装置由循环泵提供动力，将罐体内的冲洗液依次通过流量调节阀和流量计泵入模拟井筒的进液口，然后流经模拟井筒内的环空，对模拟井壁进行冲洗，然后由出液口经回流管流回储液罐内。流量调节阀可调节流量大小，确保可根据需要提供不同的环空流速；流量计可监控流量，以配合流量调节阀调节流量；储液罐体下部设置的温控加热器可对罐体内的冲洗液进行恒温加热，以此模拟井下温度。

2.3 评价试验操作步骤

评价试验操作步骤如下：①利用模拟岩芯模拟地层井壁，首先称量其初始质量m₀；②将模拟岩芯置于泥饼生成装置中，由氮气瓶将高压氮气引入泥饼生成装置的进气孔，加压1.5 MPa持续10 min，使油基钻井液在模拟岩芯外壁形成泥饼，取出称其质量m₁；③将冲洗液加入到冲洗效率评价装置的储液罐中，占箱体积的 1/3 ~ 2/3 ，根据环空冲洗流速确定并调节流量，启动温控加热器，将冲洗液循环加热到预定温度；④关闭循环泵，将带有泥饼的模拟岩芯放入评价装置的模拟井筒中，拧上端盖，打开循环泵，根据模拟现环空场返速调节流量，然后计时开始；⑤到达设定的冲洗时间后，关闭循环泵及温控加热器，打开模拟井筒顶盖，取出模拟岩芯，称其质量m₂。⑥根据公式。

2.4 主要技术参数

储液罐容量：50 L；

循环泵最大排量：100 L/min；

流量调节阀可调节流量：0~100 L/min；

模拟井筒环空液体最高流速：1.42 m/s；

温控加热器：温度设置0~99 ℃，功率2 000 W。

3 仿真模拟

为了验证冲洗液在模拟井筒内的流态是否能够模拟井下实际情况，对模拟井筒的流态进行了有限元分析，设定入口流量为2.56 m³/h，具体分析结果见图 5。由图可以看出，环空流速在0.9~1.1 m/s之间，环空各区域流速基本一致，因此该装置基本能够模拟井下流体的实际情况。

4 评价试验

为了验证试验装置能否满足实际评价试验需要，根据拟定的操作程序进行了试验，对于质量分数15%的M-71L冲洗液的冲洗效率进行了测试。模拟岩芯初始质量m₀=667.7 g，泥饼生成后质量m₁=767.6 g，60 ℃下用质量分数15%的M-71L冲洗液以1.15 m/s的流速冲洗8 min，取出后称重，m₂=670.9 g，经计算，冲洗效率为96.8%。采用同样方法测试了质量分数10%的冲洗液不同冲洗时间的冲洗效果，结果见表 1。由表可以看出，清油剂冲洗效率很好，质量分数15%的冲洗液冲洗8 min冲洗效率即达95%以上。上述试验结果表明：该套试验装置能够便捷地模拟井下井壁生成泥饼，并能够直观有效地评价冲洗液对泥饼的冲洗效率。

5 结 论

(1) 仿真模拟及评价试验结果表明：该套冲洗效率评价装置不仅能模拟井壁生成滤饼，而且还能模拟冲洗液在不同温度及流态条件下对滤饼的冲洗，进而可计算出冲洗效率，为实际施工时冲洗参数的确定提供依据。

(2) 该套冲洗效率评价装置操作较为简便，试验结果重复性较好，对于进行各类冲洗液和隔离液对井壁滤饼的冲洗效果研究具有积极的促进作用。