专利名称：模拟固井水泥浆顶替效率的试验装置和试验方法
技术领域：
本发明涉及一种石油完井用固井模拟试验装置及使用该装置进行室内试验的方法。
背景技术：
在室内应用的固井注水泥顶替效率模拟装置，由于室内的场地的局限性要求，装置既要尺寸小，操作简单，测量和采集数据容易，还要能完全模拟出在井下水泥浆顶替钻井液的过程，以及在不同流态下的顶替情况，为优化固井施工参数提供试验方面的技术指导。但是目前国内外石油工程的水泥浆顶替效率模拟试验都采用比较传统的试验平台和测量方法，这些传统装置往往存在一定不足:全尺寸顶替模拟试验装置采用直剖法测量，其试验花费大，且不能连续分析顶替过程；实际密度水泥浆与相似尺寸套管顶替试验装置由于采用辐射法进行测量，一次存在核辐射的危险性；相似液模拟小间隙顶替试验装置通常采用高速照相(示踪原子法)的测量方法，其所有井筒与流体必须透明，因此常常不能模拟真实流体；环空流体顶替模拟评价仪通过高精度速度传感器进行测量，只能模拟非常规井身结构小间隙固井。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于室内模拟固井水泥浆顶替效率试验装置和试验方法，可以通过模拟固井现场的固井顶替过程来分析影响顶替效率的因素。为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。一种模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，装置包括有井筒系统以及与其配套的台架系统、配浆和循环顶替系统，其特征在于:所述的井筒系统包括井筒和套在井筒内的套管，井筒的底端封闭后与套管底端间隙配合形成通道，井筒的上端部设置环空返液管口后与可调整套管偏心度的井眼封隔器配合将伸出井筒的套管与井筒封闭连接，套管的上端设置套管进液管口 ；所述的台架系统包括井筒固定架、井筒固定卡瓦和用于调整井筒倾斜角度的井斜角调整装置，井筒系统通过井筒固定卡瓦固定在井筒固定架上；所述的配浆和循环顶替系统是由配浆池、管线、阀、泵和搅拌机连接后组成一套钻井液配浆和循环顶替系统和一套顶替液配浆和循环顶替系统，两套配浆和循环顶替系统通过公用和/或独立的管口与井筒系统的环空返液管口和套管进液管口连接。上述方案还包括:所述的井筒系统中的井筒为多段井筒通过法兰或快速接头连接，多段井筒中包括至少一段测试段井筒；所述的台架系统中的井斜角调整装置包括设在井筒固定架的下方底座，底座与井筒固定架通过转轴铰链，并在底座与井筒固定架之间连接伸缩杆；所述的配浆和循环顶替系统中的钻井液配浆和循环顶替系统包括一个钻井液配浆池配套搅拌机后，通过管线和三通阀接入离心泵，再由离心泵通过管线和三通阀分别接入到钻井液送出管口、浆液回流管口和钻井液配浆池回流管线；所述的配浆和循环顶替系统中的顶替液配浆和循环顶替系统包括一个顶替液配浆池配套搅拌机后,通过管线和三通阀接入离心泵，再由离心泵通过管线和三通阀分别接入到顶替液送出管口、浆液回流管口和顶替液配浆池回流管线；在顶替液配浆池和钻井液配浆池分别设有排空阀，在浆液回流管口、顶替液送出管口和钻井液送出管口所在管线上分别设有排泄管。所述的井筒系统中的测试段井筒采用对开的两半不锈钢管组成，在套管进液管口和环空返液管口处连接安装压差传感器；所述的井筒系统中的测试段井筒上设置多个高精度温度传感器；所述的台架系统中的井斜角调整装置还包括设在井筒固定架的下方的井斜角调节器；所述的伸缩杆为液压驱动油缸或气压驱动油缸，或者是电机驱动的丝杆；所述的配浆和循环顶替系统被整体固定在下方的支撑台架上。按照前述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置的试验方法，其特征在于包括下述步骤进行试验:
(1)利用钻井液配浆和循环系统对钻井液的配置，打开搅拌机对所配置的钻井液进行搅拌，同时打开阀门，开通钻井液通道，启动管道式离心泵对钻井液进行使用泵循环进行配浆，配浆结束后关闭钻井液通道，关闭管道式离心泵；
(2)利用顶替液配浆和循环系统对顶替液的配置，打开搅拌机对所配置的顶替液进行搅拌，同时打开顶替浆通道，启动管道式离心泵对钻井液进行使用泵循环进行配，配浆结束后关闭顶替浆通道，关闭管道式离心泵；
(3)配浆结束后，调整井筒系统的井斜角度、偏心调节器到试验所需要的位置；使用钻井液在井筒内进行循环，循环结束后关闭循环通道；
(4)使用顶替液对在井筒中的钻井液进行顶替，打开顶替通道，根据顶替液和选择井筒的情况，首先循环出来的是钻井液，通过控制三通阀的流向，使钻井液进入钻井液循环通道，然后调转到三通阀的方向，排除钻井液和顶替液的混合液体，再次调整三通阀的方向，使顶替液进入顶替液循环通道。所述的测量方法方法包括胶结效果测试法、直接剖析法、温差传感分析法或高速摄像分析法。所述的直接剖析法是将测量段直接剖开成多段，通过直接观察剖面上滞留的钻井液和井筒环空内水泥浆胶结情况，分析出顶替效率。采用所述的温差传感分析法时在测量段的井筒中的四个方向各安装一个高精度温度传感器，温度的变化被温度传感器采集到，并传送到计算机，绘制成温度变化曲线图。所述的高速摄像分析法是用高速相机拍摄某时刻流场的图像，并将流场图像传入计算机，采用一定的图像处理算法还原成图像，从中获得二维或三维的瞬态全流场的速度分布、浓度分布、粒径大小等流动信息。与现有技术相比，本发明的有益效果在于:试验装置实现了小型多功能的特点，适合在室内对现场顶替效率进行评价；能模拟通过改变试验测试段井筒大小，可模拟井径变化等真实井眼条件的影响；试验装置的偏心度可调整。该试验装置和方法支持多种测量方法的应用，针对不同的试验目标，采用胶结效果分析法、温差传感分析法、直接剖析法、高速照相分析法等多种评价手段对顶替效率进行分析。该装置还可以根据实际井斜角度的需要来调节井筒的井斜角度，可以适用于不同的环空返速，适合在不同水泥浆的情况下模拟出不同雷诺数，对不同速度的顶替效率进行评价提供了可靠的硬件支持。
图1是本发明实验装置实施例的配浆和循环顶替系统结构图。图2是本发明实验装置实施例的台架系统、井筒系统的主视图。图3是图2的俯视图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的具体实施方式
作详细说明。该装置按功能划分为井筒系统、台架系统、配浆和循环顶替系统，另外实验过程中需要配套测量分析系统。配套测量分析系统可以采用已有的系统，这里就不再详述。实施例1，配浆和循环顶替系统是由配浆池、管线、阀、泵和搅拌机连接后组成一套钻井液配浆和循环顶替系统和一套顶替液配浆和循环顶替系统，两套配浆和循环顶替系统通过公用和/或独立的管口与井筒系统的环空返液管口和套管进液管口连接。下面结合图1对配浆和循环顶替系统进行说明:
图1中，1、为三通阀，控制流体的流动去向；10和11分别为顶替液配浆池的排液阀和钻井液配浆池的排空(液)阀；12为钻井液配浆(兼顾循环)池；13为顶替液(水泥浆)配浆(兼顾循环)池；14为支撑台架；15为流量计，显示顶替液的流量；16为管线；17为单向阀，控制顶替液的流动管线；18为管道式离心泵，将流体泵入管线；19为搅拌机，配浆时搅动浆液；20为钻井液回流管线，用于循环配浆；21为顶替液回流管线，用于循环配浆；22为顶替液送出管口，连接附图2中的套管进液口 37，将顶替液送到井筒系统；23为钻井液送出管口，连接附图2中的套管进液口 37，将钻井液送到井筒系统；24为浆液回流管口，钻井液与顶替液由此回流，通过三通阀7分别送回配浆循环池和顶替液罐；25为法兰；26为配浆与循环池的排液口。对照图1，配浆和循环顶替系统中的钻井液配浆和循环顶替系统包括一个钻井液配浆池12配套搅拌机19后，通过管线和三通阀2接入离心泵18，再由离心泵18通过管线和一路通过三通阀4、8接入到钻井液送出管口 23，另一路通过三通阀5接入钻井液配浆池12回流管线，同时浆液回流管口 24通过三通阀6接入钻井液配浆池12回流管线和排液口。配浆和循环顶替系统中的顶替液配浆和循环顶替系统包括一个顶替液配浆池13配套搅拌机19后，通过管线和三通阀I接入离心泵18，再由离心泵18 —路通过管线单向阀17和三通阀3和4接入到钻井液送出管口 23，另一路通过流量计15和三通阀22接入顶替液送出管口 22，同时从顶替液配浆池13通过回流管线分别连接到浆液回流管口 24和钻井液送出管口 23所在管线。在顶替液配浆池13和钻井液配浆池12分别设有排空阀10和11，用来排空池内液体，在浆液回流管口 24、顶替液送出管口 22和钻井液送出管口 23所在管线上分别设有排泄管，用于排出混合液。配浆和循环顶替系统被整体固定在下方的支撑台架14上。实施例2，参照幅图2和3，图中，27为井斜角调节器，调节井筒系统的倾角；28为井筒支撑底座；29为角度调节电机；30为支撑壁，支撑井筒系统；31为井筒固定卡瓦，用于固定井筒；32为井筒；33为连接法兰，连接井筒和测试段；34为测试段井筒，可以安装不同的测量系统；35为环空返液管口，连接图1中的浆液回流管口 24 ；36为井眼封隔器；37为套管进液管口 ；38为套管；39为井底封隔器。
井筒系统包括井筒32和套在井筒内的套管38，井筒32的底端由井底封隔器39封闭后与套管38底端间隙配合形成通道。井筒的井眼(即上端部)设置环空返液管口 35后与可调整套管偏心度的井眼封隔器36配合将伸出井筒的套管与井筒封闭连接，套管38的上端设置套管进液管口 37。井筒32为多段井筒通过法兰(或快速接头)33连接，多段井筒中包括至少一段测试段井筒34。井筒系统中的测试段井筒34采用对开的两半不锈钢管组成，为了测量水泥浆的压力变化，可以在套管进液管口 37和环空返液管口 35处连接安装压差传感器。井筒系统中的测试段井筒34的四个方向各设置一个高精度温度传感器。台架系统包括井筒固定架(或称支撑臂)30、井筒固定卡瓦31和用于调整井筒倾斜角度的井斜角调整装置，井筒系统通过井筒固定卡瓦31固定在井筒固定架30上。台架系统中的井斜角调整装置包括设在井筒固定架的下方底座28，底座28与井筒固定架30通过转轴铰链，并在底座28与井筒固定架30之间连接伸缩杆。在井筒固定架30的下方的井斜角调节器27 ;所述的伸缩杆可以采用为液压驱动油缸或气压驱动油缸，或者是电机驱动的丝杆。本实施例中采用电机29和齿轮丝杆配合的。下面结合附图对上述实施例的工作原理作进一步说明:
装置台架系统的基体是井筒支撑台架28，具有支撑臂30，结合卡瓦31用于固定与支撑井筒系统，放置测量所需的测试仪器。井筒支撑台架28腰部具有井斜角调节器27，可在角度调节电机29的带动下调整井筒所需的井斜角度。井筒系统用于模拟井眼与套管38之间的环空流道，包括井筒32与套在井筒内的套管38，井筒底端用井底封隔器39封闭，头端为与循环顶替系统活动连接的环空返液管口35 ;套管底端与井筒底端之间有空隙，形成环流通道，套管头端为与循环顶替系统活动连接的套管进液管口 37。该流道与现场实际井眼尺寸几何相似，能满足模拟现场实际井径变化、地层特性的要求。该装置的循环顶替系统主要用于实现按设计要求的速度进行顶替循环。该系统具备两方面功能，一是顶替前的被顶替液的注入与循环，如果使用了模拟岩心地层，则需通过循环过程实现在岩心上形成一定的泥饼；二是进行连续的顶替过程，即将顶替液按要求的排量和速度连续的注入到环空中，顶替开始后要将返出的顶替液回收至循环池中，以保证可以连续顶替冲洗模拟井筒到要求的接触时间。井筒32与井筒支撑台架30可以是分离的，试验时可根据需要组合不同的井筒系统，并可让水泥在井筒中胶结后直接进行剖析以分析顶替情况。针对不同的试验目的和试验方法，装置设计了可以适合多种顶替效率测量方式的测量井段。如:井筒32由三段组成，采用连接法兰33连接(或快速接头)，套管由一有机玻璃管构成，套管两端加可调整套管偏心度的井眼封隔器等。井筒32第I段为有机玻璃制成，用于保证流体在进入试验测试段34时形成稳定的流场，该段的长径比大于12，加上端口的稳定片，完全满足了稳定流场的要求。井筒第2段为试验测试段34，所有的测量方法均在该段进行，第二段井筒可按照试验要求改变其内外径，一是可以在内安装模拟地层，二是可以模拟井径的变化，该井筒段即可安装模拟地层，也可安装直接由有机玻璃管制成的成像井段，也可在该段内安放温差传感装置的测量系统。整个井筒系统是活动的，可在地面安装好后再装到试验台架系统上面。因此可以根据不同的试验要求准备多种井筒系统。根据不同的试验目的，试验中可以使用真实流体，也可使用相似液体，试验可以模拟真实地层，也可使用一般管壁来模拟井壁。实施例3，基于上述实验装置的试验方法包括:
对于不同的试验目的与试验方法，装置设计了可适合多种顶替效率测量方式的测量方法进行模拟试验:
(0.胶结效果分析法:采用胶结效果分析法时，使用模拟地层岩心，需要在内筒外部安装岩心夹持器。使用地层岩心或模拟地层岩心制成模拟井筒的试验测试段34，然后使用真实的钻井液、隔离液与冲洗液和水泥浆。通过模拟钻井液流过模拟地层形成泥饼，再使用冲洗液或隔离液进行顶替试验，然后将模拟地层取出进行与水泥浆的胶结情况试验，通过胶结情况评价不同顶替效果。该方法可直接有效地评价真实的冲洗液与隔离液以及顶替参数对顶替效率的影响。在岩心夹持器的上下两部分中间开2个宽25.4mm,长300mm的槽，需安装模拟地层，则井筒32的试验测试段34由对开的两半不锈钢管组成，安装时扣上后再连接到法兰33上即可。(2).直接剖析法:使用水泥浆进行顶替试验，试验完成后，仅冲洗井筒外的管道，而让水泥浆直接在模拟井筒中进行凝结，然后将试验测试段34直接剖开成一段一段的样子，通过直接观察剖面上滞留的钻井液和井筒环空内水泥浆胶结的情况，便可真实的分析出顶替效率。(3).温差传感分析法:在试验测试段34的井筒中，在井筒的四个方向各安装一个高精度温度传感器，高精度温度传感器的触头深入到井筒试验测试段34。由于钻井液和水泥浆使用不同温度的水来配制，所以会造成钻井液和水泥浆的温度不同，形成温差。在试验的过程中，先利用钻井液在水泥顶替效率模拟装置中进行循环，使套管和井筒之间的环空中充满钻井液，然后使用水泥浆进行顶替，当水泥浆顶替到温度传感试验测试段34的时候，在宽间隙处，先到的水泥浆温度变化会被高精度温度传感器捕获，并传送到数据采集卡，数据采集卡会把数据传送到计算机，在计算机中绘制成温度曲线，而此时窄间隙处的水泥浆还没有到达，所以温度不会变化，则曲线不会变化，当四个方向的温度传感器实时地把温度变化都传到计算机的时候，就会在计算机上形成四条曲线。(4).高速照相分析法:前面的方法不能连续观察顶替过程中液体变化规律，因此当需要进行一些机理与基础分析方面的试验研究时，可以采用此方法。使用此方法需要配制透明的相似液来替代水泥浆进行试验，当一种颜色的流体被另一种颜色的流体顶替走时，高速照相机可以时刻记录下顶替的过程，形成记录顶替流动的摄影，这样便可以通过计算机分析顶替液顶替被顶替液的过程。使用该方法时，试验测试段34井筒改成有机玻璃井筒，使用激光照射到要照相的间隙，然后使用高速照相进行拍摄。该室内模拟固井水泥浆顶替效率试验装置的配浆系统用于配制试验用顶替液与被顶替液，配制的流体可以是钻井液、水泥浆、冲洗液或隔离液，也可以是透明的相似液，所使用的流体需与测量方式配合使用。如图1所示，配浆系统由钻井液配浆循环池12、顶替液(水泥浆)配制与循环池13、管线16、管道式离心泵18和搅拌机19组成。管线16之间通过法兰26等活动连接方式连接。钻井液配浆循环池12、顶替液(水泥浆)配制与循环池13均配有排液口 26，方便实验完毕后将废液排除，清洁池子以待下次使用。钻井液配浆循环池
12、顶替液(水泥浆)配制与循环池13的容积和搅拌机19的转速最好随井眼系统环空容积、套管内容积和环空反速进行调整。例如，若井眼系统环空容积最大为33L，套管内容积5L ；流体配液罐容积可设置为长宽高尺寸1000 X 1000 X 900mm，搅拌机的旋转速度:88-200转/分钟，环空返速:0.lm/s-2m/so该装置的循环顶替系统由钻井液配浆循环池12、顶替液(水泥浆)配制与循环池
13、管线16、管道式离心泵泵19、井筒系统组成。流体由套管38注入，经套管底部从环空返出，再返出钻井液配浆循环池12或顶替液(水泥浆)配制与循环池13中。在现场中水泥衆的环空返速在0.7m/s-l.5m/s,这样的速度使在顶替的过程中，控制水泥衆的流态为紊流，根据现场中的情况，固井水泥浆顶替效率模拟装置所控制的环空返速最好设计为0.1m/s-2m/s，这样可以满足在现场中可能遇到的大多数的情况，为现场水泥浆顶替过程做指导性评价。下面结合附图详细说明本试验装置的使用方式。使用的具体步骤如下:
I调整井斜角度、偏心调节器到试验所需要的位置。2检查井筒系统、顶替管线、回流管线、顶替液罐、配浆循环池是否清洁并且阀门关闭，防止因为浆液的污染而影响顶替效率的采集数据。3将各个阀门调节到合适位置。4在钻井液配浆循环池12进行钻井液的配置，打开搅拌机对所配置的钻井液进行搅拌。打开阀2，启动管道式离心泵，依次经过阀3、阀4、阀5，返回钻井液配浆循环池12。对钻井液进行使用泵循环进行配浆。配浆结束后关闭管道式离心泵。5在顶替液(水泥浆)配制与循环池13进行水泥浆的配置，打开搅拌机对所配置的水泥浆进行搅拌。打开三通阀1，启动管道式离心泵，打开单向阀17，依次通过阀3、阀4、阀
8、阀9，返回顶替液(水泥浆)配制与循环池13。对钻井液进行使用泵循环进行配浆。配浆结束后关闭管道式离心泵。6配浆结束后使用钻井液在井筒32内进行循环，打开阀2、阀3，关闭阀5，打开阀4，依次经过阀8、阀7、阀6，钻井液由三通阀的上通管口流入到套管进液管口 37，液体进入套管，然后从环空返液管口 35返出到阀7的上通管口，经过阀7、阀6返回到配浆循环池。循环时间视不同的测量方法而决定。7使用水泥浆对在井筒中的钻井液进行顶替，打开阀1，关闭阀16，水泥浆从顶替液送出管口 22进入套管进液管口 37，根据水泥浆和选择井筒的情况，不同的接触时间的情况下，首先从浆液回流管口 24中循环出来的是钻井液，使钻井液进入配浆循环池12，保证下次试验的使用，待钻井液将与水泥浆的混合液进入阀7时，调节阀6，排除钻井液和水泥浆的混合液体，而不使钻井液或者水泥浆液被污染，然后调节将阀7，使水泥浆循环至顶替液罐13。8试验结束后，打开阀门10、阀门11，排空配浆循环池和顶替液罐中的浆液。9清洗钻井液配浆循环池12、顶替液(水泥浆)配制与循环池13、管线和井筒，以备下次使用。下面结合几个实施例阐述采取不同分析方法时针对测试段34的操作步骤: 实施例5，胶结效果分析法
需要准备长为300mm，宽为25.4mm,高为25.4mm的长条状岩芯。把岩芯安放在岩芯夹槽中，使用扣紧螺丝夹紧其中的岩芯。扣紧扣紧螺丝压紧岩芯于岩芯夹槽中。
a.使用岩芯挡板防止岩芯从岩芯夹槽中滑落出来。b.使用法兰连接与井筒进行连接。c.在试验的过程中可以使用冲洗液或者隔离液进行试验。d.试验结束后取出岩芯,把岩芯切割成长度为50.8mm的段,放置到试模里。e.在试模里注入水泥，加温加压养护，候凝。实施例6:直接剖析法
1、不使用试验测试段34，外井筒和内井筒各为一根完整的井筒。2、进行注水泥的顶替试验。3、试验结束后将阀7调节到左-右通、上闭，对井筒内的水泥进行候凝。4、清洗顶替管线和回流管线。5、井筒候凝根据实际情况来确定。6、根据需要将井筒横剖开成几段进行分析实施例7:温差传感分析法
a.配置泥浆和水泥浆的时候选用不同温度的水来配置。b.在井筒试验测试段33的四个方向上的温度传感器接口上安放高灵敏度的温度传感器。 c.使用法兰连接与外井筒进行连接。实施例8:高速照相分析法
a.用相似流体作为“钻井液”进行循环填充环空。b.用另一种相似流体代表“水泥浆”顶替“钻井液”。这两种流体都是透明的，用激光照亮环空流场，这样在环空轴截面上的顶替过程，在与光照剖面垂直的方向上用高速照相机进行拍摄。
权利要求
1.一种模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，装置包括有井筒系统以及与其配套的台架系统、配浆和循环顶替系统，其特征在于:所述的井筒系统包括井筒和套在井筒内的套管，井筒的底端封闭后与套管底端间隙配合形成通道，井筒的上端部设置环空返液管口后与可调整套管偏心度的井眼封隔器配合将伸出井筒的套管与井筒封闭连接，套管的上端设置套管进液管口 ；所述的台架系统包括井筒固定架、井筒固定卡瓦和用于调整井筒倾斜角度的井斜角调整装置，井筒系统通过井筒固定卡瓦固定在井筒固定架上；所述的配浆和循环顶替系统是由配浆池、管线、阀、泵和搅拌机连接后组成一套钻井液配浆和循环顶替系统和一套顶替液配浆和循环顶替系统，两套配浆和循环顶替系统通过公用和/或独立的管口与井筒系统的环空返液管口和套管进液管口连接。
2.如权利要求1所述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，其特征在于:所述的井筒系统中的井筒为多段井筒通过法兰或快速接头连接，多段井筒中包括至少一段测试段井筒；所述的台架系统中的井斜角调整装置包括设在井筒固定架的下方底座，底座与井筒固定架通过转轴铰链，并在底座与井筒固定架之间连接伸缩杆；所述的配浆和循环顶替系统中的钻井液配浆和循环顶替系统包括一个钻井液配浆池配套搅拌机后，通过管线和三通阀接入离心泵，再由离心泵通过管线和三通阀分别接入到钻井液送出管口、浆液回流管口和钻井液配浆池回 流管线；所述的配浆和循环顶替系统中的顶替液配浆和循环顶替系统包括一个顶替液配浆池配套搅拌机后，通过管线和三通阀接入离心泵，再由离心泵通过管线和三通阀分别接入到顶替液送出管口、浆液回流管口和顶替液配浆池回流管线；在顶替液配浆池和钻井液配浆池分别设有排空阀，在浆液回流管口、顶替液送出管口和钻井液送出管口所在管线上分别设有排泄管。
3.如权利要求2所述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，其特征在于:所述的井筒系统中的测试段井筒采用对开的两半不锈钢管组成，在套管进液管口和环空返液管口处连接安装压差传感器；所述的井筒系统中的测试段井筒上设置多个高精度温度传感器；所述的台架系统中的井斜角调整装置还包括设在井筒固定架的下方的井斜角调节器；所述的伸缩杆为液压驱动油缸或气压驱动油缸，或者是电机驱动的丝杆；所述的配浆和循环顶替系统被整体固定在下方的支撑台架上。
4.如权利要求1-3任意一项所述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置的试验方法，其特征在于包括下述步骤进行试验: (1)利用钻井液配浆和循环系统对钻井液的配置，打开搅拌机对所配置的钻井液进行搅拌，同时打开阀门，开通钻井液通道，启动管道式离心泵对钻井液进行使用泵循环进行配浆，配浆结束后关闭钻井液通道，关闭管道式离心泵； (2)利用顶替液配浆和循环系统对顶替液的配置，打开搅拌机对所配置的顶替液进行搅拌，同时打开顶替浆通道，启动管道式离心泵对钻井液进行使用泵循环进行配，配浆结束后关闭顶替浆通道，关闭管道式离心泵； (3)配浆结束后，调整井筒系统的井斜角度、偏心调节器到试验所需要的位置；使用钻井液在井筒内进行循环，循环结束后关闭循环通道； (4)使用顶替液对在井筒中的钻井液进行顶替，打开顶替通道，根据顶替液和选择井筒的情况，首先循环出来的是钻井液，通过控制三通阀的流向，使钻井液进入钻井液循环通道，然后调转到三通阀的方向，排除钻井液和顶替液的混合液体，再次调整三通阀的方向，使顶替液进入顶替液循环通道。
5.如权利要求4所述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于在顶替试验过程中或顶替完毕后需要测量顶替效率，测量方法方法包括胶结效果测试法、直接剖析法、温差传感分析法或高速摄像分析法。
6.如权利要求5所述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于:所述的直接剖析法是将测量段直接剖开成多段，通过直接观察剖面上滞留的钻井液和井筒环空内水泥浆胶结情况，分析出顶替效率。
7.如权利要求5述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于:采用所述的温差传感分析法时在测量段的井筒中的四个方向各安装一个高精度温度传感器，温度的变化被温度传感器采集到，并传送到计算机，绘制成温度变化曲线图。
8.如权利要求5所述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于所述的高速摄像分析法是用高速相机拍摄某时刻流场的图像，并将流场图像传入计算机，采用一定的图像处理算法还原成图像，从中获得二维或三维的瞬态全流场的速度分布、浓度分布、粒径大小等流动信息。
全文摘要
本发明提供了一种用于模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，包括有井筒系统以及与其配套的装置台架系统、配浆系统、循环顶替系统，井筒系统包括井筒与套在井筒内的套管，井筒底端封闭，头端为与循环顶替系统活动连接的出口；套管底端与井筒底端之间有空隙，形成环流通道，套管头端为与循环顶替系统活动连接接的入口。本发明还提供了使用该装置进行固井水泥浆顶替效率模拟实验的方法。采用该装置和方法能够模拟不同流态下水泥浆的顶替作用，实时监测多种井斜角度、不同尺寸井筒、不同偏心度、不同相似液等条件下水泥浆的顶替效率，方便进行多角度全方位的试验。
文档编号E21B47/005GK103174397SQ20111043363
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者彭志刚, 冯茜, 王绍先, 徐璧华, 齐志刚, 王毅, 周卫红, 苗勇, 曹会莲, 魏绪伟, 魏新芳, 曹成章, 许婵婵 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院