用于评价顶替界面的稳定性的方法与流程

本发明涉及固井技术领域，尤其涉及一种用于评价水平井段固井顶替中顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法。

背景技术：

水平井段固井顶替效率对于固井质量的评价有很重要的影响。顶替效率的高低与顶替界面的形态密切相关，而顶替界面的形态又主要取决于顶替界面的长度。一般来说，顶替过程中这个界面长度越短，越利于替净，顶替效率越高，固井质量越好。但是，由于研究技术和测试水平的局限，对固井顶替界面的研究还很不充分。目前已有的文献表明还不能通过实验和理论推导的方法较准确得到各类顶替条件下的顶替界面的稳定性规律。

因此，亟需一种用于评价水平井段固井顶替中顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有技术不存在用于评价水平井段固井顶替中顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法，不能较准确得到正密度差低边指进条件下的顶替界面的稳定性规律。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于评价水平井段固井顶替中顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法。

本发明的技术方案是：

一种用于评价水平井段的顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法，包括：

获取沿所述水平井段内的流体的流动方向顺次布设在水平井段的低边上的多个流速测量装置的测量信息，所述流速测量装置用于测量其设置位置附近的流体的流速；

根据所述测量信息，依次确定各个所述流速测量装置对应的顶替界面长度增长量；

根据所有流速测量装置对应的所述顶替界面长度增长量，确定所述顶替界面的稳定性。

优选的是，当顶替界面能完全展现在所述水平井段的环空区域内时，所述流速测量装置的测量信息包括：所述流速测量装置在顶替过程中测得的流速最大值和流速稳定值，以及得到所述流速最大值时的第一时刻和得到所述流速稳定值时的第二时刻。

优选的是，根据所述测量信息，依次确定各个所述流速测量装置对应的顶替界面长度增长量，包括：

计算均与所述流速测量装置对应的流速最大值和流速稳定值的差值，得到流速差值；

计算均与所述流速测量装置对应的第一时刻和第二时刻的差值的绝对值，得到时间间隔；

将所述流速差值和所述时间间隔的乘积作为所述流速测量装置对应的顶替界面长度增长量。

优选的是是，根据所有流速测量装置对应的顶替界面长度增长量，确定所述顶替界面的稳定性，包括：

在判断出沿所述流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量依次递减时，确定所述顶替界面逐渐趋于稳定；

在判断出沿所述流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量依次递增时，确定所述顶替界面逐渐趋于不稳定；

在判断出沿所述流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量保持不变时，确定所述顶替界面始终保持稳定。

优选的是，当顶替界面不能完全展现在所述水平井段的环空区域内时，所述流速测量装置的测量信息包括：所述流速测量装置在顶替过程中测得的流速最大值，以及得到所述流速最大值时的第一时刻。

优选的是，根据所述测量信息，依次确定各个所述流速测量装置对应的顶替界面长度增长量，包括：

计算所述流速测量装置及其下游的流速测量装置分别对应的流速最大值的 差值，得到流速差值；

计算所述流速测量装置及其下游的流速测量装置分别对应的第一时刻的差值的绝对值，得到时间间隔；

将所述流速差值和所述时间间隔的乘积作为所述流速测量装置对应的顶替界面长度增长量。

优选的是，根据所有流速测量装置对应的顶替界面长度增长量，确定所述顶替界面的稳定性，包括：

在判断出沿所述流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量依次递减时，确定所述顶替界面逐渐趋于稳定；

在判断出沿所述流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量依次递增时，确定所述顶替界面逐渐趋于不稳定；

在判断出沿所述流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量保持不变时，确定所述顶替界面始终保持稳定。

优选的是，所述流速测量装置等间隔设置。

优选的是，相邻的两个流速测量装置的间距的数值与所述流体的平均流速的3-5倍的数值相等。

优选的是，所有流速测量装置的测量位置到所述低边的距离均相等。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明克服了现有技术中不存在用于评价固井顶替中两相对流体的顶替界面的稳定性的装置，不能较准确得到各类顶替条件下的顶替界面的稳定性规律的技术缺陷，从物模实验角度提出了对于水平井段顶替中两相流体顶替界面在正密度差低边指进时稳定性评价的方法。该方法能够定性对顶替界面稳定性作出评价。该方法能够用来评价几何参数，流体的流变性、密度、以及排量等参数对于顶替界面稳定性的影响规律。该方法简单可靠、可操作性强。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例用于评价水平井段的顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法的流程示意图；

图2示出了第n流速测量装置测量到流速最大值时的顶替界面示意图；

图3示出了第n流速测量装置测量到流速稳定值时的顶替界面的示意图；

图4示出了n个流速测量装置分别测量到相对应的流速最大值时的顶替界面示意图；

图5示出了流速测量装置的俯视图；

图6示出了流速测量装置沿图5所示的B-B方向的剖面示意图；

图7示出了流速测量装置沿图5所示的A-A方向的剖面示意图；以及

图8示出了图6和图7所示的叶片部的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明所要解决的技术问题是：现有技术不存在用于评价水平井段固井顶替中顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法，不能较准确得到正密度差低边指进条件下的顶替界面的稳定性规律。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于评价水平井段的顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法。该方法基于顶替的基本规律与流场分布，合理可靠，准确度高，成本低廉，能够为顶替施工设计提供可靠的、操作性强的理论指导。首先解释术语“正密度差”和“低边指进”。其中“正密度差”指的是顶替液的密度大于被顶替液的密度。“低边指进”指的是，流体在高边侧的流速小于流体在低边侧的流速，顶替界面靠近低边的一侧作为该界面的前缘。

如图1所示，是本发明实施例用于评价水平井段的顶替界面在正密度差低边指进时的稳定性的方法的流程示意图。本实施例所述的评价方法，主要包括步骤101至步骤103。

在步骤101中，获取沿水平井段内的流体的流动方向顺次布设在水平井段的低边上的多个流速测量装置的测量信息，流速测量装置用于测量其设置位置附近的流体的流速。

具体地，在执行本步骤之前，在水平井段内的流体中产生满足预设要求的流场，目的在于在水平井段内的流体中产生满足不同预设要求的流场，以使本实施例能够在不同影响因素条件下对顶替界面的稳定性进行评价。值得说明的是，影响因素包括流场的几何参数，流体的流变性、密度及排量等参数。本步骤通过调节上述影响因素的取值的方式来在水平井段内的流体中产生满足不同预设要求的流场。

参照图2至图4，假设水平井段的环空流域的轴向长度足以施行顶替作业。该环空入口沿顶替方向的轴向上，在邻近入口的位置布置第一流速测量装置(对应图4中的测点1)，然后沿着流体流动的方向依次布设第二流速测量装置(对应图4中的测点2)、第三流速测量装置(对应图4中的测点3)…第n流速测量装置(对应图2至图4中的测点n)。特别地，各个流速测量装置等间隔布设，并且相邻的两个流速测量装置的间距的数值与流体的平均流速的3-5倍的数值相等。也就是说，上述间距s满足：s＝v×Δt，表示为流体以大小为平均流速的速度流动3-5秒的距离。另外，各个流速测量装置用于采集其设置位置附近的流体的流速。即各个流速测量装置的安装位置都位于低边指进的环空最低边，测量位置位于环空低边高度的中间位置。并且，各个流速测量装置对应的测量位置的连线与井筒轴线平行，即所有流速测量装置的测量位置到低边的距离均相等。

为了得到较为精准的流速数据，本发明实施例采用对原有流场较小的、测量精确度高的流速测量装置。该流速测量装置的结构将在下文中结合图5至图8进行展开说明。

在步骤102中，根据测量信息，依次确定各个流速测量装置对应的顶替界面长度增长量。

在步骤103中，根据所有流速测量装置对应的顶替界面长度增长量，确定顶替界面的稳定性。

本发明实施例克服了现有技术中不存在用于评价固井顶替中两相对流体的顶替界面的稳定性的装置，不能较准确得到各类顶替条件下的顶替界面的稳定性规律的技术缺陷，从物模实验角度提出了对于水平井段顶替中两相流体顶替界面 在正密度差低边指进时稳定性评价的方法。该方法能够定性对顶替界面稳定性作出评价。该方法能够用来评价几何参数，流体的流变性、密度、以及排量等参数对于顶替界面稳定性的影响规律。该方法简单可靠、可操作性强。

在本发明一优选的实施例中，根据顶替界面的长度与水平井段的环空长度的大小关系，确定获取的测量信息的内容。

第一种情况，当时，即当水平井段的环空长度L_环空大于T1时刻顶替界面的长度与ns的和(n为布设的流速测量装置的总数，s为任意两相邻的流速测量装置之间的间距)时，整个顶替界面能够完全展现在有限的环空长度内。此时，流速测量装置的测量信息包括：流速测量装置在顶替过程中测得的流速最大值和流速稳定值，以及得到流速最大值时的第一时刻和得到流速稳定值时的第二时刻。

具体地，获取上述测量信息的过程为：对于每个流速测量装置来讲，获取该流速测量装置在顶替过程中测得的最大的流速(称为流速最大值)和稳定后的流速(称为流速稳定值)，并记录测得该流速最大值的时刻为第一时刻，记录测得该流速稳定值的时刻为第二时刻。

一般来讲，正密度差低边指进时顶替界面的最前缘沿低边向前推进，所有流速测量装置从顶替过程开始时进行实时连续测量并存储，存储值与时间严格对应。当顶替界面和前缘经过第一流速测量装置时，该第一流速测量装置对应的测量位置的流速明显增大，测得流速的最大值记为V1(表示对应第一流速测量装置的流速最大值)，并记录此时时刻T1(表示对应第一流速测量装置的第一时刻)。第一流速测量装置采集的流速到达最大值后开始回落，当回落到趋于稳定的稳定值时，测得流速的稳定值为v1(表示对应第一流速测量装置的流速稳定值)，记录此时时刻t1(表示对应第二流速测量装置的第二时刻)。

同埋，对于第二流速测量装置，当顶替界面的最前缘经过第二流速测量装置时，该第二流速测量装置对应的测量位置的流速明显增大，测得流速的最大值记为V2(表示对应第二流速测量装置的流速最大值)，并记录此时时刻T2(表示对应第二流速测量装置的第一时刻)。第二流速测量装置采集的流速到达最大值后开始回落，当回落到趋于稳定的稳定值时，测得稳定值为v2(表示对应第二流速测量装置的流速稳定值)，同时记录此时时刻t2(表示对应第二流速测量装置的第二时刻)。同理可获得针对其它流速测量装置的流速最大值、第一时刻、流 速稳定值和第二时刻。

上述步骤102进一步包括步骤201至203。

在步骤201中，计算均与流速测量装置对应的流速最大值和流速稳定值的差值，得到流速差值。

在步骤202中，计算均与流速测量装置对应的第一时刻和第二时刻的差值的绝对值，得到时间间隔。

在步骤203中，将流速差值和时间间隔的乘积作为流速测量装置对应的顶替界面长度增长量。

具体地，根据L₁＝(V₁-v₁)×(t₁-T₁)计算针对当前流速测量装置的顶替界面长度增长量。值得注意的是，在步骤202中，将计算的第一时刻与第二时刻的差值的绝对值作为时间间隔。而在公式中将t₁-T₁的差值作为时间间隔，由于第二时刻t₁一定在第一时刻T₁后，因此通过两种方式计算出来的时间间隔在本质上来讲是相同的。

在本实施例中，上述步骤103具体包括三种情形：

第一，在判断出沿流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量依次递减时，确定顶替界面逐渐趋于稳定。即按照第一流速测量装置到第n流速测量装置的顺序，如果这n个流速测量装置对应的顶替界面长度增长量逐次递减时，即满足L₁>L₂>L₃>L₄>L₅>……>L_n时，说明顶替界面逐渐趋于稳定。

第二，在判断出沿流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量依次递增时，确定顶替界面逐渐趋于不稳定。即按照第一流速测量装置到第n流速测量装置的顺序，如果这n个流速测量装置对应的顶替界面长度增长量逐次递增时，即满足L₁<L₂<L₃<L₄<L₅<……<L_n时，说明顶替界面逐渐趋于不稳定。

第三，在判断出沿流体的流动方向布设的流速测量装置对应的顶替界面长度增长量保持不变时，确定顶替界面始终保持稳定。即按照第一流速测量装置到第n流速测量装置的顺序，如果这n个流速测量装置对应的顶替界面长度增长量保持不变时，即满足L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝L₅＝……＝L_n时，说明顶替界面始终保持稳定。

第二种情况，当时，即当水平井段的环空长度L_环空小于T1时刻顶 替界面的长度时，整个顶替界面不能完全展现在有限的环空长度内。此时，流速测量装置的测量信息包括：流速测量装置在顶替过程中测得的流速最大值，以及得到流速最大值时的第一时刻。

具体地，获取上述测量信息的过程为：对于每个流速测量装置来讲，获取该流速测量装置在顶替过程中测得的最大的流速(称为流速最大值)，并记录测得该流速最大值的时刻为第一时刻。详细获取测量信息的过程详见上面针对第一种情况的实施例，在此不再赘述。

对于此种情况，上述步骤102进一步包括步骤301至303。

在步骤301中，计算流速测量装置及其下游的流速测量装置分别对应的流速最大值的差值，得到流速差值。这里，下游的根据水平井段内的流体的流动方向确定。例如图4中所示的n个流速测量装置，第二流速测量装置位于第一流速测量装置的下游，第三流速测量装置位于第二流速测量装置的下游，第n流速测量装置位于第n-1流速测量装置的下游。

在步骤302中，计算该流速测量装置及其下游的流速测量装置分别对应的第一时刻的差值的绝对值，得到时间间隔。

在步骤303中，将流速差值和时间间隔的乘积作为流速测量装置对应的顶替界面长度增长量。

具体地，根据L₁＝(V₁-V₂)×(T₂-T₁)计算针对当前流速测量装置的顶替界面长度增长量。

上述步骤103对于此种情况的确定方法与第一种情况的确定方法一致，在此不再赘述。

当通过上述操作判断出顶替界面未达到稳定时，可以增大或减小流域的几何参数，流体的流变性、密度、以及排量等参数。每次只变化一个参数的大小，逐次进行单因素影响的顶替实验，便可评价得到某一因素对于界面稳定性的影响规律。

应用时最好分别按照第一种情况涉及的方法和第二种情况涉及的方法分别进行评价，然后比较两个评价结果：当两种评价效果一致时，得到的结论较准确，建议进行可重复的多次顶替评价，以得到较为准确的结果。

在本发明一优选的实施例中，各流速测量装置能够实时、准确地测量对应位置的流体的流速，从而提高上述评价装置输出的评价结果的准确性。

下面参照图5至图8对流速测量装置的结构进行详细地阐述。

参照图5至图8，是流速测量装置的示意图。本实施例中流速测量装置包括转轴3、叶轮、转速传感器5和处理器6。

具体地，转轴3通过支撑装置设置在流体的内部。转轴3的轴向与被测局部流场的主流方向垂直。叶轮设置在转轴3上。该叶轮在被测局部流场的带动下围绕转轴3转动。

转速传感器5设置在转轴3上，用于实时测量转轴3的转速。处理器6与转速传感器5电连接，以实时接收转速传感器5的输出信号，并根据该输出信号确定被测局部流场的主流流速。

叶轮包括沿圆周方向设置在转轴3的外表面上的多个叶片部4。如图8所示，每个叶片部4包括叶片42和连接杆41，叶片42通过连接杆41固定在转轴3的外表面上。叶片42的截面形状优选为椭圆形。在具体实施过程中，在保证连接强度的基础上，可以尽可能地减少连接杆41的体积(将连接杆41加工成细连杆)，以最大程度上减少对原有流场的影响。

在使用上述流速测量装置时，需根据流体的被测局部流场的位置确定设置转轴3的位置，以使安装在转轴3上的所有叶片42在围绕转轴3转动的过程中均经过该被测局部流场。在本实施例中，为采集邻近低边的流体的流速，叶片42在围绕转轴3转动的过程中均经过邻近低边的位置(特别地，所有流速测量装置的叶片42测量的位置到低边的距离均相等)。这样，被测局部流场的来流推动叶片42，带动叶轮围绕转轴3旋转，使转轴3达到一定的转速，转速传感器5捕捉到转轴3的角速度，并将相应的输出信号供处理器6处理、存储。具体地，处理器6根据接收到的转轴3的角速度w(单位为rad/s)以及预先存储的叶轮的转动半径r，即可根据线速度计算公式v＝r×w获得叶片42的线速度v(单位为m/s)。该线速度v也最能反映所在的被测局部流场的主流流速。

上述流速测量装置的工作原理为：被测局部流场带动叶轮围绕转轴3转动，通过实时检测转轴3的角速度，并将该角速度转化为线速度，即可得到被测局部流场的主流流速。在工作过程中，由于流速测量装置的结构简单，体积较小，其独特的叶片细连杆设计把对流场的扰动降到最低，从而大大减少了对原有流场的破坏程度，提高了流速测量的精度。因此，相比于现有技术中的接触式流速测量装置，上述流速测量装置能够实时、较准确、连续地测量被测局部流场的主流流 速。另外，该流速测量装置的结构简单、安全可靠、成本低廉且便于实现。

在本发明一优选的实施例中，叶轮具有的所有叶片部4等间隔地设置在转轴3的外表面上。叶轮具有至少3个叶片部4。叶片部4的设置数目可根据具体实施情况具体设置，一般设置为3至5个。参照图6和图7，叶轮具有3个叶片部4。3个叶片部4等角度地设置在转轴3的同一个圆周上。也就是说，每相邻的两个叶片部4的连接杆41的夹角均为120°。

为进一步提高流速测量装置的准确性，即为了使转轴3的线速度尽可能地接近被测局部流场的主流流速，在本发明一优选的实施例中，叶片42的表面垂直于被测局部流场的主流流向(如图6中的箭头P所示)设置。即，每片叶片42的表面与所在局部流场的来流方向垂直，这样可保证流体流动最大限度地推动叶片42旋转。在具体实施过程中，尽量保证叶片42的表面垂直于被测局部流场的来流方向设置。

参照图5至图8，上述流速测量装置还包括截面呈长方形的壳体2。转轴3位于壳体2的内部，并且转轴3的两端与壳体2的内侧壁可转动连接。特别地，转轴3的端部与壳体2的内侧壁垂直连接。

另外，被测流体位于环空井筒内。流速测量装置与环空井筒的外筒壁1固定连接。具体地，外筒壁1对应壳体2的位置开设有缺口，壳体2的下端面的尺寸和形状与缺口的尺寸和形状相匹配，以使该壳体2的下端面与缺口固定连接。叶轮的叶片42贯穿缺口伸入至被测局部流场内，以使叶轮在被测局部流场的带动下围绕转轴3转动。特别地，在壳体2与外筒壁1固定连接处设置有密封部(附图中未示出)，以使壳体2与外筒壁1之间达到密封效果，从而流速测量装置与流场构成一个整体密闭的空间，提高了测量精度。

本发明实施例中的流速测量装置的结构如上述，但整体大小尺寸可灵活设计，可针对不同管径、不同流场的几何特征，在功能、精度和材料许可的情况下，具体设计为结构相同但大小不同的各种尺寸。

在本发明一优选的实施例中，处理器6为中央处理器(CPU,Central Processing Unit)、嵌入式处理器(DSP,Digital Signal Process)、可编程逻辑控制器(PLC,Programmable Logic Controller)或单片机等能够执行信号采集和逻辑处理的硬件设备。

综上所述，本发明实施例提供了一种用于评价水平井段顶替界面在正密度差 低边指进时的稳定性评价方法。该方法通过连续实时测量不同测点处的环空流速，分辨出不同的顶替流体及顶替界面，通过在一定时间段内顶替界面长度前后缘流速的变化以及顶替界面前缘的流速变化，定性判断出顶替界面是否稳定，并且给出评价不同因素对界面稳定性影响规律的方法。该方法合理可靠，准确度高，成本低廉，能够为顶替施工设计提供可靠的、操作性强的理论指导。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。