本发明涉及石油钻采工程固井技术领域，特别涉及一种室内评价固井水泥浆顶替效率的试验装置及试验方法。
背景技术：
固井水泥浆顶替效率是指注水泥过程中水泥浆顶替钻井液后，顶替段水泥浆体积所占顶替段环空体积的百分比。该百分比越大，表明固井水泥浆顶替效率越好；该百分比越小，表明固井水泥浆顶替效率越差。固井水泥浆顶替效率是影响固井质量的重要因素，在实际固井过程之后，其顶替效率很难被评价，因此为了优化设计钻井液水泥浆性能和注水泥施工参数，需在固井实际作业前评价注水泥的顶替效率。目前，一般都是运用一些软件来模拟固井注水泥顶替过程，进而对固井注水泥顶替效率进行评价，在模拟过程中存在很多假设与实际不符的情况，得到的顶替效率也存在一定的误差。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提出一种室内评价固井水泥浆顶替效率的试验装置及试验方法，能够较真实地测量并计算出固井水泥浆顶替效率，解决了固井水泥浆顶替效率评价困难的问题。
为此，本发明采用的具体技术方案是：
一种评价固井水泥浆顶替效率的试验装置，设置在实验平台上，该装置包括台架系统、配浆循环顶替系统以及井筒系统三部分，所述的台架系统包括电子秤和设置在电子秤上的支撑架，所述的井筒系统包括固定在支撑架上的井筒和设置在井筒内部的套管，所述套管的底端与井筒的内底面间隙配合形成通道，所述井筒的上端部设置流体返出管口，并通过与井眼封隔器的配合将伸出井筒的套管与井筒封闭连接，所述套管的上端部设置流体注入管口，所述的配浆循环顶替系统包括由配浆池、软管、快速接头和泵连接后组成的一套清水配浆循环顶替系统、一套水泥浆配浆循环顶替系统和一套钻井液配浆循环顶替系统，三套配浆循环顶替系统通过独立的快速接头轮流与井筒系统的流体返出管口和流体注入管口相连接。
上述方案中的配浆池包括清水池、水泥浆池和钻井液池，所述的井筒和套管均采用轻质pvc管制作，在井筒的内壁表面喷射砂浆形成凹凸不平具有一定粗糙度的井筒，以保证和实际井筒的环境相近。
上述的评价固井水泥浆顶替效率试验装置还包括在井筒的底面设置两个快速接头，其中一个快速接头与放流阀、软管连接后与钻井液池相通，另一个快速接头与放流阀、软管连接后通向一带有刻度的容器。
基于上述一种评价固井水泥浆顶替效率试验装置的试验方法，该试验方法按以下步骤进行：
s1，搭建评价固井水泥浆顶替效率的试验装置，将井筒和套管采用轻质pvc管制作，在制作井筒时，先将pvc管内壁打磨起毛刺，然后采用喷射枪喷射砂浆在管内壁上，使得井筒内壁凹凸不平且具有一定的粗糙度，更接近于实际井筒的环境；
s2，利用清水配浆循环顶替系统测量出井筒包括套管在内的总体积v1，再计算出套管的体积v2，进而得到井筒内的环空体积v＝v1-v2；
s3，配置水泥浆，利用水泥浆配浆循环顶替系统将水泥浆在井筒系统中循环，之后放空水泥浆测量出此时井筒系统的重量g1，再将井筒系统清洗干净并晾干；
s4，配置钻井液，测量该钻井液的密度为ρm，利用钻井液配浆循环顶替系统将钻井液在井筒系统中循环，之后放空钻井液；
s5，将s3中的水泥浆通过水泥浆配浆循环顶替系统在井筒系统中循环顶替，之后放空水泥浆测量出此时井筒系统的重量g2；
s6，最后计算固井水泥浆顶替效率：
式中的η表示固井水泥浆顶替效率，ρm表示钻井液的密度，g2-g1为环空残留的钻井液重量，v1-v2表示环空总体积，则1-残留钻井液体积占环空体积的百分比即为水泥浆的顶替效率。
进一步地，上述试验方法中步骤s2井筒包括套管在内的总体积v1的测量方法是将清水在井筒系统中循环放空到一带刻度的容器中，通过读取该容器的刻度值来获得，套管的体积v2则通过下列公式得到：
式中的dc为套管的外径，hc为套管的高度，dc和hc均可通过测量获得。
进一步地，上述试验方法中步骤s3和s5中的井筒系统重量g1和g2是通过电子秤分别测量得到的。
进一步地，上述试验方法中所述的清水配浆循环顶替系统、水泥浆配浆循环顶替系统及钻井液配浆循环顶替系统的循环排量均为10l/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种固井水泥浆顶替效率试验装置及试验方法，在其井筒的内壁上喷射砂浆形成凹凸不平具有一定粗糙度的井壁，使得井筒的内部环境更加接近实际固井的井眼环境；同时，本发明的试验方法通过三套配浆循环顶替系统轮流与井筒系统的流体返出管口和流体注入管口连接，来评价实际固井水泥浆的顶替过程，通过计算残留钻井液体积占环空体积的百分比来得出水泥浆的顶替效率，具有更接近实际固井过程的优势，其得出的固井水泥浆顶替效率更为可靠；此外，本发明的试验装置具有体积小的优势，适合在室内对现场固井水泥浆顶替效率进行评价。
附图说明
图1为本发明一种评价固井水泥浆顶替效率试验装置的整体结构示意图。
图中所示：
1-7为快速接头，8-10为泵，11为清水池，12为水泥浆池，13为钻井液池，14为电子秤，15为带刻度的容器，16为支撑架，17为套管，18为井筒，19为流体注入管口，20为流体返出管口，21为井眼封隔器，22为软管，23-24为放流阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种评价固井水泥浆顶替效率试验装置，该装置按其功能分为台架系统、配浆循环顶替系统以及井筒系统三部分，其具体组成为：
台架系统包括电子秤14和支撑架16，将支撑架16固定在电子秤14上；
配浆循环顶替系统包括一套清水配浆循环顶替系统、一套水泥浆配浆循环顶替系统和一套钻井液配浆循环顶替系统，清水配浆循环顶替系统是由清水池11、软管22、泵8及快速接头7组成，水泥浆配浆循环顶替系统是由水泥浆池12、软管22、泵9及快速接头1、2组成的可循环管路，钻井液配浆循环顶替系统是由钻井液池13、软管22、泵10及快速接头3、4组成的可循环管路；
井筒系统包括固定在支撑架16上的井筒18和设置在井筒18内部的套管17，套管17的底端与井筒18的内底面间隙配合形成环形通道，即环空，在井筒18的上端部设置流体返出管口20，流体返出管口20与井眼封隔器21配合将套管17与井筒18封闭连接，在套管17的上端部设置流体注入管口19，在井筒18的底面设置快速接头5和6，快速接头5与软管22、放流阀23连接后通入一带刻度的容器15，快速接头6与软管22、放流阀24连接后通入钻井液池13。
下面结合图1详细说明本实施例的评价固井水泥浆顶替效率试验装置的试验方法，具体步骤如下：
s1,搭建一个如图1所示的评价固井水泥浆顶替效率试验装置，井筒和套管采用轻质pvc管制作，在制作井筒时，先将pvc管内壁打磨起毛刺，然后采用喷射枪喷射砂浆在管内壁上，使得井筒内壁凹凸不平且具有一定的粗糙度，更接近于实际井筒的环境；
s2,利用清水配浆循环顶替系统测量出井筒包括套管在内的总体积v1，具体为：关闭放流阀23和24，将快速接头7接与流体注入管口19相接，启动泵8，以10l/min的排量往井筒18中注入清水，直至流体返出管口20开始有流体外溢时停止泵8，待流体液面稳定后接上快速接头5，打开放流阀23，将流体放入带刻度的容器15中，待井筒18内的流体放空后读取容器15的刻度值即为v1，记录后卸掉快速接头5，关闭放流阀23，清理带刻度的容器15；
计算套管17的体积v2，通过测量获取套管17的外径dc和高度hc，则套管17的体积为：
进而得出井筒18内的环空体积v＝v1-v2；
s3，配置水泥浆，利用水泥浆配浆循环顶替系统将水泥浆在井筒系统中循环，之后放空水泥浆测量出此时井筒系统的重量g1，具体为：卸掉快速接头7，将快速接头1接在流体注入管口19，将快速接头2接在流体返出管口20；配置水泥浆体系，启动泵9，以10l/min的排量循环水泥浆一个循环周，卸开快速接头1和2，接上快速接头5，并打开放流阀23，让模拟井筒18内的水泥浆流入带刻度的容器15，待快速接头5所连接的软管22无液滴时，卸开快速接头5，关闭放流阀23，然后对套管17和井筒18进行称重，其重量记为g1，清理带刻度的容器15和清洗套管17和井筒18并将其晾干；
s4，配置钻井液，测量该钻井液的密度为ρm，利用钻井液配浆循环顶替系统将钻井液在井筒系统中循环，之后放空钻井液，具体为：将快速接头3接在流体注入管口19，将快速接头4接在流体返出管口20；配置钻井液体系，测量其密度ρm，启动泵10，以10l/min的排量循环钻井液5个循环周，卸开快速接头3和4，接上快速接头6，并打开放流阀24，让模拟井筒18内的钻井液流入钻井液池13，待快速接头6所连接的软管22无液滴时，卸开快速接头6，关闭放流阀24；
s5，将s3中的水泥浆通过水泥浆配浆循环顶替系统在井筒系统中循环顶替，之后放空水泥浆测量出此时井筒系统的重量g2，具体为：将快速接头1接在流体注入管口19，将快速接头2接在流体返出管口20；启动泵9，以10l/min的排量循环原水泥浆一个循环周，卸开快速接头1和2，接上快速接头5，并打开放流阀23，让模拟井筒18内的水泥浆流入带刻度的容器15，待快速接头5所连接的软管22无液滴时，卸开快速接头5，关闭放流阀23，然后对套管17和井筒18进行称重，其重量记为g2，清理带刻度的容器15；
s6，最后计算固井水泥浆顶替效率：
式中的η表示固井水泥浆顶替效率，ρm表示钻井液的密度，g2-g1为残留钻井液的重量，v1-v2表示环空总体积，则1-残留钻井液体积占环空总体积的百分比即为水泥浆的顶替效率。
按照上述的试验方法进行操作求得本实施例的评价固井水泥浆顶替效率的过程为：
s1,搭建一个如图1所示的评价固井水泥浆顶替效率试验装置；
s2,关闭放流阀23和24，将快速接头7接与流体注入管口19相接，启动泵8，以10l/min的排量往井筒18中注入清水，直至流体返出管口20开始有流体外溢时停止泵8，待流体液面稳定后接上快速接头5，打开放流阀23，将流体放入带刻度的容器15中，待井筒18内的流体放空后读取容器15的刻度值v1＝0.05699m3，记录后卸掉快速接头5，关闭放流阀23，清理带刻度的容器15；
计算套管17的体积：
s3，卸掉快速接头7，将快速接头1接在流体注入管口19，将快速接头2接在流体返出管口20；配置水泥浆体系，启动泵9，以10l/min的排量循环水泥浆一个循环周，卸开快速接头1和2，接上快速接头5，并打开放流阀23，让模拟井筒18内的水泥浆流入带刻度的容器15，待快速接头5所连接的软管22无液滴时，卸开快速接头5，关闭放流阀23，然后对套管17和井筒18进行称重，其重量g1＝11.16kg，清理带刻度的容器15和清洗套管17和井筒18并将其晾干；
s4，将快速接头3接在流体注入管口19，将快速接头4接在流体返出管口20；配置钻井液体系，测量其密度ρm为1250kg/m3，启动泵10，以10l/min的排量循环钻井液5个循环周，卸开快速接头3和4，接上快速接头6，并打开放流阀24，让模拟井筒18内的钻井液流入钻井液池13，待快速接头6所连接的软管22无液滴时，卸开快速接头6，关闭放流阀24；
s5，将快速接头1接在流体注入管口19，将快速接头2接在流体返出管口20；启动泵9，以10l/min的排量循环原水泥浆一个循环周，卸开快速接头1和2，接上快速接头5，并打开放流阀23，让模拟井筒18内的水泥浆流入带刻度的容器15，待快速接头5所连接的软管22无液滴时，卸开快速接头5，关闭放流阀23，然后对套管17和井筒18进行称重，其重量记为g2＝12.24kg，清理带刻度的容器15；
s6，最后计算固井水泥浆顶替效率：
通过上述试验装置和试验方法得到的固井水泥浆顶替效率，由于模拟工况更接近于实际固井工况，其准确性和可靠性更高，能够较真实地反应固井水泥浆顶替效率，为实际固井施工中优化钻井液水泥浆性能和注水泥施工参数提供了有力的依据。
应当理解的是，说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。