一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验装置和试验方法

1.本发明涉及一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验装置和试验方法，属于水泥浆顶替效率测试装置技术领域。


背景技术：

2.固井是油气井建井过程中的一个重要环节，是在钻井作业达到一定井深后在井眼中下入套管，把水泥浆注入套管外环形空间某预定位置，并使水泥浆在预定时间内凝结、硬化，与地层、套管保持良好胶结，形成优质、完整、具有良好层间封隔能力的水泥环，实现层间封隔的过程。在油气井固井工程中，水泥浆环空顶替效率越高，顶替界面越稳定，固井质量也就越高。
3.如果水泥浆顶替不充分将造成环空窄间隙处的钻井液不能被替走，水泥固化后，部分环空不能被水泥石封固，易成为层间窜流通道从而造成层间窜通或油气上窜。在环空壁面上形成的钻井液滞留层，会导致水泥固化后壁面存在微裂缝，降低水泥石对套管和井壁的胶结强度，成为层间封隔失效的隐患。同时由于注水泥顶替界面失稳，水泥浆受到污染，改变了水泥浆性能，影响了水泥石的强度和渗透率特征，如果顶替界面进一步失稳，有可能导致环空钻井液窜槽。
4.目前应用广泛的模拟固井注水泥顶替效率实验技术主要有全尺寸顶替模拟实验装置、实际密度水泥浆与相似尺寸套管顶替实验装置、相似液模拟小间隙顶替实验、环空流体顶替模拟评价仪
‑“
绕流仪”等。其中，全尺寸顶替模拟实验装置是采用直剖测量法实现的，存在工作量大、操作复杂、实验成本高等缺陷，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实验装置是采用辐射测量法实现的，该技术存在核辐射的危险性，安全可靠性差，实用性不足；相似液模拟小间隙顶替实验是采用高速摄像的测量方法实现的，它要求井筒和流体均是透明状态的，对实验要求高，实验投入成本大，且不能精确模拟注水泥的顶替效率；环空流体顶替模拟评价仪
‑“
绕流仪”是通过高精度传感器进行测量，其仅能用作模拟非常规井身结构小间隙的固井，应用范围有限。
5.现有技术中，对于测量固井注水泥顶替效率的装置较少，无法精确测量水泥浆的顶替效率，且操作复杂、实验成本高，甚至存在较高的危险性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验装置和试验方法，能够较准确的测量并计算出固井水泥浆顶替效率，解决了现有技术中固井水泥浆顶替效率评价困难的问题。
7.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
8.第一方面，本发明提供了一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验装置，包括人工井壁、套管和变频泵；所述人工井壁使用支架支撑，所述支架固定连接转轴，所述转轴由旋转导头控制旋转；所述人工井壁内固定安装有扶正器和套管，所述扶正器用于调整套管在
人工井壁内的位置；所述套管通过法兰盘固定，套管与人工井壁形成环形空间，所述环形空间的顶部由法兰盘密封；所述套管通过变频泵连接三通管。
9.进一步的，所述人工井壁底部连接电磁阀，所述电磁阀通过导流管连接接料桶。
10.进一步的，所述人工井壁外壁设有加热带，所述加热带与人工井壁外壁相贴合。
11.进一步的，所述套管包括多节子套管，所述子套管的连接处由接箍衔接；所述套管的顶部由密封塞密封，套管的底部安装有导流器。
12.进一步的，所述密封塞设有开孔，密封塞通过开孔与变频泵的注液管道连接，用于向套管内注入流体。
13.进一步的，所述导流器为封闭半圆球头，用于对进入的流体进行分流和导流，使流体进入整个环形空间。
14.进一步的，所述变频泵安装有流量计，用于记录流体的排量。
15.进一步的，所述法兰盘在开孔处设有排液管，所述法兰盘通过排液管连接接料桶。
16.进一步的，所述扶正器设有可收缩支脚，用于调整套管在人工井壁内的偏心度。
17.第二方面，本发明提供了一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验方法，包括如下步骤：
18.根据井眼尺寸及井壁粗糙度，选择对应成比例的人工井壁；
19.将人工井壁通过支架固定，支架固定连接转轴；
20.根据实验需求调节扶正器，调整套管在人工井壁内的位置，模拟套管偏心度；
21.通过法兰盘固定套管，使人工井壁与套管形成环形空间；
22.安装旋转导头，通过旋转导头控制转轴旋转，调节人工井壁的倾斜角，倾斜角到位后进行固定；
23.将配制好的钻井液放入钻井液储液罐，通过变频泵和三通管注液循环并调节流量，当流量达到预设值后，进行固井水泥浆顶替效率实验，获得相应参数；
24.根据固井水泥浆顶替效率实验获得的相应参数，计算固井水泥浆顶替效率。
25.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
26.本发明提供一种固井水泥浆顶替效率的试验装置，使用内壁凹凸不平且具有不规则裂缝的人工井壁、可调节人工井壁倾斜角的支架和可调节偏心度与长度的套管，使得实验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模拟水泥浆顶替钻井液的过程计算水泥浆体积占环形空间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，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，适合在室内对固井水泥浆顶替效率进行评价。
附图说明
27.图1是本发明实施例提供的一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验装置整体结构示意图；
28.图中：1、支架；2、转轴；3、旋转导头；4、加热带；5、人工井壁；6、套管；7、密封塞；8、扶正器；9、接箍；10、导流器；11、法兰盘；12、三通管；13、变频泵；14、单向阀一；15、单向阀二；16、单向阀三；17、电磁阀；18、软管一；19、软管二；20、软管三；21、导流管；22、排液管；23、钻井液储液罐；24、水泥浆池；25、接料桶；26、清水池；27、支撑柱。
具体实施方式
29.下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
30.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
31.实施例一：
32.如图1所示，本实施例提供了一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验装置，包括井筒模拟系统和配浆循环系统。其中，井筒模拟系统的结构包括支架1、转轴2、旋转导头3、加热带4、人工井壁5、套管6、密封塞7、扶正器8、接箍9、导流器10、法兰盘11、电磁阀门17、导流管21和排液管22；配浆循环系统的结构包括三通管12、变频泵13、单向阀一14、单向阀二15、单向阀三16、软管一18、软管二19、软管三20、钻井液储液罐23、水泥浆池24、接料桶25和清水池26。
33.所述人工井壁5使用支架1支撑，支架1安装在支撑柱27上，支架1固定连接转轴2，转轴2由旋转导头3控制旋转，可以通过调节旋转导头3调节人工井壁5的倾斜角，模拟水泥浆在不同倾斜角环形空间中的顶替效率。人工井壁5内壁凹凸不平且含有不规则裂缝，人工井壁5的尺寸不设限制，可根据试验需求更换不同形状和尺寸的人工井壁5，模拟不同的井眼环境。人工井壁5底部连接电磁阀17，所述电磁阀17通过导流管21连接接料桶25。人工井壁5外壁设有加热带4，所述加热带4与人工井壁5外壁相贴合。
34.人工井壁5内固定安装有扶正器8和套管6，扶正器8装配在套管6表面，扶正器8设有可收缩支脚，用于调整和固定套管6在人工井壁5内的位置，模拟套管6偏心度。
35.套管6通过法兰盘11固定，套管6与人工井壁5形成环形空间，环形空间的顶部由法兰盘11密封，法兰盘11在开孔处设有排液管22，法兰盘11通过排液管22连接接料桶25。变频泵13通过三通管12分别与套管6、钻井液储液罐23、水泥浆池24和清水池26相连。
36.套管6的尺寸根据试验需求可由多节子套管连接而成，子套管的连接处由接箍9衔接；套管6的顶部由密封塞7密封，套管6的底部安装有导流器10。所述导流器10为封闭半圆球头，用于对从顶部进入的流体进行分流和导流，确保流体进入整个环形空间。导流器10的顶端不封闭，可根据需要在其中设置测试仪器。所述密封塞7设有开孔，密封塞7通过开孔连接套管6顶部的进液管道与变频泵13的注液管道，用于向套管6内注入流体。套管6顶部的进液管道与三通管12相接；三通管12一端与软管一18连接，软管一18下端连接清水池26，其上设单向阀一14控制注入套管6的清水；另一端与软管三20连接，软管三20下端连接钻井液储液罐23，其上设单向阀二15控制注入套管6的钻井液；软管二19与软管三20连接，软管二19下端连接水泥浆池24，其上设单向阀三16控制注入套管6的水泥浆。变频泵13安装有流量计，用于记录流体的排量且排量可调。
37.本实施例提供一种固井水泥浆顶替效率的试验装置，使用内壁凹凸不平且具有不规则裂缝的人工井壁5、可调节人工井壁5倾斜角的支架和可调节偏心度与长度的套管6，使得模拟实验环境更加接近实际固井的井眼环境。此外，本实施例的试验装置具有体积小的优势，适合在室内对固井水泥浆顶替效率进行评价。
38.实施例二：
39.本实施例提供了一种评价固井注水泥浆顶替效率的试验方法，包括如下步骤：
40.根据井眼尺寸及井壁粗糙度，选择对应成比例的人工井壁5，将人工井壁5通过支架1固定，支架1固定连接转轴2，同时安装好旋转导头3，通过旋转导头3控制转轴2旋转，调节人工井壁5的倾斜角，倾斜角到位后进行固定。
41.根据实验需求调节扶正器8的可收缩支脚，调整套管6在人工井壁5内的位置，模拟套管6偏心度。通过法兰盘11固定套管6，使人工井壁5与套管6形成环形空间；
42.将单向阀一14、单向阀二15、单向阀三16、软管一18、软管二19和软管三20按图1所示装配。通过变频泵13和三通管12按如下步骤注液循环，当流量达到预设值后，进行固井水泥浆顶替效率实验，获得相应参数。
43.首先，将控制清水池26管道的单向阀一14打开，开启变频泵13注液循环，将套管6与环形空间内灌满清水后关闭单向阀一14和变频泵13，同时打开电磁阀17，将清水排入接料桶25内，测量清水体积即可得出人工井壁5包括套管6在内的总体积v1，再计算出套管6的体积v2，进而得到人工井壁5内的环形空间体积v＝v
1-v2，其中，套管6的体积
44.将配制好的钻井液放入钻井液储液罐23，关闭电磁阀17，打开单向阀二15，打开变频泵13注液循环，直至灌满套管6与环形空间后，关闭变频泵13。
45.将配制好的水泥浆放入水泥浆池24，关闭单向阀二15，打开单向阀三16，打开变频泵13注液循环，通过变频泵13调节流量，至水泥浆完成对钻井液的顶替，法兰盘11的排液管22中返出水泥浆后停止，关闭单向阀三16和变频泵13，记录流量值。此时的流量值即为套管6与环形空间中水泥浆的总体积vb，进而得到环形空间中水泥浆的体积va＝v
b-v2；最后计算固井水泥浆顶替效率：
[0046][0047]
式中η表示固井注水泥浆顶替效率。
[0048]
试验结束后，打开电磁阀17，将套管6及环空内流体排入接料桶25，打开单向阀一14和变频泵13，注入清水清洗整个装置，以便下次测试时使用。
[0049]
需要说明的是，还可使用直接拆除测量法和ct成像测试法来计算固井注水泥浆顶替效率。
[0050]
所述直接拆除测量法，是使用加热带4控制水泥浆在固化过程中的温度，为水泥浆的固化过程提供温度条件。待水泥浆凝固后剖开人工井壁5和套管6，直接观察顶替界面，通过测量环形空间中水泥石的体积，来计算顶替效率。
[0051]
所述ct成像测试法，是通过ct扫描实时测量人工井壁5内的残余钻井液量，并据此算出对应时间的顶替效率。
[0052]
本实施例的试验方法通过模拟水泥浆顶替钻井液的过程计算水泥浆体积占环形空间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，得出的固井水泥浆顶替效率更为可靠。
[0053]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。