CN103556986A - 模拟固井注水泥顶替效率测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种模拟固井注水泥顶替效率测量方法，包括：1）以PIV系统作为测量设备；2）在模拟井筒内分别注入被顶替液和顶替液，并在顶替液流场中散布示踪粒子；3）通过PIV系统的激光器使示踪粒子产生散射光；通过PIV系统的CCD相机实时拍摄并记录下示踪粒子在流场中的位置；4）获得示踪粒子在流场的运动图像，运动图像中选取相等时间间隔的一组作为分析识别信息，得出示踪粒子在不同时段在模拟井筒的环空截面内所占面积；5）通过模拟井筒的环空截面总面积及分析识别得到数据，得出顶替液对被顶替液在某一时段的顶替效率，6）通过得到的不同时间段模拟井筒内顶替效率，绘制出顶替效率曲线图，得出模拟井筒内整体顶替效率。

Description

模拟固井注水泥顶替效率测量方法
技术领域
本发明涉及模拟固井注水泥顶替效率的测量方法。
背景技术
向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业称为固井，它是钻井过程中的重要作业。为了掌握注水泥在各种井况下的顶替效率，及在井内注入适合井况的水泥，需在固井实体作业前模拟固井注水泥在各种井况下的顶替效率。目前，针对固井注水泥顶替效率而设计的模拟装置比较多，其中，应用较为广泛的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，这些模拟装置内的顶替液对被顶替液的顶替效率测量都是根据模拟装置本身特性而专门设计的，例如，全尺寸顶替模拟实验装置内的顶替效率测量是等水泥凝固后剖开井筒和套管，直接观察其界面的顶替效果，实际密度水泥浆与相似尺寸套管顶替实验装置内的顶替效率测量则是采用辐射测量法来完成。这些模拟装置的测量方法各有各的优越性，但其共同的弊病是：仅能得到顶替液对被顶替液的顶替效率结果，而不能真实的掌握顶替液在流场的流动状态，得不到顶替液对被顶替液的顶替全过程，从而不利于保障顶替效率的准确性和可靠性，得到的顶替效率存在一定误差；此外，这些模拟装置的测量方法都很局限，无法通用。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术的不足，利用成熟的粒子图像测速法（即PIV技术），提供一种既能有效掌握顶替液在流场的真实流动状态，保障顶替效率的准确性和可靠性，又具有投入成本低、操作方便、可靠性高、通用性好等特点的模拟固井注水泥顶替效率测量方法。
本发明采用的技术方案是，一种模拟固井注水泥顶替效率测量方法，包括下列步骤：
1）. 以包含计算机、信号处理器、CCD相机和激光器的PIV系统作为测量设备； 
2）. 在模拟井筒内分别注入被顶替液和顶替液，并在顶替液流场中散布示踪粒子；
3）. 通过PIV系统的激光器发射出照亮流场测量区域的片光，使散布在顶替液流场中的示踪粒子产生散射光；通过PIV系统的CCD相机实时拍摄并记录下示踪粒子在流场中的位置；
4）. 通过PIV系统的CCD相机获得示踪粒子在流场的运动图像，在得到的示踪粒子运动图像中选取相等时间间隔的一组作为分析识别信息，通过对分析识别信息的计算，得出示踪粒子在不同时段在模拟井筒的环空截面内所占面积；
5）. 综合整理模拟井筒的环空截面总面积及分析识别得到的示踪粒子在不同时段在模拟井筒的环空截面内所占面积，通过下式得出含有示踪粒子的顶替液对被顶替液在某一时段的顶替效率，                                                
Figure 519643DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 872127DEST_PATH_IMAGE003
为某一时段模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率，S1为示踪粒子在某一时段在模拟井筒的环空截面内所占面积，S为模拟井筒的环空截面总面积；
6）. 通过步骤5）得到的不同时间段模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率，绘制出模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率曲线图，综合分析得出模拟井筒内顶替液对被顶替液的整体顶替效率。
所述PIV系统的CCD相机与激光器在流场测量时相互垂直。
所述被顶替液和顶替液分别为透明状。
本发明的有益效果是：利用成熟的粒子图像测速法，对模拟井筒内注入的被顶替液和顶替液流场进行真实、可靠的拍摄和记录，从而有效掌握顶替液在模拟井筒流场内的真实流动状态，保障得出的顶替效率准确性和可靠性，降低、甚至杜绝误差，为固井实体作业提供真实、准确、可靠、有效的实验指导；它具有投入成本低、操作方便、可靠性高、通用性好等特点，适合各种不同结构的模拟装置使用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明采用的PIV系统结构示意图。
图中代号含义：1—计算机；2—信号处理器；3—CCD相机；4—激光器；5—模拟井筒。
具体实施方式
参见图1，本发明包括下列步骤：
1）. 以包含计算机1、信号处理器2、CCD相机3和激光器4的PIV系统作为测量设备，要求PIV系统的CCD相机3布置在模拟井筒5的顶部，PIV系统的激光器4布置在模拟井筒5的测量段，使CCD相机3和激光器4在流场测量时形成相互垂直；
2）. 在模拟井筒5的套管和井筒形成的环空内分别注入被顶替液（泥浆相似液）和顶替液（水泥浆相似液），要求被顶替液和顶替液分别为透明状，并在顶替液的流场中散布示踪粒子；
3）. 通过PIV系统的激光器4发射出照亮流场测量区域的片光，使散布在顶替液流场中的示踪粒子产生散射光；通过PIV系统的CCD相机3实时拍摄并记录下示踪粒子在流场中的位置；
4）. 通过PIV系统的CCD相机3获得示踪粒子在流场的运动图像，在得到的示踪粒子运动图像中选取相等时间间隔的一组作为分析识别信息，通过对分析识别信息的计算，得出示踪粒子在不同时段在模拟井筒5的环空截面内所占面积；
5）. 综合整理模拟井筒5的环空截面总面积及分析识别得到的示踪粒子在不同时段在模拟井筒5的环空截面内所占面积，通过下式得出含有示踪粒子的顶替液对被顶替液在某一时段的顶替效率，
Figure 814675DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 65659DEST_PATH_IMAGE004
为某一时段模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率，S1为示踪粒子在某一时段在模拟井筒的环空截面内所占面积，S为模拟井筒的环空截面总面积；
6）. 通过步骤5）得到的不同时间段模拟井筒5内顶替液对被顶替液的顶替效率，绘制出模拟井筒5内顶替液对被顶替液的顶替效率曲线图，综合分析得出模拟井筒5内顶替液对被顶替液的整体顶替效率。

Claims (3)

1.一种模拟固井注水泥顶替效率测量方法，包括下列步骤：
1）. 以包含计算机、信号处理器、CCD相机和激光器的PIV系统作为测量设备； 
2）. 在模拟井筒内分别注入被顶替液和顶替液，并在顶替液流场中散布示踪粒子；
3）. 通过PIV系统的激光器发射出照亮流场测量区域的片光，使散布在顶替液流场中的示踪粒子产生散射光；通过PIV系统的CCD相机实时拍摄并记录下示踪粒子在流场中的位置；
4）. 通过PIV系统的CCD相机获得示踪粒子在流场的运动图像，在得到的示踪粒子运动图像中选取相等时间间隔的一组作为分析识别信息，通过对分析识别信息的计算，得出示踪粒子在不同时段在模拟井筒的环空截面内所占面积；
5）. 综合整理模拟井筒的环空截面总面积及分析识别得到的示踪粒子在不同时段在模拟井筒的环空截面内所占面积，通过下式得出含有示踪粒子的顶替液对被顶替液在某一时段的顶替效率，                                                ，其中，
Figure 356002DEST_PATH_IMAGE002
为某一时段模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率，S1为示踪粒子在某一时段在模拟井筒的环空截面内所占面积，S为模拟井筒的环空截面总面积；
6）. 通过步骤5）得到的不同时间段模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率，绘制出模拟井筒内顶替液对被顶替液的顶替效率曲线图，综合分析得出模拟井筒内顶替液对被顶替液的整体顶替效率。
2.根据权利要求1所述模拟固井注水泥顶替效率测量方法，其特征在于：所述PIV系统的CCD相机与激光器在流场测量时相互垂直。
3.根据权利要求1所述模拟固井注水泥顶替效率测量方法，其特征在于：所述被顶替液和顶替液分别为透明状。
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