CN105781525B - 一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，利用低场核磁共振成像仪得以实现，包括：(1)将环形测量管段置于射频线圈中，向井筒内管注入被顶替液；(2)调整低场核磁共振成像仪参数，使测量管段样品产生核磁共振；(3)将测量管段样品的核磁共振信号送入射频单元，通过谱仪系统进行转换，获得核磁共振信号谱线；(4)获得测量管段样品在不同方向的成像图；(5)向井筒内管中注入顶替液，重复步骤(2)～(4)，获得不同时刻测量管段样品的T2谱线和成像图，绘制顶替效率曲线图，通过成像图对流体间掺混、顶替机理进行研究。本发明既能有效监测环空流体的流动状态，又能通过成像图研究流体间的掺混、顶替机理，克服了现有技术的不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法。
背景技术
页岩气开发相关技术是近年研究的热点问题，其中页岩气固井给固井工程带来的新问题之一就是使用了油基泥浆，固井水泥浆面临油水不相容的问题。为解决此问题，相对水基泥浆固井，油基泥浆固井都使用较为复杂的前置液体系，在环空从上至下可能有油基泥浆、前置液(冲洗液、隔离液)、水泥浆等液体，形成复杂的浆柱结构体系，油基泥浆与其它水基溶液在环空如何掺混，目前还没有明确的答案。
水泥浆的顶替效率直接决定着固井质量的高低，页岩气固井环空复杂浆柱结构相互之间如何掺混，如何顶替，影响页岩气固井环空顶替效率，决定着页岩气固井质量的好坏。搞清楚页岩气固井环空液体掺混、顶替机理，将直接指导如何针对性设计前置液的性能来提高页岩气固井的顶替效率，这将极大推动目前页岩气固井技术的提高，为页岩气井后期增产措施的实施奠定基础。
目前，国内外针对固井环空顶替效率监测的方法有很多，但都存在明显的不足：激光测速法可以监测环空多相流的流动状态，测量顶替效率，但由于采用的相似液，无法表示流体间是如何掺混的，不具备说服力(徐壁华等.模拟注水泥顶替效率测量方法.专利公开号：CN103556986A)；声波法采用真实的浆体，待水泥浆凝固后，通过测量固化体的声波时差来表征顶替效率，同样不能说明动态流动过程中，流体间是如何掺混的，以及不同掺混状态对顶替效率的影响(韩洪升,王景盛.偏心环空中水泥浆顶替泥浆的实验研究[J].东北石油大学学报,1989(3))；温度法能够测量真实水泥浆、钻井液的流动情况，但是测量时需要把温度传感器浸入环空流场，因此会对流场产生干扰，影响实验结果，并且流动过程中热量散失较大，实验误差大(徐壁华等.一种利用温度传感装置测量水泥浆顶替效率的方法.专利公开号：CN101892831A)；电阻率法可以测量固井环空的顶替效率，但是探头间会产生干扰，影响顶替效率的测量(戴自新.注水泥顶替机理的分析与实验[J].西南石油学院学报,1983(1):33-41)。
综上所述，目前已有的监测方法存在的共同问题都是不能动态表征流体间掺混对顶替效率的影响，同时都有各自的局限性，难以对工程应用做出指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，该方法利用低场核磁共振成像技术，既能有效监测环空流体的流动状态，测出顶替效率，同时又能通过成像图反映流体间如何进行掺混作用，实现了对页岩气水平井固井环空流体的三维动态可视化监测，克服了现有技术的不足。
为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，该方法利用低场核磁共振成像仪得以实现，所述低场核磁共振成像仪由计算机、谱仪系统、射频单元、梯度单元、磁箱组成，所述磁箱通过射频单元、梯度单元依次连接谱仪系统和计算机，所述磁箱中有磁体、梯度线圈、射频线圈，磁体拥有两个磁极，梯度线圈也由两个极板构成，射频线圈中放置模拟水平井筒的环形测量管段，所述环形测量管段包括井筒内管和井筒外管，该方法依次包括以下步骤：
(1)将环形测量管段置于磁箱的射频线圈中，向井筒内管注入被顶替液即油基泥浆，作为测量管段样品(注：被顶替液注满整个环形管段即可)，同时通过磁体对环形测量管段施加均匀磁场；
(2)通过计算机调整低场核磁共振成像仪参数，即进行中心频率矫正(调整射频脉冲频率使其与磁体频率一致)、匀场参数调整，谱仪系统根据计算机中设定的脉冲序列参数产生满足核磁共振的射频信号，同时将信号传到射频单元并进行功率放大，再经射频线圈发射，使测量管段样品产生核磁共振；
(3)停止射频信号的发射，进行信号采集，射频线圈将采集到的测量管段样品的核磁共振信号送入射频单元进行前置放大，再通过谱仪系统进行数模转换，最后将转换后的数据送入计算机进行数据处理，进而获得核磁共振信号谱线，即T2谱线；
(4)谱仪系统将计算机内设定的梯度参数进行转化，并通过梯度单元进行梯度功放，指导梯度线圈产生相应的梯度磁场，在三维空间内对物体进行定位，从而获得测量管段样品在不同方向的成像图；
(5)向井筒内管中以一定排量注入顶替液，顶替液中加入浓度为5g/L的氯化锰，在顶替过程中重复步骤(2)～(4)，获得不同时刻测量管段样品的T2谱线和成像图，通过下式计算t时刻的顶替效率V：
V＝1-A2/A1
A1、A2分别为初始时刻、注入t时刻T2谱线中的信号幅值，绘制不同时刻测量管段样品的顶替效率曲线图，同时通过对比测量管段样品不同时刻的成像图，对流体间掺混、顶替机理进行研究。
所述低场核磁共振成像仪，计算机和谱仪系统主要负责接收操作者指令并进行数据处理、存储等任务；射频单元及射频线圈主要负责射频脉冲序列的发射及信号的采集；梯度单元及梯度线圈主要负责产生梯度磁场；磁体主要负责产生均匀、稳定的磁场。
发明中所述的顶替液与被顶替液均为原浆，由于顶替液中加入了浓度为5g/L的氯化锰，两者的横向弛豫时间不同，即在顶替过程中，T2谱线中的信号幅值会发生变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用成熟的低场核磁共振成像技术，不仅能有效监测页岩气水平井固井流体间的流动状况，确保得出的顶替效率的真实性、可靠性，同时又具备操作方便、稳定性高及现场应用性强等特点；
(2)本发明利用成熟的低场核磁共振成像技术，除了能测量不同顶替时刻固井环空管段的顶替效率外，还能对顶替过程中流体间的接触界面进行三维成像，通过成像图不仅可以研究固井流体间的掺混、顶替机理，还可以研究钻井液、前置液、水泥浆等流变特性对顶替效率的影响，对提高页岩气水平井固井质量具有深远意义。
附图说明
图1为通过低场核磁共振成像仪模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的流程示意图。
图中：1—计算机；2—谱仪系统；3—射频单元；4—梯度单元；5—磁箱；6—磁体；7—梯度线圈；8—射频线圈；9—井筒内管；10—井筒外管。
图2为测量管段样品在顶替不同时刻的T2谱线。
图3为测量管段样品在顶替不同时刻的横截面成像图。
图4为测量管段样品在顶替不同时刻的顶替效率曲线图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例进一步说明本发明。
参见图1。
一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，该方法利用低场核磁共振成像仪得以实现，所述低场核磁共振成像仪由计算机1、谱仪系统2、射频单元3、梯度单元4、磁箱5组成，所述磁箱5通过射频单元3、梯度单元4依次连接谱仪系统2和计算机1，所述磁箱中有磁体6、梯度线圈7、射频线圈8，磁体拥有两个磁极，梯度线圈也由两个极板构成，射频线圈中放置模拟水平井筒的环形测量管段，所述环形测量管段包括井筒内管9和井筒外管10。
根据水油在热塑管内进行顶替来模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，具体步骤为：
(1)将装满煤油的热塑管置于磁箱中，作为测量样品，同时通过磁体对模拟水平井筒的环形测量管段施加均匀磁场；
(2)通过计算机调整低场核磁共振成像仪参数，即进行中心频率矫正(即调整射频脉冲频率使其与磁体频率一致)、匀场参数调整等，谱仪系统会根据计算机中设定的脉冲序列参数产生满足核磁共振的射频信号，同时将信号传到射频单元并进行功率放大，再经射频线圈发射，使测量管段样品产生核磁共振；
(3)停止射频信号的发射，进行信号采集，射频线圈将采集到的核磁共振信号送入射频单元进行前置放大，然后再通过谱仪系统进行数模转换，最后将转换后的数据送入计算机进行数据处理，进而获得煤油状态下的核磁共振信号谱线，即T2谱线；
(4)谱仪系统将计算机内设定的梯度参数进行转化，并通过梯度单元进行梯度功放，从而指导梯度线圈产生相应的梯度磁场，整个梯度系统会在三维空间内对物体进行定位，从而获得测试管段中的煤油在不同方向的成像图(本实验只截取了横截面图)；
(5)在以煤油作为试验样品，获得T2谱线和成像图后，开始向热塑管中以一定排量注入氯化锰水溶液(氯化锰的浓度为5g/L)，顶替过程中先以3ml/min的排量驱替2min，然后又以6ml/min的排量驱替3min，同时整个顶替过程重复步骤(2)～(4)，从而获得不同时刻测量管段样品的T2谱线和成像图，图2和图3即为顶替过程中的T2谱线和横截面成像图。实验过程中，原始煤油含量为100％，以3ml/min的排量驱替1min后剩余95.15％，2min后剩余84.18％，接着又以6ml/min的排量驱替1min后剩余59.08％，2min后剩余39.88％，3min后剩余37.87％，变化开始趋于稳定，因此停止实验。绘制的不同时刻的顶替效率曲线图，如图4所示。
步骤(5)所述的“以3ml/min的排量驱替1min后剩余95.15％”，95.15％即以3ml/min的排量驱替1min得到的T2谱线的信号幅值与原始状态信号幅值之比，因此，此时的顶替效率V＝1-95.15％＝4.85％。
所述的某一时刻T2谱线的信号幅值为该时刻T2谱线中所有T2时刻对应的信号幅值的累加值。
Claims (2)
1.一种模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，该方法利用低场核磁共振成像仪得以实现，所述低场核磁共振成像仪由计算机(1)、谱仪系统(2)、射频单元(3)、梯度单元(4)、磁箱(5)组成，所述磁箱(5)通过射频单元(3)、梯度单元(4)依次连接谱仪系统(2)和计算机(1)，所述磁箱中有磁体(6)、梯度线圈(7)、射频线圈(8)，所述梯度线圈(7)连接梯度单元(4)，射频线圈(8)连接射频单元(3)，射频线圈中放置模拟水平井筒的环形测量管段，所述环形测量管段包括井筒内管(9)和井筒外管(10)，其特征在于，该方法依次包括以下步骤：
(1)将环形测量管段置于磁箱的射频线圈中，向井筒内管注入被顶替液即油基泥浆，作为测量管段样品，同时通过磁体对环形测量管段施加均匀磁场；
(2)通过计算机调整低场核磁共振成像仪参数，谱仪系统根据计算机中设定的脉冲序列参数产生满足核磁共振的射频信号，同时将信号传到射频单元并进行功率放大，再经射频线圈发射，使测量管段样品产生核磁共振；
(3)停止射频信号的发射，进行信号采集，射频线圈将采集到的测量管段样品的核磁共振信号送入射频单元进行前置放大，再通过谱仪系统进行数模转换，最后将转换后的数据送入计算机进行数据处理，进而获得核磁共振信号谱线，即T2谱线；
(4)谱仪系统将计算机内设定的梯度参数进行转化，并通过梯度单元进行梯度功放，指导梯度线圈产生相应的梯度磁场，在三维空间内对物体进行定位，从而获得测量管段样品在不同方向的成像图；
(5)向井筒内管中以一定排量注入顶替液，在顶替过程中重复步骤(2)～(4)，获得不同时刻测量管段样品的T2谱线和成像图，通过下式计算t时刻的顶替效率V：
V＝1-A2/A1
式中：A1、A2分别为初始时刻、注入t时刻T2谱线中的信号幅值，
绘制不同时刻测量管段样品的顶替效率曲线图，同时通过对比测量管段样品不同时刻的成像图，对流体间掺混、顶替机理进行研究。
2.如权利要求1所述的模拟页岩气水平井固井环空顶替效率的监测方法，其特征在于，所述步骤(5)顶替液中加入浓度为5g/L的氯化锰。
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