CN109403918B - 一种水平井固井顶替模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水平井固井顶替模拟试验系统，系统包括：不规则井筒模拟装置、动力驱替装置模块、内管偏心调节模块、顶替效率测量模块；所述不规则井筒模拟装置包括由若干规则段和若干不规则段根据井下实际情况进行组合变换构成的测量段；所述规则段和不规则段由透明材质制成。本发明提供的水平井固井顶替模拟试验系统，由于设置有能够进行任意组合的规则段和不规则段来模拟水平井的实情情况，因此，本发明系统既可以试验水平井常规井眼的顶替效率影响因素，也可以试验不规则井眼的顶替效率影响因素。结合下游分流结构，既可监测局部规则井段，又可监测不规则段对下游顶替界面和顶替效率的影响。
Description
技术领域
本发明涉及油田技术领域，尤其涉及一种水平井固井顶替模拟试验系统。
背景技术
目前，在国内外固井注水泥顶替施工过程模拟试验中所采用的试验装置和测量方法有：全尺寸顶替模拟试验装置和静置候凝切片法、胶结强度评价法；相似尺寸套管顶替试验装置和核辐射法；基于单相流的流速剖面分析的超声波测速法、激光测速法、绕流仪等，这类方法是通过测量环空单相流体的流速，用以间接推断两相流体的顶替情况；还有相似尺寸套管顶替试验装置和高速照相(示踪剂法)，温差传感分析法等，通过顶替液中投放示踪剂反映顶替界面的运移情况，以及根据顶替界面运移过程中液体的温度变化来反映顶替界面的情况。
目前，在国内外固井注水泥顶替施工过程模拟试验中所采用的试验装置和测量方法均存在一定的不足。全尺寸顶替模拟试验装置和静置候凝切片法、胶结强度评价法，装置制作和维护成本高，试验时耗费的人力、物力量大，且水泥浆候凝过程存在二次调整，切片结果不能反映实时顶替情况，不能分析连续顶替过程；相似尺寸套管顶替试验装置和核辐射法，存在核辐射对试验人员易造成危险，可靠性和实用性差的问题；使用超声波测速仪、绕流仪、激光测速仪等测量环空单相流体的流速，用以间接推断两相流体的顶替情况，这与实际两相顶替流动相差较大，单相流难以真实反映实际两相流动的情况，且超声波测速仪、绕流仪存在感应部分对流场的接触干扰，激光测速存在粒子的跟随性问题；相似模拟和高速照相(示踪剂法)，存在示踪粒子的跟随性问题，及对高能光照的要求严格，灵活性较差。利用对顶替液进行加热，通过测量顶替过程中顶替界面的温度变化来反映顶替效果，这存在以下几方面的困难：顶替液恒温效果的控制；顶替过程流体自身在流动过程中的热量散失；顶替液与被顶替液的掺混不均导致的热量分布混乱、温度传感器不一定及时感应得到，且温度变化细微、这对温度传感器的灵敏性要求极高。上述方法都只是观测某一段井眼环空顶替过程，不能对不规则井眼本身段及其影响下的下游段的综合观测。类似的装置多用于模拟垂直井或斜井顶替试验，不适合用于模拟水平井顶替试验。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种针对水平井固井注水泥顶替的模拟实验系统及其方法，该系统较能全真模拟井下各种不规则井况，其测量系统更科学、偏心度调整更精度、操作更方便。
一种水平井固井顶替模拟试验系统，包括：不规则井筒模拟装置、动力驱替模块、内管偏心调节模块、顶替效率测量模块；
所述不规则井筒模拟装置包括由若干规则段和若干不规则段进行不同组合变换来模拟井下实际情况的测量段；所述规则段和不规则段由透明材质制成；
所述内管偏心调节模块用于根据井下套管的偏心度来模拟测量段内部的偏心度，并将井筒模拟装置出口处的流体分流为环空高边间隙流体和环空低边间隙流体；
所述动力驱替模块用于给从测量段内先后注入的顶替液和被顶替液提供动力，以使得顶替液和被顶替液从测量段注入后通过内管偏心调节模块调节为环空高边间隙流体和环空低边间隙流体后分别流出；
所述顶替效率测量模块包括用于测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、以及顶替界面状态的高速摄像机、用于测量从分流器流出的环空高边间隙流体与环空低边间隙流体的密度、以及单位面积质量流率的测量装置。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，所述内管偏心调节模块包括分流器、偏心法兰；所述分流器包括：内管、分流片、分流盒、环空高边连通口、环空低边连通口、进水口；
所述内管设置在测量段内，内管的一端连接所述偏心法兰，偏心法兰与测量段的底部密封固定连接；内管的另一端沿其径向焊接有分流片，该分流片挂设在分流盒内部；
分流盒上设置有环空高边连通口、环空低边连通口、进水口，从测量段流出的液体经过进水口后流入分流盒内，流体经过分流片的分流后分别通过环空高边连通口、环空低边连通口流出。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，所述分流盒的内壁上设置有若干对偏心度不同的分流槽，分流槽的偏心度根据内管偏心度的要求设置，所述分流片插入在其中一对分流槽上。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，所述不规则井筒模拟装置还包括分别连接测量段两端的上游稳定段和下游稳定段，所述上游稳定段和下游稳定段用于保证流体在进入和流出测量段时形成稳定的流场。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，动力驱替模块包括顶替液储液箱、被顶替液储液箱、电潜泵、阀门、环空高边返浆池、环空低边返浆池、第一连通管、第二连通管；
所述顶替液储液箱、被顶替液储液箱分别通过第一连通管与上游稳定段的入口连通；所述偏心法兰与上游稳定段的入口固定密封连接，
被顶替液储液箱的底部与所述第一连通管连通，第一连通管与第二连通管连通，第二连通管与上游稳定段的入口连通；顶替液储液箱的底部与所述第一连通管连通，第一连通管与第二连通管连通，第二连通管与上游稳定段的入口连通；在每个第二连通管上设置有所述阀门；在每个第一连通管与第二连通管连通的管路上安装有所述电潜泵；
所述环空高边连通口和环空低边连通口分别与环空高边返浆池、环空低边返浆池的入口对应连通。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，环空高边返浆池、环空低边返浆池的内壁均设有用以指示水位的刻度。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，所述顶替效率测量模块包括：用于测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、顶替界面状态的高速摄像机、用于测量顶替液储液箱、被顶替液储液箱内流体密度、质量、返浆液面高度的测量装置。该装置用于测量从分流器流出的环空高边间隙流体和环空低边间隙流体的密度、单位面积质量流率。
进一步地，如上所述的水平井固井顶替模拟试验系统，在环空高边连通口与环空高边返浆池之间设置有环空高边三通阀，在环空低边连通口与环空低边返浆池之间设置有环空低边三通阀，所述环空高边三通阀上设有一个未连通的出口，在这个出口上设置有阀门。
有益效果：
本发明提供的水平井固井顶替模拟试验系统，由于设置有能够进行任意组合的规则段和不规则段来模拟水平井的实情情况，因此，本发明系统既可以试验常规井眼的顶替效率影响因素，也可以试验不规则井眼的顶替效率影响因素；结合下游分流结构，既可监测局部规则井段，又可监测不规则段对下游顶替界面和顶替效率的影响。
该试验系统能模拟通过改变内管大小，模拟井下不同环空内、外径比；可对不规则段改变外筒尺寸，模拟井眼不同扩大率；可改变不规则段分段尺寸大小，模拟不同结构的不规则段，如“井扩-井缩-井扩”，“井缩-井扩-井缩”，以及对不同结构组合改变不同程度的井扩率和井缩率，以模拟井下真实井眼条件的影响。
所述槽座设置有多对，分流片根据实际井筒内管偏心度来挂设，配合使用相应偏心法兰，可以将环空间隙分割成环空高边间隙和环空低边间隙两部分，从而实现环空高、低边间隙流体分流，通过测取其各自相关流动参数，可以用以评价不同间隙、以及环空整体顶替效果。本发明试验系统设置的分流器和偏心法兰使内管偏心度可精确灵活调整。
附图说明
图1为本发明水平井固井顶替模拟试验系统结构示意图；
图2为本发明分流盒结构示意图一；
图3为本发明分流盒结构示意图二；
图4为本发明内管与分流片、偏心法兰连接示意图；
图5为本发明偏心法兰结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了加固井壁，保证继续钻井，封隔油、气和水层，保证勘测期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产，为此下入优质套管，并在井眼与套管之间的环空填好水泥的作业，称为固井作业。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，称之为固井，固井包括下套管和注水泥。
套管在水平井内下入后，套管与水平井内底部之间构成的间隙称为环空低边间隙，因为该间隙往往较小，因此称之为环空窄间隙，而套管与水平井上部之间构成的间隙称之为环空高边间隙，一般较环空低边间隙大，因此称之为环空宽间隙。
水泥浆在环形空间内顶替隔离液，隔离液顶替钻井液的程度，常用顶替效率表示，而水平井注水泥顶替效率的高低直接影响水平井的固井质量,所以提高水平井注水泥顶替效率成为了提高水平井固井质量的重要因素，由于水平井存在各种不规则井况，加之环空窄间隙自身的结构窄小，因此，水泥浆在顶替不规则水平井内环空窄间隙内的钻井液(泥浆)时，很难完全顶替，从而影响了顶替效率，本发明的目的在于提供一种水平井固井顶替模拟试验系统，利用该系统来模拟裸眼段的实际井况，从而来确定影响顶替效率的各种因素。
图1为本发明水平井固井顶替模拟试验系统结构示意图，如图1所示，该系统包括：不规则井筒模拟装置、动力驱替模块、内管偏心调节模块、顶替效率测量模块；
所述不规则井筒模拟装置包括由若干规则段3和若干不规则段4构成的测量段，该测量段将若干规则段3和若干不规则段4进行组合变换来模拟井下实际情况；所述规则段3和不规则段4由透明材质制成；
所述内管偏心调节模块用于根据井下套管的偏心度来模拟测量段内部的偏心度，并将井筒模拟装置出口处的被顶替液分流为环空高边间隙流体和环空低边间隙流体；
所述动力驱替模块用于给从测量段内先后注入的顶替液和被顶替液提供动力，以使得顶替液和被顶替液从测量段注入后通过内管偏心调节模块调节为环空高边间隙流体和环空低边间隙流体后分别流出；
所述顶替效率测量模块用于测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、顶替界面状态、并结合下游出水口分流测试被顶替液在宽间隙、窄间隙的密度的变化情况、以及单位面积质量流率，以此反映被顶替液的迁移输送稳定性状态和顶替界面的稳定性状态。
所述规则段3和不规则段4由透明材质制成就可以运用“彩色液体+高速摄像”法测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、顶替界面状态，并结合下游出水口分流测试环空高边间隙(宽间隙)和环空低边间隙(窄间隙)流体密度的变化和单位面积质量流率(比)，以此反映亚滞留被顶替液的迁移输送和顶替界面的稳定性状态。
利用本发明装置的能全面测试变截面几何形状与其它相关因素对变截面段本身的顶替影响，还能更好的观测变截面形状对下游顶替的影响。顶替液中加入彩色外加剂，使用高速摄像机连续记录顶替界面和顶替液射流附壁点，这样便可以通过计算机分析顶替界面的变化和被顶替液的涡存范围。
如图2-图5所示，所述内管偏心调节模块包括分流器8、偏心法兰15，所述分流器8包括：内管81、分流片82、分流盒83、环空高边连通口84、环空低边连通口85、进水口86；
所述内管81设置在测量段内，内管81的一端连接有偏心法兰15，该偏心法兰15与测量段的底部固定密封连接；内管81的另一端沿其径向焊接有分流片82，该分流片82挂设在分流盒83内部；
在分流盒83的内壁上设置有若干对偏心度不同的分流槽87，分流槽87的偏心度根据内管81偏心度的要求设置，所述分流片82便插入在其中一对分流槽87上。
分流盒83上设置有环空高边连通口84、环空低边连通口85、进水口86，从测量段流出的液体经过进水口86后流入分流盒83内，流体经过内管81和分流片82的分流后分别通过环空高边连通口84、环空低边连通口85流出；
设置在测量段内的内管81通过挂设在不同分流槽87上的分流片82与相应偏心法兰15来实现测量段内内管81的偏心度调节，因此，本申请试验系统内管81偏心度可根据实际情况灵活调整。
所述不规则井筒模拟装置还包括分别连接测量段两端的上游稳定段7和下游稳定段12，所述上游稳定段7和下游稳定段12用于保证流体在进入和流出测量段时形成稳定的流场。
动力驱替模块包括顶替液储液箱5、被顶替液储液箱9、电潜泵6、阀门11、环空高边返浆池1、环空低边返浆池2；
所述顶替液储液箱5、被顶替液储液箱9分别通过连第一连通管10与上游稳定段7的入口连通；所述偏心法兰15与上游稳定段7的入口固定密封连接，被顶替液储液箱9的底部与所述第一连通管10连通，第一连通管10与第二连通管16连通，第二连通管16与上游稳定段7的入口连通；顶替液储液箱5的底部与所述第一连通管10连通，第一连通管10与第二连通管16连通，第二连通管16与上游稳定段7的入口连通；在每个第二连通管16上设置有所述阀门11；在每个第一连通管10与第二连通管16连通的管路上安装有所述电潜泵6；所述环空高边连通口84和环空低边连通口85分别与环空高边返浆池1、环空低边返浆池2的入口对应连通。
所述顶替效率测量模块包括：用于测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、顶替界面状态的高速摄像机，用于测量顶替液储液箱5、被顶替液储液箱9内流体密度、质量、返浆液面高度的测量装置，据此用于测量从分流器8流出的环空高边间隙流体与低边间隙流体的密度和单位面积质量流率。
在环空低边连通口85与环空低边返浆池2之间设置有环空高边三通阀13，在环空高边连通口84与环空低边返浆池1之间设置有环空高边三通阀14，所述环空高边三通阀14和环空高边三通阀13上分别设有一个未连通的出口，在这个出口上设置有阀门。
具体地，上游稳定段12的出口安装分流盒83，分流器8将井筒水平段的环空高边间隙(宽间隙)和环空低边间隙(窄间隙)的流体进行分流，对应环空高边间隙、低边间隙两侧开孔引出液体。将分流的液体引入量筒(本发明实施例使用环空高边返浆池1和环空低边返浆池2作为量筒)，使用高精度自动实时记录电子秤重仪对其进行称重，结合环空高边间隙、环空低边间隙的过流面积，可算出单位面积质量流率(比)。返浆池配备刻度尺，实时记录返浆液面，以此计算瞬时顶替体积，结合质量，算出返浆密度。以此反映环空高边间隙、低边间隙流体密度的变化和顶替界面运移状态。
本发明还提供一种利用如上所述水平井固井顶替模拟试验系统进行模拟实验的方法，包括以下步骤：
步骤1：打开与被顶替液储液箱9连通的阀门11，使被顶替液在电潜泵6的驱动下注入由若干规则段3和若干不规则段4构成的测量段内，当测量段内注满被顶替液后，关闭对应的阀门以及环空低边三通阀13和环空高边三通阀14上设有的一个出口上设置的阀门；顶替液和被顶替液采用不同颜色的液体进行标记；
步骤2：打开与顶替液储液箱5连通的阀门11，使测量段内的被顶替液逐渐被顶替液顶替，从测量段流出的流体分别通过分流器8流入环空低边返浆池2和环空高边返浆池1内；同时使用高速摄像机连续记录顶替界面和顶替液射流附壁点，以分析顶替界面的变化和被顶替液的涡存范围；不规则段的实时顶替效果采用分段摄像的方式；
步骤3：将分流器8分流的液体引入量筒，使用高精度自动实时记录电子秤重仪对其进行称重，结合测量段内环空高边、低边间隙的过流面积，计算单位面积质量流率；
步骤4：利用刻度尺分别测量记录环空低边返浆池2、环空高边返浆池1的返浆液面，以此计算瞬时顶替体积，结合质量，计算返浆密度；
步骤5：根据所述顶替体积、返浆密度、顶替界面的变化和被顶替液的涡存范围来确定测量段内环空高边间隙、低边间隙内流体的密度变化和顶替界面运移状态，以此来进行顶替效率的测定。
本发明提供的试验装置可以对不规则井眼本身段及其影响下的下游段的综合观测，由于环空管道为不规则段，本发明提供的装置由于测试段可根据井下实际情况进行组合变换，从而可以较为真实地模拟裸眼段的实际井况，从而确定影响顶替效率的各种因素；
本发明装置采用分流器对水平段环空高边间隙(宽间隙)和环空低边间隙(窄间隙)的流体分流，结合返浆池和计量系统可以进行顶替效率的测定；
本发明提供的装置可以将内管偏心度的调节采用偏心法兰与分流片来精确调节。返浆池配备刻度尺，实时记录返浆液面，以此计算瞬时顶替体积，结合质量，算出返浆密度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种水平井固井顶替模拟试验系统，其特征在于，包括：不规则井筒模拟装置、动力驱替模块、内管偏心调节模块、顶替效率测量模块；
所述不规则井筒模拟装置包括由若干规则段(3)和若干不规则段(4)进行不同组合变换来模拟井下实际情况的测量段；所述规则段(3)和不规则段(4)由透明材质制成；
所述内管偏心调节模块用于根据井下套管的偏心度来模拟测量段内部的偏心度，并将井筒模拟装置出口处的流体分流为环空高边间隙流体和环空低边间隙流体；
所述动力驱替模块用于给从测量段内先后注入的顶替液和被顶替液提供动力，以使得顶替液和被顶替液从测量段注入后通过内管偏心调节模块调节为环空高边间隙流体和环空低边间隙流体后分别流出；
所述顶替效率测量模块包括用于测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、以及顶替界面状态的高速摄像机、用于测量从分流器流出的环空高边间隙流体与环空低边间隙流体的密度、以及单位面积质量流率的测量装置；
所述内管偏心调节模块包括分流器(8)、偏心法兰(15)；所述分流器(8)包括：内管(81)、分流片(82)、分流盒(83)、环空高边连通口(84)、环空低边连通口(85)、进水口(86)；
所述内管(81)设置在测量段内，内管(81)的一端连接所述偏心法兰(15)，偏心法兰(15)与测量段的底部密封固定连接；内管(81)的另一端沿其径向焊接有分流片(82)，该分流片(82)挂设在分流盒(83)内部；
分流盒(83)上设置有环空高边连通口(84)、环空低边连通口(85)、进水口(86)，从测量段流出的液体经过进水口(86)后流入分流盒(83)内，流体经过分流片(82)的分流后分别通过环空高边连通口(84)、环空低边连通口(85)流出；
所述分流盒(83)的内壁上设置有若干对偏心度不同的分流槽(87)，分流槽(87)的偏心度根据内管(81)偏心度的要求设置，所述分流片(82)插入在其中一对分流槽(87)上；
所述不规则井筒模拟装置还包括分别连接测量段两端的上游稳定段(7)和下游稳定段(12)，所述上游稳定段(7)和下游稳定段(12)用于保证流体在进入和流出测量段时形成稳定的流场。
2.根据权利要求1所述的水平井固井顶替模拟试验系统，其特征在于，动力驱替模块包括顶替液储液箱(5)、被顶替液储液箱(9)、电潜泵(6)、阀门(11)、环空高边返浆池(1)、环空低边返浆池(2)、第一连通管(10)第二连通管(16)；
所述顶替液储液箱(5)、被顶替液储液箱(9)分别通过第一连通管(10)与上游稳定段(7)的入口连通；所述偏心法兰(15)与上游稳定段(7)的入口固定密封连接；
被顶替液储液箱(9)的底部与所述第一连通管(10)连通，第一连通管(10)与第二连通管(16)连通，第二连通管(16)与上游稳定段(7)的入口连通；顶替液储液箱(5)的底部与所述第一连通管(10)连通，第一连通管(10)与第二连通管(16)连通，第二连通管(16)与上游稳定段(7)的入口连通；在每个第二连通管(16)上设置有所述阀门(11)；在每个第一连通管(10)与第二连通管(16)连通的管路上安装有所述电潜泵(6)；
所述环空高边连通口(84)和环空低边连通口(85)分别与环空高边返浆池(1)、环空低边返浆池(2)的入口对应连通。
3.根据权利要求2所述的水平井固井顶替模拟试验系统，其特征在于，环空高边返浆池(1)、环空低边返浆池(2)的内壁均设有用以指示水位的刻度。
4.根据权利要求2所述的水平井固井顶替模拟试验系统，其特征在于，所述顶替效率测量模块包括：用于测试不规则段涡区范围和被顶替液的滞留时间、顶替界面状态的高速摄像机、用于测量顶替液储液箱(5)、被顶替液储液箱(9)内流体密度、质量、返浆液面高度的测量装置；该装置用于测量从分流器(8)流出的环空高边间隙流体和环空低边间隙流体的密度、单位面积质量流率。
5.根据权利要求4所述的水平井固井顶替模拟试验系统，其特征在于，在环空高边连通口(84)与环空高边返浆池(1)之间设置有环空高边三通阀(14)，在环空低边连通口(85)与环空低边返浆池(2)之间设置有环空低边三通阀(13)，所述环空高边三通阀(14)上设有一个未连通的出口，在这个出口上设置有阀门。
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