CN115059454A - 固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价的装置和方法，包括环空流体监控系统、循环路线、仿真井筒、偏心率调节工具、井斜角调节装置，环空流体监控系统包括两台高倍摄像机和与之相连接的计算机系统，循环路线包括循环泵、流量计、压力表、储液罐、软管，仿真井筒包括透明圆柱外筒、两端的仿真井筒盖子和位于外筒内的偏心率调节工具及其偏心率调节器支架，偏心率调节工具包括偏心距定位器和偏心角度定位器，井斜角调节装置包括井斜角调节装置底座、井斜角调节盘和仿真井筒卡座。本发明能够为钻井液、固井前置液、隔离液和水泥浆领浆的密度差设计提供可靠的实验数据，亦能够评价冲洗液的清洗效率，具有较好的应用前景。

Description

固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置和方法

技术领域

本发明涉及油气钻完井技术领域，具体为固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置和方法。

背景技术

现今国内外非常规油气资源勘探开发主要采用长水平井技术进行开发，然而，长水平井固井施工中存在套管居中度难以保证、油基泥浆顶替效率低和油基泥饼不易清洗等难题，对固井质量提出了严重的挑战。因此，在模拟套管偏心情况时的温压条件下，准确评价钻井液的顶替效率和清洗液的清洗效率，提升大位移井、水平井和超长水平井固井质量的关键措施之一。

经对现有“钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价的设备”的专利检索结果，发现发明专利“一种固井冲洗效率评价装置及方法”(CN 104863533B)是以雷诺数相等原理进行设计，可用来评价冲洗液对第一、第二界面的冲洗效率，但无法实现套管偏心时冲洗效率的评价；实用新型专利“套管偏心调节机构”(CN 208918478 U)适用于固井水泥浆失重与气窜测试装置的套管偏心调节机构，可实现连续调节套管偏心，并解决了套管偏心条件下装置密封问题，但在评价冲洗液清洗效率方面并不适用；实用新型专利“一种固井冲洗液测试装置”(CN 204627603 U)建立了模拟井筒，且设计了能够安放岩心或者套管的支架结构，但是该支架只是简单的使岩心或者套管居中，无法对其进行偏心距调节。上述发明对评价套管居中时条件下的泥饼去除效率起到了较好的作用，然而并不能较好地模拟大斜度井或水平井条件下冲洗液的清洗效率和观察固井水泥浆的顶替效率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：构造一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置，包括：环空流体监控系统、循环路线、仿真井筒、偏心率调节工具、井斜角调节装置；

其中，所述环空流体监控系统包括位于仿真井筒中央正上方和正下方的两个高倍摄像机以及与两摄像机相连接的计算机；

所述循环路线包括循环泵、流量计、压力表、软管、连接接头、闸阀、1号储液罐和2号储液罐，所述循环泵用于为仿真井筒提供压力，使管线内流体流态为层流、塞流或者紊流状态；所述压力表用于计量进入仿真井筒内流体的压力，所述流量计用于计量进入仿真井筒内流体的流量大小；所述1号储液罐和2号储液罐均具有温度控制系统，用于对储存的井筒工作液进行加热；

所述仿真井筒包括透明圆柱外筒、两端的仿真井筒盖子，所述偏心率调节工具设置于透明圆柱外筒内设置的偏心率调节器支架上；

所述偏心距调节工具包括偏心距定位器和偏心角度定位器，所述偏心距定位器包括设置于偏心角度定位器上自由滑动的上螺母、下螺母和空心短螺丝；所述偏心角度定位器是带有刻度的、中间有宽度裂缝、两端为圆球的偏心距定位器刻度尺；

所述井斜角调节器包括井斜角调节装置底座、井斜角调节盘和仿真井筒卡座，所述井斜角调节器是调整0-90°井斜角的角度盘，所述仿真井筒卡座一样固定仿真井筒，顶端设置带有螺母的细螺纹丝杆，底端与井斜角调节器的直角处铰链；所述井斜角调节装置底座为固定井斜角调节器的底座。

按上述技术方案，偏心角度定位器的两端圆球的外径与偏心角角度盘中空的内径相等、裂缝的宽度满足短螺丝的自由移动、偏心距定位器刻度尺的厚度小于偏心角角度盘内圈的圆形裂缝宽度；所述偏心角角度盘调节0-360°、中心内空的薄壁圆环，沿最内圈有一定宽度的圆形缝缝，其外径与仿真井筒的内径相等。

按上述技术方案，偏心率调节器支架包括固定岩心或套管的圆柱、两个偏心率调节工具及连接偏心率调节工具的四根连接柱，所述固定岩心或套管的圆柱由一根插在偏心距定位器上空心短螺丝内的螺丝连结，所述偏心率调节工具分布在偏心率调节器支架的两端、由四根连接柱等间距连接。

按上述技术方案，循环路线包括循环泵、流量计、压力表、软管、连接接头、闸阀、1号储液罐和2号储液罐，所述的循环泵可以为仿真井筒提供一定的压力、使管线内流体流态为层流、塞流或者紊流状态，所述的压力表用来计量进入仿真井筒内流体的压力，所述的流量计用来计量进入仿真井筒1内流体的流量大小；所述的1号储液罐和2号储液罐均具有温度控制系统可以对储存的钻井液、前置液、水泥浆等井筒工作液进行加热。

按上述技术方案，井筒工作液的类型包括钻井液、前置液、水泥浆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种固井用钻井液顶替效率评价方法，使用如前述技术方案所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行效率评价，包括以下步骤：

S1、连结整个循环路线；

S2、调节偏心角角度盘，利用偏心距调节工具设定套管偏心率；

S3、调整井斜角调节器的角度盘，设定井斜角；

S4、分别向1号储液罐装入待测钻井液，向2号储液罐装入冲洗液；

S5、开启储液罐升温程序，设定为实验温度；

S6、依次打开闸阀，开启循环泵循环30min；

S7、启动计算机，打开位于仿真井筒中央正上方和正下方的两个高倍摄像机；

S8、关闭循环钻井液通道的各个闸阀的同时，开启顶替液通道的闸阀，用冲洗液顶替钻井液；

S9、根据计算机上获取的摄像结果，计算仿真井筒内钻井液被顶替干净所用的时间t，记录数据，根据时间长短来判断不同冲洗液对同一钻井液顶替效果的好坏；

S10、清洗整个实验装置，结束实验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种固井用冲洗液清洗效率评价方法，使用如前述技术方案所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行效率评价，利用套管模拟固井套管，利用岩心模拟地层，包括以下步骤：

S1、连结整个循环路线；

S2、称量套管或者岩心的初始重量m0；

S3、调节偏心角角度盘，利用偏心距调节工具设定套管偏心率；

S4、调整井斜角调节器的角度盘，设定井斜角；

S5、分别向1号储液罐装入待测钻井液，向2号储液罐装入冲洗液；

S6、开启储液罐升温程序，设定为实验温度；

S7、依次打开闸阀，开启循环泵循环30min

S8、关闭循环钻井液通道的各个闸阀的同时，开启清洗液循环通道的闸阀，用冲洗液顶替钻井液，并清洗套管或者岩心外表面；

S9、根据设计的冲洗液用量清洗套管或岩心外表面，冲洗工序结束后，取出套管或者岩心样品烘干，并称重量为m2；

S10、根据公式

计算冲洗液的清洗效率；

S11、清洗整个实验装置，结束实验。

区别于现有技术，本发明的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置和方法，可便捷地模拟定向井或水平井中套管居中度差条件下的钻井液顶替效率和固井冲洗液的清洗效率，并且根据流量计和压力表的读数，可便捷的控制仿真井筒的流体流态，操作便捷、功能多样、调控精密，能够为钻井液、固井前置液、隔离液和水泥浆领浆的密度差设计提供可靠的实验数据，亦能够评价冲洗液的清洗效率，具有较好的应用前景。该装置具有操作简单，功能性强，适用范围广的特点，根据冲洗液清洗效率评价可优选冲洗液体系，根据冲洗时间的计量可设计冲洗液用量，根据顶替效率的结果可设计井筒内前后工序工作液的密度差。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行冲洗液清洗效率评价时的结构示意图；

图3是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置中仿真井筒的结构示意图；

图4是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置中偏心率调节工具的结构示意图；

图5是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置中偏心率调节器支架示意图；

图6是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置中偏心率调节的实例示意图；

图7是本发明提供的一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置中井斜角调节器示意图。

图中：1-仿真井筒，101-仿真井筒盖，102-偏心率调节器支架，1021-偏心率调节工具、10211-偏心距定位器、10212-偏心距定位器刻度尺、10213-偏心角度定位器、10214-偏心率调节器支架固定器、10215-偏心率角度调节盘、10216-偏心距定位器刻度尺、10217-空心短螺丝、10218-上螺母、10219-下螺母，1022-偏心距定位器，1023-固定岩心或套管圆柱，1024连接柱；103-岩心或者套管；2-井斜角调节器，201-井斜角调节器底座，202-井斜角调节器角度调节盘，203-仿真井筒卡座；3-储液罐，301-1号储液罐，302-2号储液罐；4-循环泵；5-排量计；6-压力表；7-连结软管；8-直角接头；9-三通接头；10-闸阀；11-摄像机；12-计算机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1和图2，本发明提供了一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价的装置，包括环空流体监控系统、循环路线、仿真井筒、偏心率调节工具和井斜角调节器。

如图1所示，环空流体监控系统包括位于仿真井筒1中央正上方和正下方的两个高倍摄像机11以及与两摄像机11相连接的计算机12；

如图2所示，循环路线包括循环泵4、流量计5、压力表6、软管7、连接接头8和9、闸阀10、1号储液罐301和2号储液罐302，所述的循环泵4可以为仿真井筒1提供一定的压力、使管线内流体流态为层流、塞流或者紊流状态，所述的压力表6用来计量进入仿真井筒1内流体的压力，所述的流量计5用来计量进入仿真井筒1内流体的流量大小；所述的1号储液罐301和2号储液罐302均具有温度控制系统可以对储存的钻井液、前置液、水泥浆等井筒工作液进行加热。

如图3所示，仿真井筒1包括透明圆柱外筒、两端的仿真井筒盖子和位于外筒内的偏心率调节工具1021及其偏心率调节器支架102。

如图4所示，偏心距调节工具1021包括偏心距定位器10211和偏心角度定位器10213，偏心距定位器10211为能在偏心角度定位器10213上自由滑动的上螺母10218、下螺母10219和空心短螺丝10217组成；所述的偏心角度定位器为带有刻度的、中间有一定宽度裂缝、两端为圆球的一定厚度的偏心距定位器刻度尺10212，圆球的外径与偏心角角度盘10215中空的内径相等、裂缝的宽度能满足短螺丝10217的自由移动、薄长方体的厚度小于偏心角角度盘10215内圈的圆形裂缝宽度；所述偏心角角度盘10215能调节0-360°、中心内空的薄壁圆环、沿最内圈有一定宽度的圆形缝缝、其外径与仿真井筒的内径相等。

如图5所示，偏心率调节器支架102，包含固定岩心或套管的圆柱1023、两个偏心率调节工具1021及连接偏心率调节工具1021的四根连接柱1024，所述的固定岩心或套管的圆柱1023由一根插在偏心距定位器10211上空心短螺丝10217内的螺丝连结，所述的偏心率调节工具1021分布在偏心率调节器支架102的两端、由四根连接柱1024等间距连接。

如图6所示为偏心率调节工具1021所调整出的四种岩心或套管的偏心率示意图。

如图7所示，所述的井斜角调节器2包括井斜角调节装置底座201、井斜角调节盘202和仿真井筒卡座203，所述的井斜角调节器2为能调整0-90°井斜角的角度盘202，所述的仿真井筒卡座203为能固定仿真井筒1且底端与井斜角调节器的直角处铰链、顶端为带有螺母的细螺纹丝杆，所述的井斜角调节装置底座201为固定井斜角调节器2的底座。

此外，本发明提供了一种固井用钻井液顶替效率方法，使用如前述技术方案所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行效率评价，包括以下步骤：

S1、连结整个循环路线；

S2、调节偏心角角度盘，利用偏心距调节工具设定套管偏心率；

S3、调整井斜角调节器的角度盘，设定井斜角；

S4、分别向1号储液罐装入待测钻井液，向2号储液罐装入冲洗液；

S5、开启储液罐升温程序，设定为实验温度；

S6、依次打开闸阀，开启循环泵循环30min；

S7、启动计算机，打开位于仿真井筒中央正上方和正下方的两个高倍摄像机；

S8、关闭循环钻井液通道的各个闸阀的同时，开启顶替液通道的闸阀，用冲洗液顶替钻井液；

S9、根据计算机上获取的摄像结果，计算仿真井筒内钻井液被顶替干净所用的时间t，记录数据，根据时间长短来判断不同冲洗液对同一钻井液顶替效果的好坏；

S10、清洗整个实验装置，结束实验。

本发明提供了一种固井用冲洗液清洗效率评价方法，使用如前述技术方案所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行效率评价，利用套管模拟固井套管，利用岩心模拟地层，包括以下步骤：

S1、连结整个循环路线；

S2、称量套管或者岩心的初始重量m0；

S3、调节偏心角角度盘，利用偏心距调节工具设定套管偏心率；

S4、调整井斜角调节器的角度盘，设定井斜角；

S5、分别向1号储液罐和2号储液罐中装入待测钻井液和，向2号储液罐装入冲洗液；

S6、开启储液罐升温程序，设定为实验温度；

S7、依次打开闸阀，开启循环泵循环30min

S8、关闭循环钻井液通道的各个闸阀的同时，开启清洗液循环通道的闸阀，用冲洗液顶替钻井液，并清洗套管或者岩心外表面；

S9、根据设计的冲洗液用量清洗套管或岩心外表面，冲洗工序结束后，取出套管或者岩心样品烘干，并称重量为m2；

S10、根据公式

计算冲洗液的清洗效率；

S11、清洗整个实验装置，结束实验。

本发明可便捷地模拟定向井或水平井中套管居中度差条件下的钻井液顶替效率和固井冲洗液的清洗效率，并且根据流量计和压力表的读数，可便捷的控制仿真井筒的流体流态，操作便捷、功能多样、调控精密，能够为钻井液、固井前置液、隔离液和水泥浆领浆的密度差设计提供可靠的实验数据，亦能够评价冲洗液的清洗效率，具有较好的应用前景。

以上仅为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置，其特征在于，包括：环空流体监控系统、循环路线、仿真井筒、偏心率调节工具、井斜角调节装置；

其中，所述环空流体监控系统包括位于仿真井筒中央正上方和正下方的两个高倍摄像机以及与两摄像机相连接的计算机；

所述循环路线包括循环泵、流量计、压力表、软管、连接接头、闸阀、1号储液罐和2号储液罐，所述循环泵用于为仿真井筒提供压力，使管线内流体流态为层流、塞流或者紊流状态；所述压力表用于计量进入仿真井筒内流体的压力，所述流量计用于计量进入仿真井筒内流体的流量大小；所述1号储液罐和2号储液罐均具有温度控制系统，用于对储存的井筒工作液进行加热；

所述仿真井筒包括透明圆柱外筒、两端的仿真井筒盖子，所述偏心率调节工具设置于透明圆柱外筒内设置的偏心率调节器支架上；

所述偏心距调节工具包括偏心距定位器和偏心角度定位器，所述偏心距定位器包括设置于偏心角度定位器上自由滑动的上螺母、下螺母和空心短螺丝；所述偏心角度定位器是带有刻度的、中间有宽度裂缝、两端为圆球的偏心距定位器刻度尺；

所述井斜角调节器包括井斜角调节装置底座、井斜角调节盘和仿真井筒卡座，所述井斜角调节器是调整0-90°井斜角的角度盘，所述仿真井筒卡座一样固定仿真井筒，顶端设置带有螺母的细螺纹丝杆，底端与井斜角调节器的直角处铰链；所述井斜角调节装置底座为固定井斜角调节器的底座。

2.根据权利要求1所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置，其特征在于：所述偏心角度定位器的两端圆球的外径与偏心角角度盘中空的内径相等、裂缝的宽度满足短螺丝的自由移动、偏心距定位器刻度尺的厚度小于偏心角角度盘内圈的圆形裂缝宽度；所述偏心角角度盘调节0-360°、中心内空的薄壁圆环，沿最内圈有一定宽度的圆形缝缝，其外径与仿真井筒的内径相等。

3.根据权利要求1所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置，其特征在于：所述偏心率调节器支架包括固定岩心或套管的圆柱、两个偏心率调节工具及连接偏心率调节工具的四根连接柱，所述固定岩心或套管的圆柱由一根插在偏心距定位器上空心短螺丝内的螺丝连结，所述偏心率调节工具分布在偏心率调节器支架的两端、由四根连接柱等间距连接。

4.根据权利要求1所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置，其特征在于：所述循环路线包括循环泵、流量计、压力表、软管、连接接头、闸阀、1号储液罐和2号储液罐，所述的循环泵可以为仿真井筒提供一定的压力、使管线内流体流态为层流、塞流或者紊流状态，所述的压力表用来计量进入仿真井筒内流体的压力，所述的流量计用来计量进入仿真井筒1内流体的流量大小；所述的1号储液罐和2号储液罐均具有温度控制系统可以对储存的钻井液、前置液、水泥浆等井筒工作液进行加热。

5.根据权利要求2所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置，其特征在于：所述井筒工作液的类型包括钻井液、前置液、水泥浆。

6.一种固井用钻井液顶替效率评价方法，使用如权利要求1-5任一所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行效率评价，其特征在于：包括以下步骤：

S1、连结整个循环路线；

S2、调节偏心角角度盘，利用偏心距调节工具设定套管偏心率；

S3、调整井斜角调节器的角度盘，设定井斜角；

S4、分别向1号储液罐装入待测钻井液，向2号储液罐中装入冲洗液；

S5、开启储液罐升温程序，设定为实验温度；

S6、依次打开闸阀，开启循环泵循环30min；

S7、启动计算机，打开位于仿真井筒中央正上方和正下方的两个高倍摄像机；

S8、关闭循环钻井液通道的各个闸阀的同时，开启顶替液通道的闸阀，用冲洗液顶替钻井液；

S9、根据计算机上获取的摄像结果，计算仿真井筒内钻井液被顶替干净所用的时间t，记录数据，根据时间长短来判断不同冲洗液对同一钻井液顶替效果的好坏；

S10、清洗整个实验装置，结束实验。

7.一种固井用冲洗液清洗效率评价方法，使用如权利要求1-5任一所述的固井用钻井液顶替效率及冲洗液清洗效率评价装置进行效率评价，其特征在于，利用套管模拟固井套管，利用岩心模拟地层，包括以下步骤：

S1、连结整个循环路线；

S2、称量套管或者岩心的初始重量m0；

S3、调节偏心角角度盘，利用偏心距调节工具设定套管偏心率；

S4、调整井斜角调节器的角度盘，设定井斜角；

S5、分别向1号储液罐和2号储液罐中装入待测钻井液和冲洗液；

S6、开启储液罐升温程序，设定为实验温度；

S7、依次打开闸阀，开启循环泵循环30min

S8、关闭循环钻井液通道的各个闸阀的同时，开启清洗液循环通道的闸阀，用清洗液顶替钻井液，并冲洗套管或者岩心外表面；

S9、根据设计的冲洗液用量清洗套管或岩心外表面，冲洗工序结束后，取出套管或者岩心样品烘干，并称重量为m2；

S10、根据公式

计算冲洗液的清洗效率；

S11、清洗整个实验装置，结束实验。

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