CN1570583A - 绕流测定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绕流测定方法及装置。其主要是模拟一个与实际油井具有相同环空间隙的套管结构，从该套管结构下部向其内管与外管之间的环空间隙中注入被测流体，不断改变该被测流体的流速，测定当该套管结构中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体在环空间隙中的平均上返流速范围。在实际固井前，在该速度范围内选择设备能力和地层压力窗口都能满足的最大上返速度循环钻井液，确保循环干净沉砂，彻底破坏钻井液的胶凝强度，为提高固井质量创造较好的井眼环境。固井时，在该速度范围内选择设备能力、地层压力窗口和施工时间均能满足的上返速度替浆，保证水泥浆100％充填环空，防止水泥浆内出现泥浆槽道的现象。

Description

绕流测定方法及装置

技术领域

本发明涉及石油固井领域。具体地讲是一种测定在套管环空中，特别在偏心环空中的钻井液和水泥浆在某种泵速下能否全部流动的方法及其装置。

背景技术

固井是油井建设工程中的重要组成部分，固井就是在一口井的井眼和套管之间注入水泥的过程，其主要目的是封堵环形空间，达到地层之间相互隔离；固井时必须用水泥浆将环形空间中所有的钻井液顶替出来，而注入的水泥可以阻止地层流体流动且支撑套管，一次注入水泥取得成功的必要条件之一是水泥浆把环空中的钻井液完全顶替。但是在环空中注入水泥浆时，尤其是套管在井中与井壁构成偏心环空时，即套管中心与油井中心偏置，注入的水泥浆有可能产生绕流现象。绕流就是流体在流动过程中，后面的流体绕过前面的流体的现象。固井时，如果钻井液和水泥浆的流变性匹配不好，或者钻井液的顶替速度不合适，水泥浆的绕流就会造成水泥浆内形成泥浆槽道，导致水泥浆窜槽。由于钻井液没有胶结强度，且大多数钻井液与水泥浆严重不相容。如果水泥浆中混入钻井液，就会造成水泥强度严重下降，甚至使水泥不凝固。因此，如果套管环空井壁中残留钻井液，即在水泥浆柱中形成钻井液槽道，环空水泥环就会失去封隔能力。

固井作业质量直接影响油井的成功与否。为了提高固井时泥浆的顶替效率，国内外许多专家设计了多种不同的实验装置并进行了大量的顶替机理研究，得出了许多定性的结果。

目前固井界研究水泥浆绕流的主要手段有如下几种：

(1)在废煤坑上钻探实验井，待水泥凝固后，在坑道上挖开水泥环，通过检查水泥环的封固质量，分析影响顶替效率的因数。此法虽然较真实，但较耗时耗资。

(2)用完全符合井眼环空尺寸及井斜角的两根套管环空中泵注水泥，待水泥凝固后，通过切片测量水泥浆的顶替效率，此实验结果与井下有较好的对应性。但是，此法每次只能测量在一种泵速下的顶替效率。实验一次就必须报废两根套管，并消耗许多固井材料和泥浆材料；实验一次必须至少一天的时间等待水泥浆凝固，半天切片分析，所以仍然耗材耗时。

(3)用两根直径与井眼环空成比例的套管模拟井眼环空，实验方法同(2)，但此实验结果只能是定性结果。因为在不同间隙的环空中固井，水泥浆的流态和压力梯度都不同，因此，绕流程度也不同，实验结果与井下情况没有对应性。

(4)用两根直径与井眼环空成比例的套管模拟井眼环空；用透明或半透明的、流变性能与水泥浆相似的相似液来模拟水泥浆固井，并在相似液中加入发光的物质；用核辐射探测仪检测记录不同泵速下相似液的顶替效率。此法可以动态测量相似液的绕流结果，但是，由于相似液与水泥浆有一定的差别，环空尺寸是按实际井眼尺寸缩小的，因此，其绕流实验结果也只能是定性的东西。此外，核辐射也容易造成对人体的伤害。

因此到目前为止，固井界还没有一台可以模拟测定固井水泥浆绕流程度的仪器，也没有建立一套公认的在偏心套管环空中流体流态的数学模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绕流测定方法，通过动态模拟实验，测定在套管环空中，特别在偏心环空中钻井液和水泥浆全部流动所需的平均上返速度范围。

本发明的另一目的在于提供一种绕流测定装置，能够测定在套管环空中，特别在偏心环空中钻井液和水泥浆全部流动所需的平均上返速度范围。

本实用新型的目的是这样实现的，一种绕流测定方法，该测定方法是模拟一个与实际油井具有相同环空间隙的套管结构，从该套管结构下部向其内管与外管之间的环空间隙中注入被测流体，不断改变该被测流体的流速，测定当该套管结构中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体在环空间隙中的平均上返流速范围。

该方法的具体步骤为：

a选择与井眼环空间隙相同的套管结构；

b调整套管结构倾斜角和套管结构偏心度，使其与实际井况相同；

c配置被测流体；

d循环被测流体，从小到大分级改变泵速，记录当该套管结构中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体在环空间隙中的平均上返流速范围。

本发明中所述的被测流体为钻井液或前置液或水泥浆。

在本发明中当循环的被测流体为水泥浆时，可在注入水泥浆之前先顺序注入钻井液和前置液；用水泥浆顶替钻井液和前置液，并在循环过程中将顶替出的钻井液、前置液与水泥浆分开。

在前述步骤b中可使套管结构绕其外管一点摆动以调整其倾斜角；可通过改变套管结构中的内管位置来调整套管结构偏心度。

在本发明中可通过速度传感器来测定环空间隙窄边速度大于零的状态，该速度传感器可设于套管结构窄边的外管内壁或内管外壁上的流体流态稳定的位置。所述的速度传感器可沿套管结构窄边的轴向设有一个或一个以上，此时，需测定所有速度传感器的速度均大于零时的被测流体的平均上返速度范围。

本发明中所述环空间隙中被测流体的平均上返速度可通过设于套管入口端的流量计来测定，将该流量计测量出的流量值除以试验套管环空的截面积即可获得环空间隙的平均上返速度。

所述的流量计的数据输出端可连接于一数据处理器，通过该数据处理器实时检测和记录被测流体在环空间隙中的平均流速。

该套管结构中的内管可由旋转装置带动旋转，以模拟实际井况。

在本发明中，当测定的该套管结构中窄边被测流体速度大于零时，被测流体的流速范围难以在实际井中应用时，则需改变注入套管结构被测流体的流变性能，即重新配置被测流体然后再进行测定，直至得到理想的被测流体流速范围。

为实现上述绕流测定方法，而提供一种绕流测定装置，其包括由活动套置的内管和外管构成的、环空间隙与实际油井相同的套管结构；至少在套管结构窄边设有速度传感器；套管底部的内外管之间的环空间隙通过一流量计与一变速泵连通，于套管结构上部与变速泵之间设有循环管路。

所述的速度传感器设于内管外壁或外管内壁。

在本装置中，所述套管结构外管一端枢接于一转轴，套管结构与一调角架滑动连接，使套管结构绕其外管的枢接点摆动以调整其倾斜角。

上述速度传感器包括在周向均布有滚齿的滚轮和设于滚轮外壳上的电磁感应器，该电磁感应器的数据输出端连接于一数据处理器，由该数据处理器实时检测和记录环空间隙窄边的速度。

在循环管路上串接有压力表和储液罐。

前述调角架为一座体内设置一可移动的杆件，杆件头部设有滑块，该滑块与套管结构滑动连接。

为利于被测流体注入环空间隙内，所述套管底部沿套管向内设有导流片。

在实际固井时，有时内管是可以转动的。为了有效模拟实际井况，在本装置中，于内管端部设有旋转装置。

本发明通过室内动态模拟实验，测定在套管环空中，特别在偏心环空中钻井液和水泥浆全部流动所需的平均上返速度范围。在实际固井前，在该速度范围内选择设备能力和地层压力窗口都能满足的最大上返速度循环钻井液，确保循环干净沉砂，彻底破坏钻井液的胶凝强度，为提高固井质量创造较好的井眼环境。固井时，在该速度范围内选择设备能力、地层压力窗口和施工时间均能满足的上返速度替浆，保证水泥浆100％充填环空，防止水泥浆内出现泥浆槽道的现象。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明中平均流速与窄边流体的流动状况示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种绕流测定方法，该测定方法是模拟一个与实际油井具有相同环空间隙的套管结构1，调整套管结构1倾斜角和套管结构偏心度，使其与实际井况相同，从该套管结构1下部向其内管11与外管12之间的环空间隙中注入被测流体，不断改变该被测流体的流速，测定当该套管结构1中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体在环空间隙中的平均上返流速范围。

本绕流测定方法是根据有关试验的结果确定的。由于流体的密度、流变性能、上返速度、井眼和套管的几何尺寸以及套管的偏心度等因数决定了流体的绕流程度。当水泥浆在环空中处于塞流或紊流时，水泥浆象活塞一样驱替泥浆，不存在绕流，泥浆100％被顶替干净。当水泥浆处于无效层流时，绕流严重，环空窄边泥浆不流动，即流速为零，造成水泥浆内形成泥浆槽道。当水泥浆处于有效层流时，虽然环空水泥浆出现绕流，但是窄边井壁上的钻井液仍将被驱替。如图2所示，是试验得出的环空平均流速与窄边边壁流速关系曲线图，其中A为环空平均流速曲线；B为窄边边壁流速曲线；a为塞流区；b为无效层流区；c有效层流区；d为紊流区；从图中可以得知，在无效层流区窄边边壁的流体流速为零，即窄边边壁的流体不流动，此时会发生绕流现象；而在塞流区、有效层流区和紊流区窄边边壁的流体流速不为零，即窄边边壁的流体是流动的，此时不会发生绕流现象。因此在测定环空间隙中流体平均流速范围时，只要将塞流区的最大平均流速和有效层流区的最小平均流速记录下即可，实际固井时只要注入流体流速在大于零小于塞流区的最大平均流速和大于有效层流区的最小平均流速的范围内，就不会发生绕流现象。

进一步通过试验得知，流体在偏心环空中作层流流动，通常有两种绕流形式：第一，环空中远离管壁(井壁)部分的流体总是比靠近管壁(井壁)的流体流动得快，中间的流体绕过管壁(井壁)上的流体。第二，流体趋于通过阻力最小(即宽边)的流道流动，环空宽边的流体的平均速度比窄边的高。因此能够模拟实际井的状况并将水泥浆不发生绕流即其全部流动所需的平均上返速度范围测定出来，即如图2中的窄边边壁流速不为零时的环空间隙中流体的平均流速范围测定出来，在固井时将水泥浆以该流速注入环空间隙中，就不会发生绕流现象，从而提高固井质量。

所以本发明的绕流测定方法，简单的说就是通过试验在模拟实际井况的套管结构1中，使被测流体由套管结构1下部的环空间隙注入，再由仪器测定并记录流体不发生绕流时，注入的被测流体的流速范围；然后将该流体用于实际油井固井，将测定的该流体的流速范围与实际油井的环空面积相乘即可得出在实际固井时使用该流体不发生绕流的流量范围。即以该流量范围向实际油井中注入该流体，则在顶替过程中不会发生绕流现象。

实验表明，要想使测定结果与井下固井的水泥浆顶替效果有较好的对应性，必须使环空流体具有相同的流态和摩阻压降。经过大量计算发现，只有模拟条件同时满足以下三个条件时，同一种流体在环空间隙中流动才具有相同的流态和摩阻压降，(1)环空间隙相同，但环空截面积可以不同；(2)环空流体的平均上返速度相同，但流体排量可以不相同；(3)流体相同。如表1为幂律流体的流动规律；表2为宾汉流体的流动规律。从表中的试验结果表明：同一种流体，当环空间隙和流体上返速度相同时，环空流体具有相同的流态和摩阻压降。

                               表1幂律流体的流动规律

井径×管径(毫米)	间隙(毫米)	排量(桶/分)	返速(m/s)	临界Ren	实际Ren	流态	1000m压降(MPa)
								215.9×177.8	19	6	1.35	2547	3971	紊流	1.317
60×22	19	1.25	1.35	2547	3979	紊流	1.327
								50×12	19	0.94	1.35	2547	3950	紊流	1.315
215.9×177.8	19	4	0.9	2547	2319	层流	0.835
								60×22	19	0.83	0.9	2547	2312	层流	0.838
50×12	19	0.63	0.9	2547	2324	层流	0.841
								50×30	10	0.425	0.9	2547	1494	层流	2.451

注：流体密度＝1.9g/cm3，n＝0.674，K＝0.16Pa.sn

                     表2宾汉流体的流动规律

井径×管径(毫米)

间隙(毫米)

排量(桶/分)

返速(m/s)

临界Ren

实际Ren

流态

1000m压降(MPa)

215.9×177.8	19	8	1.8	2700	3428	紊流	3.043
								60×22	19	1.66	1.8	2700	3415	紊流	3.047
50×12	19	1.26	1.8	2700	3428	紊流	3.068
								215.9×177.8	19	4.45	1	2700	1907	层流	1.059
60×22	19	0.92	1	2700	1893	层流	1.06
								50×12	19	0.7	1	2700	1905	层流	1.066

        注：流体密度＝1.6g/cm3，PV＝0.032mPa.s，YP＝5Pa.

因此为满足上述条件，如图1所示，本发明的绕流测定方法的具体步骤为，a选择与井眼环空间隙相同的套管结构1；b调整套管结构倾斜角和套管结构偏心度，使其与实际井况相同；c配置被测流体；d循环被测流体，从小到大分级改变泵速，记录当该套管结构1中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体注入环空间隙的流速范围。在上述步骤中，步骤c可以在步骤a之前或在步骤a和步骤b之间。

在本发明中的被测流体为钻井液或前置液或水泥浆。

为实现本绕流测定方法，本发明还公开一种绕流测定装置，其包括由活动套置的内管11和外管12构成的、环空间隙与实际油井相同的套管结构1；至少在套管结构1窄边设有速度传感器2；套管底部的内外管之间的环空间隙通过一流量计5与一变速泵6连通，于套管结构1上部与变速泵6之间设有循环管路7。

在实际固井时，每个油井的情况都不一样，即每个油井的环空间隙、偏心度、倾斜角度等都是有差别的。因此在试验时必须模拟具体的油井井况，使其与需要固井的具体油井的井况相同。然后，在套管结构1的下部的环空间隙中注入被测流体，改变变速泵6的流速，由速度传感器2测定窄边管壁被测流体速度大于零的状态；由流量计5示出套管结构1窄边管壁被测流体速度大于零时，被测流体注入环空间隙的流量。将该流量计5测量出的流量值除以试验套管环空的截面积即可获得环空间隙的平均上返速度。

该流量计可与一数据处理器8电连接，由数据处理器8记录测定的流量范围。

在本发明中，所述的速度传感器2可沿套管结构1窄边的轴向设有一个或一个以上，速度传感器2设于内管11外壁或外管12内壁；也可在宽边设置一个或多个速度传感器以监测宽边的流体流速，其装设位置应在流体流态较稳定处，此位置可以通过试验确定。

所述速度传感器2包括在周向均布有滚齿的滚轮和设于滚轮外壳上的电磁感应器，该电磁感应器的数据输出端连接于数据处理器8，由该数据处理器8实时检测和记录环空间隙窄边的速度。

本发明所述套管结构1外管12一端枢接于一转轴3，套管结构1与一调角架4滑动连接，使套管结构1绕其外管12的枢接点摆动以调整其倾斜角。通过改变内管11在外管12中的位置来调整套管结构1的偏心度；通过移动调角架4使套管结构1绕其外管12一端的转轴3摆动来调整套管结构1的倾斜度，使其与需要固井的具体油井的井况相同。

本发明的绕流测定装置，在管路7上还设有压力表71和储液罐72，压力表71与数据处理器8电连接以记录流体压力。当循环的被测流体为水泥浆时，应在注入水泥浆之前先顺序注入钻井液和前置液；并分别设置三个储液罐72，以在循环过程中将三种被测流体分开，以避免用混浆作循环试验。

进一步，在本发明中，所述调角架4为一座体内设置一可移动的杆件41，杆件头部设有滑块42，该滑块42与套管结构1滑动连接。

本装置的套管底部沿套管向内设有导流片13，以利于被测流体注入环空间隙内。

在实际固井时，有时内管是可以转动的。为了有效模拟实际井况，在本装置中，于内管端部设有旋转装置9，可在需要时带动内管转动以模拟实际油井，使测定结构更准确。

在本发明中试验测定的该套管结构1中窄边被测流体速度大于零时，被测流体的流速范围，有时可能因为种种原因难以在实际井中使用，比如实际设备能力、地层窗口无法满足该速度范围；此时则需要改变注入套管结构1被测流体的流变性能，即重新配置被测流体然后再进行测定，直至得到满足实际井况的被测流体流速范围。

Claims (18)

1.一种绕流测定方法，其特征在于：该测定方法是模拟一个与实际油井具有相同环空间隙的套管结构，从该套管结构下部向其内管与外管之间的环空间隙中注入被测流体，不断改变该被测流体的流速，测定当该套管结构中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体在环空间隙中的平均上返流速范围。

2.如权利要求1所述的绕流测定方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：

a 选择与井眼环空间隙相同的套管结构；

b 调整套管结构倾斜角和套管结构偏心度，使其与实际井况相同；

c 配置被测流体；

d 循环被测流体，从小到大分级改变泵速，记录当该套管结构中窄边管壁的被测流体速度大于零时，该被测流体在环空间隙中的平均上返流速范围。

3.如权利要求1或2所述的绕流测定方法，其特征在于：所述的被测流体为钻井液或前置液或水泥浆。

4.如权利要求3所述的绕流测定方法，其特征在于：当循环的被测流体为水泥浆时，可在注入水泥浆之前先顺序注入钻井液和前置液；用水泥浆顶替钻井液和前置液，并在循环过程中将顶替出的钻井液、前置液与水泥浆分开。

5.如权利要求2所述的绕流测定方法，其特征在于：可通过速度传感器来测定环空间隙窄边速度大于零的状态，该速度传感器可设于套管结构窄边的外管内壁或内管外壁上的流体流态稳定的位置。

6、如权利要求5所述的绕流测定方法，其特征在于：所述的速度传感器可沿套管结构窄边的轴向设有一个或一个以上，此时，需测定所有速度传感器的速度均大于零时的被测流体的平均上返速度范围。

7.如权利要求1所述的绕流测定方法，其特征在于：所述环空间隙中被测流体的平均上返速度可通过设于套管入口端的流量计来测定，将该流量计测量出的流量值除以试验套管环空的截面积即可获得环空间隙的平均上返速度。

8.如权利要求6所述的绕流测定方法，其特征在于：所述的流量计的数据输出端可连接于一数据处理器，通过该数据处理器实时检测和记录被测流体在环空间隙中的平均流速。

9.如权利要求1所述的绕流测定方法，其特征在于：该套管结构中的内管可由旋转装置带动旋转，以模拟实际井况。

10.如权利要求1所述的绕流测定方法，其特征在于：当测定的该套管结构中窄边被测流体速度大于零时，被测流体的流速范围难以在实际井中应用时，则需改变注入套管结构被测流体的流变性能，即重新配置被测流体然后再进行测定，直至得到理想的被测流体流速范围。

11.一种绕流测定装置，其特征在于：其包括由活动套置的内管和外管构成的、环空间隙与实际油井相同的套管结构；至少在套管结构窄边设有速度传感器；套管底部的内外管之间的环空间隙通过一流量计与一变速泵连通，于套管结构上部与变速泵之间设有循环管路。

12.如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：所述的速度传感器设于内管外壁或外管内壁。

13、如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：所述套管结构外管一端枢接于一转轴，套管结构与一调角架滑动连接，使套管结构绕其外管的枢接点摆动以调整其倾斜角。

14.如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：所述速度传感器包括在周向均布有滚齿的滚轮和设于滚轮外壳上的电磁感应器，该电磁感应器的数据输出端连接于一数据处理器，由该数据处理器实时检测和记录环空间隙窄边的速度。

15.如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：于循环管路上串接有压力表和储液罐。

16.如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：所述调角架为一座体内设置一可移动的杆件，杆件头部设有滑块，该滑块与套管结构滑动连接。

17.如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：套管底部沿套管向内设有导流片。

18.如权利要求11所述的绕流测定装置，其特征在于：所述内管端部设有旋转装置。

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