CN208502748U - 电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置，通过利用电导率法得以实现，包括：测量系统，水平井固定调节系统，浆体循环系统以及通过该实验装置进行的实验方法。通过曲线图对流体流场、顶替机理进行研究，本实用新型既能模拟真实水平井管路进行实时监测环空流体的流动状态，又能通过顶替效率—顶替时间曲线图研究流体间在不同井段部位中的掺混、顶替机理及相互影响效果研究，改进了现有技术的缺点。

Description

电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置

技术领域

本实用新型涉及页岩气研究领域，尤其涉及一种电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置。

背景技术

近年来，页岩气开发已成为油气行业研究的重点，目前勘探开发页岩气是国家层面上的资源战略规划，特别是长宁威远以及涪陵地区页岩气开发取得重大突破之后，页岩气的开发主要是以水平井的页岩压裂为主。但是，水平井页岩气开发的难点之一就是使用了油基泥浆，油基泥浆滞留在井壁以及套管外壁，并且水平井中油基泥浆由于重力因素的影响使得下部流动速度与上部流动速度产生偏差，给固井施工带来了巨大的困难，导致胶结质量不均衡，水平井固井质量不高。为清洗滞留油基钻井液，往往需要复杂的浆柱结构，这些浆体有油基泥浆、冲洗液、隔离液、水泥浆等，这些流体间流场在水平井中是如何变化以及流体间是如何掺混的，目前还没有太多的研究。

水平井固井质量的高低直接影响压裂生产的效果，而顶替效率的高低直接决定固井质量，所以，提高顶替效率就等于提高了油气产量。影响水平井顶替效率的因素有很多，有井身质量、水泥浆与钻井液的性能、套管在井眼内的偏心程度、水泥浆的上返速度、是否活动套管等，其中，浆体性能扮演着举足轻重的作用。研究清楚水平井页岩气固井环空流体流动、掺混、顶替机理，并且也在弯管处的流动效果进行检测，将直接指导现场实践如何设计前置液的性能来提高顶替效率，为后期提高产量奠定扎实基础。

目前，在国内外有大量针对固井环空顶替效率的监测方法，但均有一定的缺陷：激光法能够监测环空流体的流动状态，测量顶替效率，但实验要求液体必须为透明状，所以只能用相似液体，得出的结论与真实流体之间有一定的差距(徐壁华等.模拟注水泥顶替效率的测量方法.专利公开号：CN103556986A)；温度法采用真实流体，能够测量流体间的流动状况、掺混状况，但是当两相接触后，热量会自动从高温相传递到低温相，并且整个装置置于室温条件下，热量损失大，实验误差大(徐壁华等.一种利用温度传感器装置测量水泥浆顶替效率的方法.专利公开号：CN101892831A)；毕托管测速法采用真实流体，能够测量套管外表面及井壁处的钻井液滞留厚度，并且还能够调节套管偏心度，但是，滞留钻井液厚度并不能准确表征顶替效率，而且，探针与钻井液接触，容易堵塞(艾池等.水平井剖面顶替效率测定装置.授权公告号：CN202628028U)。

对于直管设计水平井的装置，流体流动不能考虑到在井造斜点附近的流动状态与施加一定液柱高度所产生的压力下对液体流动状态的影响，只能研究水平方向的平面流动，不能观察到在高度作用下装置流动状态的变化，以及不能做出水平方向流动顶替效果与竖直方向上的顶替效果的对比。

综上所述，目前已有的监测固井环空顶替效率的方法与装置均存在不足，并且在水平井中的研究涉及很少，不能动态表征流体的流场变化以及流体间的掺混对顶替效率的影响，不能准确测量真实水泥浆、钻井液等在环空的顶替过程，难以满足工程模拟和研究的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置，该装置利用电导率法，能够实时监测水平井中环空流体的流场变化及流动状态，并计算得出顶替效率，而且能够体现流体间的相互作用，实现了对页岩气固井环空流体的三维动态监测，在现有技术上进行了巨大的改进。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置，包括：测量系统，水平

井固定调节系统，浆体循环系统；

所述测量系统包括：数据处理设备；

所述浆体循环系统包括：模拟井筒，所述模拟井筒的表面设置有若干探头，并在内部设置有套管，并在末端连接进液管和出液管，所述进液管上串联连接流量计、离心泵和单向节流阀，并在末端下方设置顶替液桶，所述出液管末端下方设置被顶替液桶；

所述水平井固定调节系统包括用于固定所述模拟井筒的支架和设置于所述模拟井筒前端的偏心器。

优选的，所述套管及探头均为铜制。

优选的，所述模拟井筒为透明有机玻璃。

优选的，所述被顶替液桶用于存放刚配置好的被顶替液，顶替液桶用于存放刚配置好的顶替液。

优选的，所述偏心器为环形结构。

优选的，所述偏心器是可卸载的，可根据实验要求选择相应的偏心度，并安放在所述套管的尾端。

优选的，所述进液管和所述出液管管口可放置在所述被顶替液桶内用于循环被顶替液。

优选的，在顶替液顶替被顶替液的过程中，所述进液管管口放置在所述顶替液桶中，所述出液管管口放置在所述被顶替液桶中。

所述实验装置被配置以执行以下步骤：

(1)配制顶替液和被顶替液，并将其分别放入顶替液桶与被顶替液桶中；

(2)选择相应的偏心器安放至铜制套管，并在水平地面上放置好已固定的有机玻璃管，保持有机玻璃管内清洁干燥，无杂质；

(3)通过计算机调整64路高精度USB数据采集记录系统系统参数，包括：进行采样率选择、信号增益倍数选择；根据设定的采样率、信号增益倍数进行定时采样，同时将信号进行功率放大，进行数据采集；

(4)通过直流稳压电源调节电压高低，调节电压高低到合适区间以防止烧坏测量系统或信号过弱；

(5)将进液管与出液管都放入顶替液桶，调节单向节流阀至流量计显示为一定值，使所述顶替液在环空流动时呈紊流状态，打开离心泵，循环顶替液，当顶替液充满有机玻璃管后立即运行64路高精度USB数据采集记录系统，直至数据稳定后暂停，该过程中数据稳定时的电压示数即为顶替液的循环电压U2；

(6)排出有机玻璃管里的顶替液至顶替液桶，并清洗干净有机玻璃管，保证没有液体、杂质等在其内部后，在同一水平地面上放置好已固定的有机玻璃管；

(7)将进液管与出液管都放入被顶替液桶，调节单向节流阀，使所述被顶替液在环空流动时呈紊流状态，打开离心泵，循环被顶替液，当被顶替液充满有机玻璃管后立即运行64 路高精度USB数据采集记录系统，直至数据稳定后暂停，该过程中数据稳定时的电压示数即为被顶替液的循环电压U0；

(8)将所述进液管放入顶替液桶，出液管仍然放入被顶替液，再次调节所述单向节流阀使其流量计的示数值与循环顶替液时的流量阀值一样，使所述顶替液在环空流动时呈紊流状态，开启离心泵的同时开启64路高精度USB数据采集记录系统，当一定量的顶替液被完全泵入有机玻璃管进行充分顶替并且电压趋于稳定后暂停测量系统，并关闭离心泵，该过程中测得的实时变化的电压即为顶替液顶替过程的电压U1；

(9)放出有机玻璃管里的液体，清洗有机玻璃管，把废液倒入指定地点，做好清洁工作；

(10)导出实验数据，通过下式计算每个时刻点t的顶替效率η：

η＝(U1-U0)/(U2-U0)

式中，t通过采样率来计算，U0为循环被顶替液电压稳定时的示数(定值)，U1为顶替液顶替过程中每个探头的实时电压(变化量)；U2为循环顶替液电压稳定时的示数(定值)；

(11)绘制不同条件下η-t变化图以表现井造斜点处与水平段内和竖直段内的液体顶替效果在同一时刻下的实时对比效果。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型利用成熟的电导率法，页岩气油基钻井液基本不导电，而前置液为水基体系，具有较大的导电性，能够较好地区分出二者的差距，可以得出准确的数据；

(2)本实用新型可以同时测量大量数据，实现了对环空流体的实时动态监测，并且模拟真实油气井管路，能够研究在整个顶替过程中多相流体的流场变化、掺混过程等多相流难以解决的问题；

(3)本实用新型功能多样、结构简单，既可以对水平井中流体在井造斜点处与水平段内和竖直段内的液体顶替效果对比研究，又可以研究偏心度、环空返速、前置液性能等因素对顶替效率的影响。

附图说明

图1为根据一个实施例的通过电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置的被顶替液循环充满有机玻璃管过程的结构示意图。

图2为根据一个实施例的通过电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置的顶替液顶替被顶替液流动过程的结构示意图。

图中：1—数据处理设备；2—转接板；3—直流稳压电源；4—支架；5—探头；6—模拟井筒；7—套管；8—数据采集线；9—流量计；10—进液管；11—离心泵；12—单向节流阀；13—被顶替液桶；14—顶替液桶；15—偏心器；16—出液管。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

下面根据附图和实施例进一步说明本实用新型。

参见图1与图2。

一种电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置，该装置利用电导率法得以实现，包括：测量系统，水平井固定调节系统，浆体循环系统；

所述测量系统包括：数据处理设备1；

所述浆体循环系统包括：模拟井筒6，所述模拟井筒的表面设置有若干探头5，并在内部设置有套管7，并在末端连接进液管10和出液管16，所述进液管10上串联连接流量计9、离心泵11和单向节流阀12，并在末端下方设置顶替液桶14，所述出液管16末端下方设置被顶替液桶13；

所述水平井固定调节系统包括用于固定所述模拟井筒的支架4和设置于所述模拟井筒前端的偏心器15。

利用前置液和油基泥浆在有机玻璃管内的电导率不同来模拟页岩气固井环空顶替效率，

具体步骤包括：

(1)配制好顶替液(前置液)30L和被顶替液(油基泥浆)10L，并将其分别放入顶替液桶与被顶替液桶中；

(2)选择相应的偏心器安放至铜制套管，并在水平地面上放置好已固定的有机玻璃管，保持有机玻璃管内清洁干燥，无杂质；

(3)通过计算机调整64路高精度USB数据采集记录系统系统参数，取采样率250K、信号增益最高为8倍，测量系统根据计算机中设定的采样率、信号增益倍数进行定时采样，同时将信号传到计算机并进行功率放大，进行数据采集；

(4)接上直流稳压电源，调节电压为接近1V；

(5)将进液管与出液管都放入顶替液桶，调节单向节流阀至流量计显示为一定值，使所述顶替液在环空流动时呈紊流状态，打开离心泵，循环顶替液，当顶替液充满有机玻璃管后立即运行64路高精度USB数据采集记录系统，直至数据稳定后暂停，该过程中数据稳定时的电压示数即为顶替液的循环电压U2；

(6)排出有机玻璃管里的顶替液至顶替液桶，并清洗干净有机玻璃管，保证没有液体、杂质等在其内部后，在同一水平地面上放置好已固定的有机玻璃管；

(7)将进液管与出液管都放入被顶替液桶，调节单向节流阀，使所述被顶替液在环空流动时呈紊流状态，打开离心泵，循环被顶替液，当被顶替液充满有机玻璃管后立即运行64路高精度USB数据采集记录系统，直至数据稳定后暂停，该过程中数据稳定时的电压示数即为被顶替液的循环电压U0；

(8)将所述进液管放入顶替液桶，出液管仍然放入被顶替液，再次调节所述单向节流阀使其流量计的示数值与循环顶替液时的流量阀值一样，使所述顶替液在环空流动时呈紊流状态，开启离心泵的同时开启64路高精度USB数据采集记录系统，当一定量的顶替液被完全泵入有机玻璃管进行充分顶替并且电压趋于稳定后暂停测量系统，并关闭离心泵，该过程中测得的实时变化的电压即为顶替液顶替过程的电压U1；

(9)放出有机玻璃管里的液体，清洗有机玻璃管，把废液倒入指定地点，做好清洁工作；

(10)利用计算机导出实验数据，然后计算每个时刻点t的顶替效率η。

在以前置液和油基泥浆作为实验介质后，获得顶替效率随时间变化的曲线图，从图中找出尤其是井造斜点处与水平段内和竖直段内的液体顶替效果在同一时刻下的实时对比效果及其变化规律，对流体间的流动、掺混、顶替机理进行研究，从而不断改进顶替液或被顶替液的性能，提高顶替效率。

需要说明的是，对于前述的各个实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、 ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (8)

1.电导率法测量页岩气水平井固井环空顶替效率的实验装置，其特征在于：包括：测量系统，水平井固定调节系统，浆体循环系统；

所述测量系统包括：数据处理设备（1）；

所述浆体循环系统包括：模拟井筒（6），所述模拟井筒的表面设置有若干探头（5），并在内部设置有套管（7），并在末端连接进液管（10）和出液管（16），所述进液管（10）上串联连接流量计（9）、离心泵（11）和单向节流阀（12），并在末端下方设置顶替液桶（14），所述出液管（16）末端下方设置被顶替液桶（13）；

所述水平井固定调节系统包括用于固定所述模拟井筒的支架（4）和设置于所述模拟井筒前端的偏心器（15）。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述套管及探头均为铜制。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述模拟井筒为透明有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述被顶替液桶中设置有刚配置好的被顶替液，顶替液桶设置有刚配置好的顶替液。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述偏心器为环形结构。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述偏心器是可卸载的，其偏心度可调并安放在所述套管的尾端。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述进液管和所述出液管管口放置在所述被顶替液桶内用于循环被顶替液。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：在顶替液顶替被顶替液的过程中，所述进液管管口放置在所述顶替液桶中，所述出液管管口放置在所述被顶替液桶中。