專利名稱：繞流測定方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及石油固井領域。具體地講是一種測定在套管環空中，特別在偏心環空中的鉆井液和水泥漿在某種泵速下能否全部流動的方法及其裝置。
背景技術：
固井是油井建設工程中的重要組成部分，固井就是在一口井的井眼和套管之間注入水泥的過程，其主要目的是封堵環形空間，達到地層之間相互隔離；固井時必須用水泥漿將環形空間中所有的鉆井液頂替出來，而注入的水泥可以阻止地層流體流動且支撐套管，一次注入水泥取得成功的必要條件之一是水泥漿把環空中的鉆井液完全頂替。但是在環空中注入水泥漿時，尤其是套管在井中與井壁構成偏心環空時，即套管中心與油井中心偏置，注入的水泥漿有可能產生繞流現象。繞流就是流體在流動過程中，后面的流體繞過前面的流體的現象。固井時，如果鉆井液和水泥漿的流變性匹配不好，或者鉆井液的頂替速度不合適，水泥漿的繞流就會造成水泥漿內形成泥漿槽道，導致水泥漿竄槽。由于鉆井液沒有膠結強度，且大多數鉆井液與水泥漿嚴重不相容。如果水泥漿中混入鉆井液，就會造成水泥強度嚴重下降，甚至使水泥不凝固。因此，如果套管環空井壁中殘留鉆井液，即在水泥漿柱中形成鉆井液槽道，環空水泥環就會失去封隔能力。
固井作業質量直接影響油井的成功與否。為了提高固井時泥漿的頂替效率，國內外許多專家設計了多種不同的實驗裝置并進行了大量的頂替機理研究，得出了許多定性的結果。
目前固井界研究水泥漿繞流的主要手段有如下幾種(1)在廢煤坑上鉆探實驗井，待水泥凝固后，在坑道上挖開水泥環，通過檢查水泥環的封固質量，分析影響頂替效率的因數。此法雖然較真實，但較耗時耗資。
(2)用完全符合井眼環空尺寸及井斜角的兩根套管環空中泵注水泥，待水泥凝固后，通過切片測量水泥漿的頂替效率，此實驗結果與井下有較好的對應性。但是，此法每次只能測量在一種泵速下的頂替效率。實驗一次就必須報廢兩根套管，并消耗許多固井材料和泥漿材料；實驗一次必須至少一天的時間等待水泥漿凝固，半天切片分析，所以仍然耗材耗時。
(3)用兩根直徑與井眼環空成比例的套管模擬井眼環空，實驗方法同(2)，但此實驗結果只能是定性結果。因為在不同間隙的環空中固井，水泥漿的流態和壓力梯度都不同，因此，繞流程度也不同，實驗結果與井下情況沒有對應性。
(4)用兩根直徑與井眼環空成比例的套管模擬井眼環空；用透明或半透明的、流變性能與水泥漿相似的相似液來模擬水泥漿固井，并在相似液中加入發光的物質；用核輻射探測儀檢測記錄不同泵速下相似液的頂替效率。此法可以動態測量相似液的繞流結果，但是，由于相似液與水泥漿有一定的差別，環空尺寸是按實際井眼尺寸縮小的，因此，其繞流實驗結果也只能是定性的東西。此外，核輻射也容易造成對人體的傷害。
因此到目前為止，固井界還沒有一臺可以模擬測定固井水泥漿繞流程度的儀器，也沒有建立一套公認的在偏心套管環空中流體流態的數學模型。

發明內容
本發明的目的在于提供一種繞流測定方法，通過動態模擬實驗，測定在套管環空中，特別在偏心環空中鉆井液和水泥漿全部流動所需的平均上返速度范圍。
本發明的另一目的在于提供一種繞流測定裝置，能夠測定在套管環空中，特別在偏心環空中鉆井液和水泥漿全部流動所需的平均上返速度范圍。
本實用新型的目的是這樣實現的，一種繞流測定方法，該測定方法是模擬一個與實際油井具有相同環空間隙的套管結構，從該套管結構下部向其內管與外管之間的環空間隙中注入被測流體，不斷改變該被測流體的流速，測定當該套管結構中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體在環空間隙中的平均上返流速范圍。
該方法的具體步驟為a選擇與井眼環空間隙相同的套管結構；b調整套管結構傾斜角和套管結構偏心度，使其與實際井況相同；c配置被測流體；d循環被測流體，從小到大分級改變泵速，記錄當該套管結構中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體在環空間隙中的平均上返流速范圍。
本發明中所述的被測流體為鉆井液或前置液或水泥漿。
在本發明中當循環的被測流體為水泥漿時，可在注入水泥漿之前先順序注入鉆井液和前置液；用水泥漿頂替鉆井液和前置液，并在循環過程中將頂替出的鉆井液、前置液與水泥漿分開。
在前述步驟b中可使套管結構繞其外管一點擺動以調整其傾斜角；可通過改變套管結構中的內管位置來調整套管結構偏心度。
在本發明中可通過速度傳感器來測定環空間隙窄邊速度大于零的狀態，該速度傳感器可設于套管結構窄邊的外管內壁或內管外壁上的流體流態穩定的位置。所述的速度傳感器可沿套管結構窄邊的軸向設有一個或一個以上，此時，需測定所有速度傳感器的速度均大于零時的被測流體的平均上返速度范圍。
本發明中所述環空間隙中被測流體的平均上返速度可通過設于套管入口端的流量計來測定，將該流量計測量出的流量值除以試驗套管環空的截面積即可獲得環空間隙的平均上返速度。
所述的流量計的數據輸出端可連接于一數據處理器，通過該數據處理器實時檢測和記錄被測流體在環空間隙中的平均流速。
該套管結構中的內管可由旋轉裝置帶動旋轉，以模擬實際井況。
在本發明中，當測定的該套管結構中窄邊被測流體速度大于零時，被測流體的流速范圍難以在實際井中應用時，則需改變注入套管結構被測流體的流變性能，即重新配置被測流體然后再進行測定，直至得到理想的被測流體流速范圍。
為實現上述繞流測定方法，而提供一種繞流測定裝置，其包括由活動套置的內管和外管構成的、環空間隙與實際油井相同的套管結構；至少在套管結構窄邊設有速度傳感器；套管底部的內外管之間的環空間隙通過一流量計與一變速泵連通，于套管結構上部與變速泵之間設有循環管路。
所述的速度傳感器設于內管外壁或外管內壁。
在本裝置中，所述套管結構外管一端樞接于一轉軸，套管結構與一調角架滑動連接，使套管結構繞其外管的樞接點擺動以調整其傾斜角。
上述速度傳感器包括在周向均布有滾齒的滾輪和設于滾輪外殼上的電磁感應器，該電磁感應器的數據輸出端連接于一數據處理器，由該數據處理器實時檢測和記錄環空間隙窄邊的速度。
在循環管路上串接有壓力表和儲液罐。
前述調角架為一座體內設置一可移動的桿件，桿件頭部設有滑塊，該滑塊與套管結構滑動連接。
為利于被測流體注入環空間隙內，所述套管底部沿套管向內設有導流片。
在實際固井時，有時內管是可以轉動的。為了有效模擬實際井況，在本裝置中，于內管端部設有旋轉裝置。
本發明通過室內動態模擬實驗，測定在套管環空中，特別在偏心環空中鉆井液和水泥漿全部流動所需的平均上返速度范圍。在實際固井前，在該速度范圍內選擇設備能力和地層壓力窗口都能滿足的最大上返速度循環鉆井液，確保循環干凈沉砂，徹底破壞鉆井液的膠凝強度，為提高固井質量創造較好的井眼環境。固井時，在該速度范圍內選擇設備能力、地層壓力窗口和施工時間均能滿足的上返速度替漿，保證水泥漿100％充填環空，防止水泥漿內出現泥漿槽道的現象。


圖1為本發明的結構原理示意圖。
圖2為本發明中平均流速與窄邊流體的流動狀況示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一種繞流測定方法，該測定方法是模擬一個與實際油井具有相同環空間隙的套管結構1，調整套管結構1傾斜角和套管結構偏心度，使其與實際井況相同，從該套管結構1下部向其內管11與外管12之間的環空間隙中注入被測流體，不斷改變該被測流體的流速，測定當該套管結構1中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體在環空間隙中的平均上返流速范圍。
本繞流測定方法是根據有關試驗的結果確定的。由于流體的密度、流變性能、上返速度、井眼和套管的幾何尺寸以及套管的偏心度等因數決定了流體的繞流程度。當水泥漿在環空中處于塞流或紊流時，水泥漿象活塞一樣驅替泥漿，不存在繞流，泥漿100％被頂替干凈。當水泥漿處于無效層流時，繞流嚴重，環空窄邊泥漿不流動，即流速為零，造成水泥漿內形成泥漿槽道。當水泥漿處于有效層流時，雖然環空水泥漿出現繞流，但是窄邊井壁上的鉆井液仍將被驅替。如圖2所示，是試驗得出的環空平均流速與窄邊邊壁流速關系曲線圖，其中A為環空平均流速曲線；B為窄邊邊壁流速曲線；a為塞流區；b為無效層流區；c有效層流區；d為紊流區；從圖中可以得知，在無效層流區窄邊邊壁的流體流速為零，即窄邊邊壁的流體不流動，此時會發生繞流現象；而在塞流區、有效層流區和紊流區窄邊邊壁的流體流速不為零，即窄邊邊壁的流體是流動的，此時不會發生繞流現象。因此在測定環空間隙中流體平均流速范圍時，只要將塞流區的最大平均流速和有效層流區的最小平均流速記錄下即可，實際固井時只要注入流體流速在大于零小于塞流區的最大平均流速和大于有效層流區的最小平均流速的范圍內，就不會發生繞流現象。
進一步通過試驗得知，流體在偏心環空中作層流流動，通常有兩種繞流形式第一，環空中遠離管壁(井壁)部分的流體總是比靠近管壁(井壁)的流體流動得快，中間的流體繞過管壁(井壁)上的流體。第二，流體趨于通過阻力最小(即寬邊)的流道流動，環空寬邊的流體的平均速度比窄邊的高。因此能夠模擬實際井的狀況并將水泥漿不發生繞流即其全部流動所需的平均上返速度范圍測定出來，即如圖2中的窄邊邊壁流速不為零時的環空間隙中流體的平均流速范圍測定出來，在固井時將水泥漿以該流速注入環空間隙中，就不會發生繞流現象，從而提高固井質量。
所以本發明的繞流測定方法，簡單的說就是通過試驗在模擬實際井況的套管結構1中，使被測流體由套管結構1下部的環空間隙注入，再由儀器測定并記錄流體不發生繞流時，注入的被測流體的流速范圍；然后將該流體用于實際油井固井，將測定的該流體的流速范圍與實際油井的環空面積相乘即可得出在實際固井時使用該流體不發生繞流的流量范圍。即以該流量范圍向實際油井中注入該流體，則在頂替過程中不會發生繞流現象。
實驗表明，要想使測定結果與井下固井的水泥漿頂替效果有較好的對應性，必須使環空流體具有相同的流態和摩阻壓降。經過大量計算發現，只有模擬條件同時滿足以下三個條件時，同一種流體在環空間隙中流動才具有相同的流態和摩阻壓降，(1)環空間隙相同，但環空截面積可以不同；(2)環空流體的平均上返速度相同，但流體排量可以不相同；(3)流體相同。如表1為冪律流體的流動規律；表2為賓漢流體的流動規律。從表中的試驗結果表明同一種流體，當環空間隙和流體上返速度相同時，環空流體具有相同的流態和摩阻壓降。
表1冪律流體的流動規律

注流體密度＝1.9g/cm3，n＝0.674，K＝0.16Pa.sn表2賓漢流體的流動規律


注流體密度＝1.6g/cm3，PV＝0.032mPa.s，YP＝5Pa.
因此為滿足上述條件，如圖1所示，本發明的繞流測定方法的具體步驟為，a選擇與井眼環空間隙相同的套管結構1；b調整套管結構傾斜角和套管結構偏心度，使其與實際井況相同；c配置被測流體；d循環被測流體，從小到大分級改變泵速，記錄當該套管結構1中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體注入環空間隙的流速范圍。在上述步驟中，步驟c可以在步驟a之前或在步驟a和步驟b之間。
在本發明中的被測流體為鉆井液或前置液或水泥漿。
為實現本繞流測定方法，本發明還公開一種繞流測定裝置，其包括由活動套置的內管11和外管12構成的、環空間隙與實際油井相同的套管結構1；至少在套管結構1窄邊設有速度傳感器2；套管底部的內外管之間的環空間隙通過一流量計5與一變速泵6連通，于套管結構1上部與變速泵6之間設有循環管路7。
在實際固井時，每個油井的情況都不一樣，即每個油井的環空間隙、偏心度、傾斜角度等都是有差別的。因此在試驗時必須模擬具體的油井井況，使其與需要固井的具體油井的井況相同。然后，在套管結構1的下部的環空間隙中注入被測流體，改變變速泵6的流速，由速度傳感器2測定窄邊管壁被測流體速度大于零的狀態；由流量計5示出套管結構1窄邊管壁被測流體速度大于零時，被測流體注入環空間隙的流量。將該流量計5測量出的流量值除以試驗套管環空的截面積即可獲得環空間隙的平均上返速度。
該流量計可與一數據處理器8電連接，由數據處理器8記錄測定的流量范圍。
在本發明中，所述的速度傳感器2可沿套管結構1窄邊的軸向設有一個或一個以上，速度傳感器2設于內管11外壁或外管12內壁；也可在寬邊設置一個或多個速度傳感器以監測寬邊的流體流速，其裝設位置應在流體流態較穩定處，此位置可以通過試驗確定。
所述速度傳感器2包括在周向均布有滾齒的滾輪和設于滾輪外殼上的電磁感應器，該電磁感應器的數據輸出端連接于數據處理器8，由該數據處理器8實時檢測和記錄環空間隙窄邊的速度。
本發明所述套管結構1外管12一端樞接于一轉軸3，套管結構1與一調角架4滑動連接，使套管結構1繞其外管12的樞接點擺動以調整其傾斜角。通過改變內管11在外管12中的位置來調整套管結構1的偏心度；通過移動調角架4使套管結構1繞其外管12一端的轉軸3擺動來調整套管結構1的傾斜度，使其與需要固井的具體油井的井況相同。
本發明的繞流測定裝置，在管路7上還設有壓力表71和儲液罐72，壓力表71與數據處理器8電連接以記錄流體壓力。當循環的被測流體為水泥漿時，應在注入水泥漿之前先順序注入鉆井液和前置液；并分別設置三個儲液罐72，以在循環過程中將三種被測流體分開，以避免用混漿作循環試驗。
進一步，在本發明中，所述調角架4為一座體內設置一可移動的桿件41，桿件頭部設有滑塊42，該滑塊42與套管結構1滑動連接。
本裝置的套管底部沿套管向內設有導流片13，以利于被測流體注入環空間隙內。
在實際固井時，有時內管是可以轉動的。為了有效模擬實際井況，在本裝置中，于內管端部設有旋轉裝置9，可在需要時帶動內管轉動以模擬實際油井，使測定結構更準確。
在本發明中試驗測定的該套管結構1中窄邊被測流體速度大于零時，被測流體的流速范圍，有時可能因為種種原因難以在實際井中使用，比如實際設備能力、地層窗口無法滿足該速度范圍；此時則需要改變注入套管結構1被測流體的流變性能，即重新配置被測流體然后再進行測定，直至得到滿足實際井況的被測流體流速范圍。
權利要求
1.一種繞流測定方法，其特征在于該測定方法是模擬一個與實際油井具有相同環空間隙的套管結構，從該套管結構下部向其內管與外管之間的環空間隙中注入被測流體，不斷改變該被測流體的流速，測定當該套管結構中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體在環空間隙中的平均上返流速范圍。
2.如權利要求1所述的繞流測定方法，其特征在于該方法的具體步驟為a 選擇與井眼環空間隙相同的套管結構；b 調整套管結構傾斜角和套管結構偏心度，使其與實際井況相同；c 配置被測流體；d 循環被測流體，從小到大分級改變泵速，記錄當該套管結構中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體在環空間隙中的平均上返流速范圍。
3.如權利要求1或2所述的繞流測定方法，其特征在于所述的被測流體為鉆井液或前置液或水泥漿。
4.如權利要求3所述的繞流測定方法，其特征在于當循環的被測流體為水泥漿時，可在注入水泥漿之前先順序注入鉆井液和前置液；用水泥漿頂替鉆井液和前置液，并在循環過程中將頂替出的鉆井液、前置液與水泥漿分開。
5.如權利要求2所述的繞流測定方法，其特征在于可通過速度傳感器來測定環空間隙窄邊速度大于零的狀態，該速度傳感器可設于套管結構窄邊的外管內壁或內管外壁上的流體流態穩定的位置。
6.如權利要求5所述的繞流測定方法，其特征在于所述的速度傳感器可沿套管結構窄邊的軸向設有一個或一個以上，此時，需測定所有速度傳感器的速度均大于零時的被測流體的平均上返速度范圍。
7.如權利要求1所述的繞流測定方法，其特征在于所述環空間隙中被測流體的平均上返速度可通過設于套管入口端的流量計來測定，將該流量計測量出的流量值除以試驗套管環空的截面積即可獲得環空間隙的平均上返速度。
8.如權利要求6所述的繞流測定方法，其特征在于所述的流量計的數據輸出端可連接于一數據處理器，通過該數據處理器實時檢測和記錄被測流體在環空間隙中的平均流速。
9.如權利要求1所述的繞流測定方法，其特征在于該套管結構中的內管可由旋轉裝置帶動旋轉，以模擬實際井況。
10.如權利要求1所述的繞流測定方法，其特征在于當測定的該套管結構中窄邊被測流體速度大于零時，被測流體的流速范圍難以在實際井中應用時，則需改變注入套管結構被測流體的流變性能，即重新配置被測流體然后再進行測定，直至得到理想的被測流體流速范圍。
11.一種繞流測定裝置，其特征在于其包括由活動套置的內管和外管構成的、環空間隙與實際油井相同的套管結構；至少在套管結構窄邊設有速度傳感器；套管底部的內外管之間的環空間隙通過一流量計與一變速泵連通，于套管結構上部與變速泵之間設有循環管路。
12.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于所述的速度傳感器設于內管外壁或外管內壁。
13.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于所述套管結構外管一端樞接于一轉軸，套管結構與一調角架滑動連接，使套管結構繞其外管的樞接點擺動以調整其傾斜角。
14.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于所述速度傳感器包括在周向均布有滾齒的滾輪和設于滾輪外殼上的電磁感應器，該電磁感應器的數據輸出端連接于一數據處理器，由該數據處理器實時檢測和記錄環空間隙窄邊的速度。
15.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于于循環管路上串接有壓力表和儲液罐。
16.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于所述調角架為一座體內設置一可移動的桿件，桿件頭部設有滑塊，該滑塊與套管結構滑動連接。
17.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于套管底部沿套管向內設有導流片。
18.如權利要求11所述的繞流測定裝置，其特征在于所述內管端部設有旋轉裝置。
全文摘要
本發明涉及一種繞流測定方法及裝置。其主要是模擬一個與實際油井具有相同環空間隙的套管結構，從該套管結構下部向其內管與外管之間的環空間隙中注入被測流體，不斷改變該被測流體的流速，測定當該套管結構中窄邊管壁的被測流體速度大于零時，該被測流體在環空間隙中的平均上返流速范圍。在實際固井前，在該速度范圍內選擇設備能力和地層壓力窗口都能滿足的最大上返速度循環鉆井液，確保循環干凈沉砂，徹底破壞鉆井液的膠凝強度，為提高固井質量創造較好的井眼環境。固井時，在該速度范圍內選擇設備能力、地層壓力窗口和施工時間均能滿足的上返速度替漿，保證水泥漿100％充填環空，防止水泥漿內出現泥漿槽道的現象。
文檔編號G01M10/00GK1570583SQ03150290
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月23日 優先權日2003年7月23日
發明者羅宇維, 何全凱 申請人:中海油田服務股份有限公司