模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置及实验方法与流程

本发明涉及油气井固井技术领域，尤其涉及一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置及实验方法。

背景技术：

油气井钻井过程中，在压力差的作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的孔隙或缝隙中渗透的现象，称为钻井液的滤失作用。随着钻井液在井壁的滤失，自由水进入地层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成泥饼。

固井是向井内下入套管，并向井眼和套管之间的第一环形空间注入水泥的施工作业。由于固井是在套管和井壁的第一环形空间内注入水泥，所以在钻井过程中钻井液的固相颗粒在井壁上形成的泥饼会夹杂在水泥浆和地层之间，从而对固井二界面的胶结质量造成影响。

为了提高固井界面胶结质量，延长油气井生产寿命，需要在固井注水泥之前向井壁和套管之间的第一环形空间内注入一段液体对井壁和套管进行清洗，称之为前置液。经过多年的研究，国内外已经在前置液方面取得了长足的进步，但是针对前置液的冲洗效果，目前国内外尚无科学统一的作法和标准，这也成为了阻碍固井前置液技术进步的一个主要因素。

中国发明专利申请CN104675345A公开了《一种固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置及方法》。该固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置包括支架、承托盘、人造岩心、岩心夹持器、变速电机、质量传感器、计算机采集终端，所述支架上有高度调节夹具，所述承托盘上放置盛装固井前置液的浆杯，所述高度调节夹具依次连接质量传感器、变速电机和岩心夹持器，所述岩心夹持器通过紧固螺钉固定人造岩心，所述变速电机连有电机转速调节器，所述质量传感器与计算机采集终端相连。该固井前置液冲洗效率工程模拟量化评价装置虽然能够对人造岩心上的泥饼进行冲洗，但是该装置是将人造岩心位于固井前置液中，通过转动人造岩心从而进行冲洗，而在实际的固井作业中，井壁上的泥饼是在固井前置液注入井壁和套管之间的第一环形空间内，并通过套管排出的过程中进行冲洗，且套管在油井的井眼中通常具有一定的偏心度，所以固井前置液对井壁上不同区域的泥饼具有不同的冲洗效果，而该装置的固井前置液对人造岩心上不同区域的泥饼具有相同的冲洗效果，所以该装置没有真实模拟实际泥饼冲洗的过程，从而影响了冲洗结果的真实性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能真实模拟实际泥饼冲洗的过程的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置及实验方法。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置，所述模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置用于模拟固井前置液对目标井筒壁上的泥饼的冲洗，其包括：中空的本体，其具有相被背对的顶端和底端，其中所述底端为封堵端，所述本体上设置有第一开口和第二开口；通过所述第一开口穿设在所述本体内且能沿所述本体的径向移动的模拟井筒；所述模拟井筒内设置有贯通孔；所述模拟井筒的外壁上能布置所述泥饼；所述模拟井筒与所述本体之间形成有第二环形空间；当所述固井前置液从所述贯通孔流入所述第二环形空间并从所述第二开口流出时，所述固井前置液能对所述泥饼进行冲洗；或者当所述固井前置液从所述第二开口流入所述第二环形空间并从所述贯通孔流出时，所述固井前置液能对所述泥饼进行冲洗。

作为一种优选的实施方式，所述本体包括具有所述底端的筒体和具有所述顶端的盖体，所述模拟井筒与所述盖体相固定，所述盖体能相对于所述筒体沿所述本体的径向移动。

作为一种优选的实施方式，其包括：设置于所述盖体外壁上的凸起，所述凸起上设置有沿径向延伸的贯通槽；可移动地设置于所述贯通槽内的固定件，当所述盖体相对于所述筒体沿所述本体的径向移动后，所述固定件能固定所述筒体与所述盖体。

作为一种优选的实施方式，所述第二开口的高度高于所述泥饼的最高点。

作为一种优选的实施方式，所述本体上设置有第一阀门和第二阀门，所述第一阀门能控制所述第一开口的开闭，所述第二阀门能控制所述第二开口的开闭。

作为一种优选的实施方式，所述模拟井筒包括内管和设置在所述内管上的模拟岩层，所述模拟岩层具有预定的孔隙度，所述预定的孔隙度与所述目标井筒的岩层的孔隙度相同。

作为一种优选的实施方式，所述模拟井筒包括与所述内管可拆卸地连接的连接件，所述连接件穿设于所述第一开口中，所述内管内设置有所述贯通孔，所述连接件内设置有与所述贯通孔相连通的连接通道。

作为一种优选的实施方式，其包括：胶结装置和测试装置；所述胶结装置包括柱体和设置于所述柱体内的水泥，所述水泥用于当所述泥饼被冲洗后，与所述模拟井筒的外壁相胶结，以形成水泥环；所述测试装置能获取所述模拟井筒脱离所述水泥环的作用力。

利用上述的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的实验方法，其包括：向所述模拟井筒的模拟岩层输入液态水，直至所述模拟井筒的含水量不再变化为止；获取所述模拟井筒的第一质量；在所述模拟井筒的外壁上布置所述泥饼；获取所述模拟井筒的第二质量；对所述模拟井筒上的泥饼进行冲洗；获取所述模拟井筒的第三质量；按照预定的规则，根据所述第一质量、所述第二质量和所述第三质量计算所述冲洗效率。

作为一种优选的实施方式，所述预定规则为冲洗效率其中，m₁为第一质量；m₂为第二质量；m₃为第三质量。

本发明提供的一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的有益效果是：本发明设置能沿本体的径向移动的模拟井筒，从而可以通过径向移动模拟井筒，以达到真实模拟油井中套管在井眼中的偏心度，该模拟井筒内设置有贯通孔，当固井前置液从贯通孔流入第二环形空间并从第二开口流出时，固井前置液能对泥饼进行冲洗；或者当固井前置液从第二开口流入第二环形空间并从贯通孔流出时，固井前置液能对所述泥饼进行冲洗，从而能真实再现实际泥饼冲洗的过程。本发明通过真实模拟实际泥饼冲洗过程中套管存在偏心度的情况和真实再现实际泥饼冲洗的过程，实现了提供一种能真实模拟实际泥饼冲洗的过程的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明一个实施方式提供的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的结构示意图；

图2本发明一个实施方式提供的布置泥饼的实验装置的结构示意图；

图3本发明一个实施方式提供的胶结装置的结构示意图；

图4本发明一个实施方式提供的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1。本发明提供一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置，所述模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置用于模拟固井前置液对目标井筒壁上的泥饼的冲洗，其包括：中空的本体11，其具有相被背对的顶端13和底端15，其中所述底端15为封堵端，所述本体11上设置有第一开口19和第二开口21；通过所述第一开口19穿设在所述本体11内且能沿所述本体11的径向移动的模拟井筒39；所述模拟井筒39内设置有贯通孔43；所述模拟井筒39的外壁上能布置所述泥饼；所述模拟井筒39与所述本体11之间形成有第二环形空间17；当所述固井前置液从所述贯通孔43流入所述第二环形空间17并从所述第二开口21流出时，所述固井前置液能对所述泥饼进行冲洗；或者当所述固井前置液从所述第二开口21流入所述第二环形空间17并从所述贯通孔43流出时，所述固井前置液能对所述泥饼进行冲洗。

本发明提供的一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置设置能沿本体11的径向移动的模拟井筒39，从而可以通过径向移动模拟井筒39，以达到真实模拟油井中套管在井眼中的偏心度，该模拟井筒39内设置有贯通孔43，当固井前置液从贯通孔43流入第二环形空间17并从第二开口21流出时，固井前置液能对泥饼进行冲洗；或者当固井前置液从第二开口21流入第二环形空间17并从贯通孔43流出时，固井前置液能对泥饼进行冲洗，从而能真实再现实际泥饼冲洗的过程。本发明通过真实模拟实际泥饼冲洗过程中套管存在偏心度的情况和真实再现实际泥饼冲洗的过程，实现了提供一种能真实模拟实际泥饼冲洗的过程的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的目的。

如图1所示，在本实施方式中，本发明提供的一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置用于模拟固井前置液对目标井筒壁上的泥饼的冲洗，以能真实模拟实际泥饼冲洗的过程。该目标井筒指需要模拟的实际油井的井筒。该模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置包括：中空的本体11。该本体11用于冲洗泥饼。该本体11具有相被背对的顶端13和底端15，其中底端15为封堵端，该本体上设置有第一开口19和第二开口21。

在本实施方式中，该本体11内设置有通过第一开口19穿设于其中的模拟井筒39。该模拟井筒39用于模拟实际油井的井壁，从而能在本体11内对该模拟井筒39上的泥饼进行冲洗。该模拟井筒39能沿本体11的径向移动，从而可以通过径向移动模拟井筒39，以达到真实模拟油井中套管在井眼中的偏心度。该模拟井筒39内设置有贯通孔43，该贯通孔43可以使固井前置液流通。

在本实施方式中，该模拟井筒39与本体11之间形成有第二环形空间17。该模拟井筒39的外壁上能布置泥饼；当固井前置液从贯通孔43流入第二环形空间17并从第二开口21流出时，固井前置液能对泥饼进行冲洗；或者当固井前置液从第二开口21流入第二环形空间17并从贯通孔43流出时，固井前置液能对泥饼进行冲洗，从而能真实再现实际泥饼冲洗的过程。本发明通过真实模拟实际泥饼冲洗过程中套管存在偏心度的情况和真实再现实际泥饼冲洗的过程，实现了提供一种能真实模拟实际泥饼冲洗的过程的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的目的。

如图2所示，在本实施方式中，本发明提供了一种在该模拟井筒39的外壁上布置泥饼的实验装置，其包括：壳体53；该壳体53用于收容模拟井筒39，以在模拟井筒39的外壁上布置泥饼。该模拟井筒39设置于该壳体53内，模拟井筒39的外壁与壳体53的内壁之间形成有第三环形空间59；该第三环形空间59能注入钻井液。该模拟井筒39包括具有孔隙的模拟岩层41，该孔隙连通第三环形空间59和贯通孔43，当钻井液从第三环形空间59流入贯通孔43时，钻井液能在模拟岩层41的外壁上形成泥饼。

在本实施方式中，该模拟井筒39包括相背对的第一端面47和第二端面49，第一端面47和第二端面49均与壳体53的内壁相接合，从而该第三环形空间59内的钻井液不能从模拟井筒39的端面通过，从而保证了泥饼只能布置在模拟井筒39的外壁上。具体地，该壳体53内设置有能与第一端面47相配合的堵塞部51，该第一端面47与该堵塞部51之间设置有垫片，该第二端面49与壳体53的内壁间设置有垫片。

在本实施方式中，模拟井筒39的中心线与壳体53的中心线共线，从而泥饼能均匀布置在该模拟井筒39的外壁上。

在本实施方式中，壳体53上设置有与贯通孔43相连通的第一开孔55，壳体53上设置与第三环形空间59相连通的第二开孔57，第二开孔57用于当第三环形空间59内有钻井液时，对钻井液进行加压，以使钻井液从第三环形空间59流入贯通孔43内，从而在模拟井筒39的外壁上形成泥饼。

在一个实施方式中，本体11包括具有底端15的筒体23和具有顶端13的盖体25，模拟井筒39与盖体25相固定，盖体25能相对于筒体23沿本体11的径向移动。

在本实施方式中，当该盖体25相对于筒体23沿本体11的径向移动，与该盖体25相连接的模拟井筒39也能相对于筒体23沿本体11的径向移动，从而能调整模拟井筒39在本体11中的偏心度，以模拟油井中套管在井眼中的偏心度。

在一个实施方式中，本体11包括具有底端15的筒体23和具有顶端13的盖体25，模拟井筒39与盖体25相固定，盖体25能相对于筒体23沿本体11的径向移动。

在一个实施方式中，本体11的顶端设置有限位装置，该模拟井筒39固定连接于该限位装置上。该限位装置包括沿本体径向延伸的多个限位部，该多个限位部用于使模拟井筒39沿本体11的径向移动，从而能调整模拟井筒39在本体11中的偏心度，以模拟油井中套管在井眼中的偏心度。该多个限位部可以为螺纹孔，该螺纹孔能与该模拟井筒上固定的螺钉螺纹连接。

在本实施方式中，本发明提供的一种在该模拟井筒39的外壁上布置泥饼的实验装置包括：设置于盖体25外壁上的凸起31，凸起31上设置有沿径向延伸的贯通槽；可移动地设置于贯通槽内的固定件33，当盖体25相对于筒体23沿本体11的径向移动后，固定件33能固定筒体23与盖体25。

在一个实施方式中，该固定件33可以是螺栓，该螺栓能沿径向延伸的贯通槽移动，当盖体25相对于筒体23沿本体11的径向移动后，该筒体23与盖体25能通过螺栓固定。

如图1所示，在一个实施方式中，第二开口21的高度高于泥饼的最高点。

在本实施方式中，该泥饼的最高点指模拟井筒39外壁上面位置最高的泥饼，第二开口21的高度高于泥饼的最高点，可以保证当固井前置液从贯通孔43流入第二环形空间17并从第二开口21流出时，该固井前置液能充满第二环形空间中，以使模拟井筒39外壁上的泥饼均能得到冲洗。

在一个实施方式中，本体11上设置有第一阀门27和第二阀门29，第一阀门27能控制第一开口19的开闭，第二阀门29能控制第二开口21的开闭。

在本实施方式中，当需要对本体11内模拟井筒39上的泥饼进行冲洗时，可以打开该第一阀门27和第二阀门29，以打开第一开口19和第二开口21；当冲洗完毕时，可以关闭该第一阀门27和第二阀门29，以关闭第一开口19和第二开口21。

在一个实施方式中，模拟井筒39包括内管45和设置在内管45上的模拟岩层41，模拟岩层41具有预定的孔隙度，该预定的孔隙度与目标井筒的岩层的孔隙度相同。

在本实施方式中，该模拟岩层41的孔隙度与目标井筒的岩层的孔隙度相同，从而该模拟岩层41能真实模拟井筒39中的岩层，以使当钻井液从模拟岩层41的孔隙流过在模拟岩层41的外壁上所形成的泥饼与井筒中所形成的泥饼相同。

在一个实施方式中，模拟井筒39包括与内管45可拆卸连接的连接件35，连接件35穿设于第一开口19中，内管45内设置有贯通孔43，该连接件35内设置有与贯通孔43相连通的连接通道37。

在本实施方式中，连接件35穿设于第一开口19内，可以是螺钉固定、螺栓固定、焊接固定。该内管45内设置有贯通孔43，该内管45与连接件35可拆卸地连接，从而该模拟井筒39能与本体11可拆卸地连接。该可拆卸连接可以为螺纹连接。该连接件35内设置有与贯通孔43相连通的连接通道37；从而可以通过该连接通道37向贯通孔43内注入固井前置液。该内管45的侧壁上布置有与贯通孔43相连通的孔眼，从而钻井液能通过该孔眼进入贯通孔43内，以在模拟井筒39的外壁上制作泥饼。

如图3所示，在一个实施方式中，本发明提供的一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置包括：胶结装置和测试装置；胶结装置包括柱体61和设置于柱体61内的水泥63，水泥63用于当泥饼被冲洗后，与模拟井筒39布置泥饼的壁相胶结，以形成水泥环；测试装置能获取模拟井筒39脱离水泥环的作用力。

在本实施方式中，该水泥63用于当泥饼被冲洗后，与模拟井筒39布置泥饼的壁相胶结，以形成水泥环，可以实现模拟固井的实际情况。该测试装置能获取模拟井筒39脱离水泥环的作用力，可以根据将该作用力和模拟井筒39与水泥环的接触面积计算得出胶结强度，而该胶结强度的大小能表征固井水泥63浆与地层岩石的胶结情况，所以该胶结强度能用于作为实际固井的依据。

如图4所示，在本实施方式中，本发明提供了一种利用上述的模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置的实验方法，其包括：

S1：向模拟井筒39的模拟岩层41内输入液态水，直至模拟井筒39的含水量不再变化为止，获取模拟井筒39的第一质量。

在本实施方式中，向模拟井筒39内输入液态水可以是将模拟井筒39浸泡于井筒内的水样中一段时间，以使水样能进入模拟井筒39的孔隙中。该预处理该一段时间是指使得水样能充分进入模拟岩层41的孔隙中的时间。该模拟井筒39的含水不再变化是指，进入该模拟井筒39孔隙中的水和从该模拟井筒39孔隙中流出的水相等。获取模拟井筒39的第一质量，可以将模拟井筒39放置在电子秤上进行称量。该第一质量包括模拟井筒39的质量和模拟井筒39孔隙中水的质量。该第一质量为m₁。

S2：在模拟井筒39的壁上布置泥饼；获取模拟井筒39的第二质量。

在本实施方式中，在模拟井筒39的壁上布置泥饼，可以通过本发明提供的一种在该模拟井筒39的外壁上布置泥饼的实验装置进行布置，也可以通过高温高压失水仪进行布置。获取模拟井筒39的第二质量，可以将模拟井筒39放置在电子秤上进行称量。该第二质量包括模拟井筒39的质量、模拟井筒39孔隙中水的质量和制作的泥饼的质量。该第二质量为m₂。

S3：对模拟井筒39上的泥饼进行冲洗；获取模拟井筒39的第三质量；

在本实施方式中，对模拟井筒39上的泥饼进行冲洗，可以通过本发明提供的一种模拟固井前置液冲洗泥饼的实验装置进行冲洗。获取模拟井筒39的第三质量，可以将模拟井筒39放置在电子秤上进行称量。该第三质量包括模拟井筒39的质量、模拟井筒39孔隙中水的质量和冲洗后剩余的泥饼的质量。该第三质量为m₃。

S4：按照预定的规则，根据第一质量、第二质量和第三质量计算冲洗效率。

在本实施方式中，该预定的规则指冲洗效率

其中，m₁为第一质量；m₂为第二质量；m₃为第三质量。

该冲洗效率用于表征冲洗效果，从而能用于指导实际固井前对井筒壁上泥饼的冲洗。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。