绕流测定装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种绕流测定装置。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。通过本实用新型专利技术进行室内动态模拟实验，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。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及石油固井领域。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装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术的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。本技术的目的是这样实现的，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。通过本技术进行室内动态模拟实验，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为本技术的结构原理示意图。图2为本技术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。本技术能够模拟一个与实际油井具有相同环空间隙的套管结构1，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，并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。通过本技术进行室内动态模拟实验，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。本绕流测定装置的工作原理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(即本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗宇维，何全凯，
申请(专利权)人：中海油田服务股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]