朱 亮，徐璧華，譚元銘，馮青豪

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

水平井注水泥頂替效率模擬方法研究

朱 亮*，徐璧華，譚元銘，馮青豪

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

水平井注水泥頂替效率的高低直接影響水平井的固井質(zhì)量，所以研究水平井頂替技術(shù)成為了提高水平井固井質(zhì)量的重要方向。分析以往模擬試驗研究及方法存在的局限性，提出了一種利用水平井固井頂替效率模擬裝置結(jié)合PIV技術(shù)研究水平井固井頂替效率的方法，該方法對頂替流場無干擾，可實時測量流體在環(huán)空中的頂替過程，可完成不同偏心度、流體流變性能、流速和密度差下的水平環(huán)空模擬頂替。并利用該方法進行了頂替效率模擬實驗，對寬窄間隙的頂替時間及頂替效率做了對比分析。

PIV；水平井；固井；頂替效率

在油田現(xiàn)場，水平井固井在技術(shù)和施工上都有很多的難點[1]。為提高水平井固井質(zhì)量，研究水平井注水泥頂替技術(shù)成為了重中之重。而兩相液體的頂替是一個非常復(fù)雜的問題，理論分析的結(jié)果未必完全符合井下實際情況和施工要求[2]，并且以往模擬實驗研究中對水平環(huán)空內(nèi)兩相流體頂替的試驗方法存在一定局限性：候凝測量方法，其試驗花費大，且不能連續(xù)分析頂替過程的規(guī)律變化；輻射測量法，試驗中存在核輻射的危險性；環(huán)空流體頂替模擬評價儀只能模擬非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)小間隙固井。因此，研制了水平井注水泥頂替效率室內(nèi)模擬試驗裝置，引入PIV技術(shù)來對環(huán)空內(nèi)流場進行測試分析，在此基礎(chǔ)上建立了一種新的水平井注水泥頂替效率室內(nèi)評價方法。該方法對環(huán)空內(nèi)流場的流動不具有干擾[3]，不僅可以定量地完成兩相液體頂替流場的動態(tài)測試，并且通過對頂替圖像的分析可得到環(huán)空剖面的頂替效率，進而對水平井注水泥頂替機理的研究以及對現(xiàn)場施工的指導(dǎo)方面具有重要意義。

1 水平井固井頂替效率模擬裝置與模擬方法

1.1 水平井固井頂替效率模擬裝置

頂替效率模擬裝置用于開展水泥漿（或泥漿）相似液井筒/環(huán)空流動試驗、水泥漿相似液頂替試驗，通過PIV測量系統(tǒng)采集實時圖像，分析相似液在井筒/環(huán)空管道內(nèi)流動及頂替流場分布情況，為注水泥施工參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

整個模擬裝置由6大功能部分組成：配漿系統(tǒng)、循環(huán)頂替系統(tǒng)、臺架系統(tǒng)、井筒與測量系統(tǒng)、動力柜和PIV系統(tǒng)[4]。見圖1。

圖1 頂替效率實驗裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

（1）配漿系統(tǒng)。配漿系統(tǒng)由配漿池、螺桿泵、離心泵和攪拌器組成。用于配置實驗用的頂替液與被頂替液。

（2）循環(huán)頂替系統(tǒng)。循環(huán)頂替系統(tǒng)由配漿罐、管線、泵、井筒系統(tǒng)組成。該部分能夠?qū)崿F(xiàn)兩大功能：一是頂替前的被頂替液的注入與循環(huán)。二是進行連續(xù)的頂替過程，即將頂替液按要求的排量或速度連續(xù)的注入到環(huán)空中，頂替后要將返出的頂替液回收至循環(huán)池中，以保證可以連續(xù)頂替沖洗模擬井筒到要求的接觸時間。

（3）臺架系統(tǒng)。臺架系統(tǒng)由井筒固定架、井筒固定卡瓦、井斜角調(diào)整裝置、臺架基礎(chǔ)裝置和撬裝平臺構(gòu)成。主要用于安裝與支撐井筒系統(tǒng)，同時利用電機調(diào)節(jié)井筒系統(tǒng)的角度，其井筒可以從水平到垂直自由調(diào)節(jié)。

（4）井筒與測量系統(tǒng)。井筒由模擬井筒段和測量段組成，用于模擬井眼與套管之間的環(huán)空流道。

測量段是由一段透明有機玻璃井筒外加一個透明有機玻璃方盒組成，透明有機玻璃井筒用來模擬井眼，內(nèi)加一根不透明的內(nèi)管就可以用來模擬現(xiàn)場中井眼與套管組成的環(huán)空。有機玻璃方盒內(nèi)裝有實驗用的流體，進行光路補償，用來減少圓形管壁處的凸鏡效應(yīng)。

（5）動力柜。動力柜用來控制配漿系統(tǒng)中的攪拌電機和循環(huán)泵的啟動和停止，井筒井斜角調(diào)節(jié)裝置的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以及螺桿泵的頻率調(diào)節(jié)和開關(guān)。

（6）PIV系統(tǒng)。PIV系統(tǒng)由3部分組成，包括示蹤粒子、光學(xué)系統(tǒng)和圖像采集處理系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括雙脈沖激光器系統(tǒng)及其配套的冷卻系統(tǒng)、片光光學(xué)元件。圖像采集處理系統(tǒng)包括CCD高速相機和圖像處理軟件。

1.2 模擬試驗方案的確定

（1）試驗流體。若直接采用水泥漿和沖洗液進行模擬試驗最能反映真實情況，但PIV系統(tǒng)要求所測液體為透明液體，因此使用聚丙烯酰胺（HPAM）水溶液作為水泥漿相似液，使用隔離液作為被頂替相似液。

（2）試驗參數(shù)。影響水平井注水泥頂替效率的因素眾多，通過綜合分析突出其中最主要的影響因素作為試驗?zāi)M參數(shù)，在注水泥頂替效率模擬裝置中設(shè)計的模擬變量有：環(huán)空中套管的偏心度；環(huán)空流速或者頂替流態(tài)；鉆井液、水泥漿和前置液的性能。將這幾個參數(shù)組合起來進行試驗。

（3）試驗原理。PIV技術(shù)是一種非接觸的瞬態(tài)流場測量技術(shù)，其基本原理是在流場中散播一些適當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ樱妹}沖激光片光(Light sheet)照射所測流場的切面區(qū)域，通過成像記錄系統(tǒng)攝取兩次曝光的粒子圖像，形成PIV實驗圖像，對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得流動的動態(tài)特征[5-6]。

該模擬方法是利用PIV技術(shù)連續(xù)攝取頂替圖像。首先，將拍攝到的頂替圖像作出計算區(qū)域，將環(huán)空以外的區(qū)域剪切掉。其次，將圖像處理成灰度直方圖（Image Histogram），如圖2所示?；叶戎狈綀D對原始圖像的每個像素點進行灰度統(tǒng)計，橫軸為灰度值（Grayscale values），縱軸為該灰度值下的像素點數(shù)（Count）[8]。

圖2 灰度直方圖

圖2為原始圖像中一小塊區(qū)域的灰度直方圖，由圖2我們可以得到該圖像的灰度均方根（Grayscale RMS，以下簡稱為G-RMS），原始圖像中熒光粒子越多，灰度均方根值越大。

Image RMS是對多幅圖片像素的灰度均方根計算，從而得到多幅圖像的灰度均方根平均值。頂替完成后圖像的G-RMS值通過對頂替完成后10幅圖像的Image RMS（均方根計算）分析得到。

將頂替過程中不同時刻原始圖像的G-RMS值與頂替完成后圖像的G-RMS值做比較就可以得出該時刻的頂替效率。

頂替效率計算公式：

式中：η——頂替效率，無因次；

G-RMSi——頂替過程中不同時刻原始圖像的G-RMS值；

G-RMS∞——頂替完成后圖像的G-RMS值；

G-RMSo——頂替開始時圖像的G-RMS值。

2 頂替效率試驗分析

2.1 實驗基本條件

被頂替液：非透明隔離液；頂替液：聚丙烯酰胺水溶液，流性指數(shù)n=0.9、n=0.7、n=0.5，頂替液與被頂替液無密度差；頂替流速：1.26m/s、1.08m/s、0.42m/s；示蹤粒子：熒光微球（密度：1.05g/cm3，粒徑：51.7μm），示蹤粒子加入到頂替液中；環(huán)空外管內(nèi)徑：77mm；環(huán)空內(nèi)管外徑：45mm；內(nèi)管偏心度：37.5%。

2.2 實驗結(jié)果及分析

（1）頂替實驗說明。頂替液未到達時，環(huán)空內(nèi)全部為非透明被頂替液，被頂替液中沒有示蹤粒子，頂替到達前圖像沒有發(fā)光粒子。頂替繼續(xù)，透明頂替液逐漸增多，環(huán)空中示蹤粒子逐漸增多，發(fā)光粒子增多，當(dāng)頂替圖像中示蹤粒子最多且G-RMS值趨于穩(wěn)定時頂替結(jié)束。窄間隙頂替過程與寬間隙基本一致。

（2）寬窄間隙頂替時間比較。將頂替流速分別為1.26m/s、0.84m/s和0.42m/s時，寬、窄間隙處的頂替時間做對比，可得表1。

表1 n=0.9不同頂替流速下寬窄間隙頂替時間

由表1可知，窄間隙的頂替液到達時間比寬間隙晚，說明在水平偏心環(huán)空中窄間隙的頂替速率低，因此在偏心環(huán)空中易造成寬窄間隙頂替的不均勻。隨著頂替流速的提高，窄寬間隙頂替用時比值逐漸減小，說明適當(dāng)提高流速可以降低偏心環(huán)空中寬窄間隙頂替的不均勻程度。

表2 e=0.375,n=0.9,v=1.26m/s寬窄間隙頂替效率

圖3 e=0.375,n=0.9,v=1.26m/s時寬窄間隙頂替效率

（3）寬窄間隙頂替效率對比分析。由表2和圖3可知，在頂替剛開始時，由于泵的排量沒有達到預(yù)定值，頂替效率上升比較緩慢，當(dāng)泵的排量達到預(yù)定值后，寬窄間隙的頂替效率加快增長。在水平偏心環(huán)空中，基本上任一時刻寬間隙的頂替效率比窄間隙大。

3 結(jié)論

（1）提出了一種利用水平井固井頂替效率模擬裝置結(jié)合PIV技術(shù)研究水平井固井頂替效率的方法，該方法對頂替流場無干擾，可實時測量流體在環(huán)空中的頂替過程，通過分析可得到頂替全過程的頂替效率。

（2）該方法可研究偏心度、環(huán)空流速、流體流變性能、密度差等因素對頂替效率的影響。

（3）頂替模擬裝置提供了一種新的研究頂替效率的手段，一定程度上貼合現(xiàn)場的實際，具有實用價值。要評價偏心度、環(huán)空流速、流體流變性能、密度差等因素對頂替效率的影響還需利用該裝置做進一步的深入研究。

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TE243

A

1004-5716(2015)11-0032-04

2014-11-11

2014-11-25

國家科技重大專項：課題“低滲氣藏水平井固井長效封固關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號2011ZX05022-006-005HZ）部分研究成果。

朱亮（1989-），男（漢族），陜西榆林人，西南石油大學(xué)在讀研究生，研究方向：油氣井固井。