水平井注水泥顶替效率模拟方法研究

朱 亮，徐璧华，谭元铭，冯青豪

（西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500）

水平井注水泥顶替效率模拟方法研究

朱 亮*，徐璧华，谭元铭，冯青豪

（西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500）

水平井注水泥顶替效率的高低直接影响水平井的固井质量，所以研究水平井顶替技术成为了提高水平井固井质量的重要方向。分析以往模拟试验研究及方法存在的局限性，提出了一种利用水平井固井顶替效率模拟装置结合PIV技术研究水平井固井顶替效率的方法，该方法对顶替流场无干扰，可实时测量流体在环空中的顶替过程，可完成不同偏心度、流体流变性能、流速和密度差下的水平环空模拟顶替。并利用该方法进行了顶替效率模拟实验，对宽窄间隙的顶替时间及顶替效率做了对比分析。

PIV；水平井；固井；顶替效率

在油田现场，水平井固井在技术和施工上都有很多的难点[1]。为提高水平井固井质量，研究水平井注水泥顶替技术成为了重中之重。而两相液体的顶替是一个非常复杂的问题，理论分析的结果未必完全符合井下实际情况和施工要求[2]，并且以往模拟实验研究中对水平环空内两相流体顶替的试验方法存在一定局限性：候凝测量方法，其试验花费大，且不能连续分析顶替过程的规律变化；辐射测量法，试验中存在核辐射的危险性；环空流体顶替模拟评价仪只能模拟非常规井身结构小间隙固井。因此，研制了水平井注水泥顶替效率室内模拟试验装置，引入PIV技术来对环空内流场进行测试分析，在此基础上建立了一种新的水平井注水泥顶替效率室内评价方法。该方法对环空内流场的流动不具有干扰[3]，不仅可以定量地完成两相液体顶替流场的动态测试，并且通过对顶替图像的分析可得到环空剖面的顶替效率，进而对水平井注水泥顶替机理的研究以及对现场施工的指导方面具有重要意义。

1 水平井固井顶替效率模拟装置与模拟方法

1.1 水平井固井顶替效率模拟装置

顶替效率模拟装置用于开展水泥浆（或泥浆）相似液井筒/环空流动试验、水泥浆相似液顶替试验，通过PIV测量系统采集实时图像，分析相似液在井筒/环空管道内流动及顶替流场分布情况，为注水泥施工参数优化提供理论依据。

整个模拟装置由6大功能部分组成：配浆系统、循环顶替系统、台架系统、井筒与测量系统、动力柜和PIV系统[4]。见图1。

图1 顶替效率实验装置总体结构示意图

（1）配浆系统。配浆系统由配浆池、螺杆泵、离心泵和搅拌器组成。用于配置实验用的顶替液与被顶替液。

（2）循环顶替系统。循环顶替系统由配浆罐、管线、泵、井筒系统组成。该部分能够实现两大功能：一是顶替前的被顶替液的注入与循环。二是进行连续的顶替过程，即将顶替液按要求的排量或速度连续的注入到环空中，顶替后要将返出的顶替液回收至循环池中，以保证可以连续顶替冲洗模拟井筒到要求的接触时间。

（3）台架系统。台架系统由井筒固定架、井筒固定卡瓦、井斜角调整装置、台架基础装置和撬装平台构成。主要用于安装与支撑井筒系统，同时利用电机调节井筒系统的角度，其井筒可以从水平到垂直自由调节。

（4）井筒与测量系统。井筒由模拟井筒段和测量段组成，用于模拟井眼与套管之间的环空流道。

测量段是由一段透明有机玻璃井筒外加一个透明有机玻璃方盒组成，透明有机玻璃井筒用来模拟井眼，内加一根不透明的内管就可以用来模拟现场中井眼与套管组成的环空。有机玻璃方盒内装有实验用的流体，进行光路补偿，用来减少圆形管壁处的凸镜效应。

（5）动力柜。动力柜用来控制配浆系统中的搅拌电机和循环泵的启动和停止，井筒井斜角调节装置的正转和反转以及螺杆泵的频率调节和开关。

（6）PIV系统。PIV系统由3部分组成，包括示踪粒子、光学系统和图像采集处理系统。光学系统包括双脉冲激光器系统及其配套的冷却系统、片光光学元件。图像采集处理系统包括CCD高速相机和图像处理软件。

1.2 模拟试验方案的确定

（1）试验流体。若直接采用水泥浆和冲洗液进行模拟试验最能反映真实情况，但PIV系统要求所测液体为透明液体，因此使用聚丙烯酰胺（HPAM）水溶液作为水泥浆相似液，使用隔离液作为被顶替相似液。

（2）试验参数。影响水平井注水泥顶替效率的因素众多，通过综合分析突出其中最主要的影响因素作为试验模拟参数，在注水泥顶替效率模拟装置中设计的模拟变量有：环空中套管的偏心度；环空流速或者顶替流态；钻井液、水泥浆和前置液的性能。将这几个参数组合起来进行试验。

（3）试验原理。PIV技术是一种非接触的瞬态流场测量技术，其基本原理是在流场中散播一些适当的示踪粒子，用脉冲激光片光(Light sheet)照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取两次曝光的粒子图像，形成PIV实验图像，对测量数据进行统计分析，获得流动的动态特征[5-6]。

该模拟方法是利用PIV技术连续摄取顶替图像。首先，将拍摄到的顶替图像作出计算区域，将环空以外的区域剪切掉。其次，将图像处理成灰度直方图（Image Histogram），如图2所示。灰度直方图对原始图像的每个像素点进行灰度统计，横轴为灰度值（Grayscale values），纵轴为该灰度值下的像素点数（Count）[8]。

图2 灰度直方图

图2为原始图像中一小块区域的灰度直方图，由图2我们可以得到该图像的灰度均方根（Grayscale RMS，以下简称为G-RMS），原始图像中荧光粒子越多，灰度均方根值越大。

Image RMS是对多幅图片像素的灰度均方根计算，从而得到多幅图像的灰度均方根平均值。顶替完成后图像的G-RMS值通过对顶替完成后10幅图像的Image RMS（均方根计算）分析得到。

将顶替过程中不同时刻原始图像的G-RMS值与顶替完成后图像的G-RMS值做比较就可以得出该时刻的顶替效率。

顶替效率计算公式：

式中：η——顶替效率，无因次；

G-RMSi——顶替过程中不同时刻原始图像的G-RMS值；

G-RMS∞——顶替完成后图像的G-RMS值；

G-RMSo——顶替开始时图像的G-RMS值。

2 顶替效率试验分析

2.1 实验基本条件

被顶替液：非透明隔离液；顶替液：聚丙烯酰胺水溶液，流性指数n=0.9、n=0.7、n=0.5，顶替液与被顶替液无密度差；顶替流速：1.26m/s、1.08m/s、0.42m/s；示踪粒子：荧光微球（密度：1.05g/cm3，粒径：51.7μm），示踪粒子加入到顶替液中；环空外管内径：77mm；环空内管外径：45mm；内管偏心度：37.5%。

2.2 实验结果及分析

（1）顶替实验说明。顶替液未到达时，环空内全部为非透明被顶替液，被顶替液中没有示踪粒子，顶替到达前图像没有发光粒子。顶替继续，透明顶替液逐渐增多，环空中示踪粒子逐渐增多，发光粒子增多，当顶替图像中示踪粒子最多且G-RMS值趋于稳定时顶替结束。窄间隙顶替过程与宽间隙基本一致。

（2）宽窄间隙顶替时间比较。将顶替流速分别为1.26m/s、0.84m/s和0.42m/s时，宽、窄间隙处的顶替时间做对比，可得表1。

表1 n=0.9不同顶替流速下宽窄间隙顶替时间

由表1可知，窄间隙的顶替液到达时间比宽间隙晚，说明在水平偏心环空中窄间隙的顶替速率低，因此在偏心环空中易造成宽窄间隙顶替的不均匀。随着顶替流速的提高，窄宽间隙顶替用时比值逐渐减小，说明适当提高流速可以降低偏心环空中宽窄间隙顶替的不均匀程度。

表2 e=0.375,n=0.9,v=1.26m/s宽窄间隙顶替效率

图3 e=0.375,n=0.9,v=1.26m/s时宽窄间隙顶替效率

（3）宽窄间隙顶替效率对比分析。由表2和图3可知，在顶替刚开始时，由于泵的排量没有达到预定值，顶替效率上升比较缓慢，当泵的排量达到预定值后，宽窄间隙的顶替效率加快增长。在水平偏心环空中，基本上任一时刻宽间隙的顶替效率比窄间隙大。

3 结论

（1）提出了一种利用水平井固井顶替效率模拟装置结合PIV技术研究水平井固井顶替效率的方法，该方法对顶替流场无干扰，可实时测量流体在环空中的顶替过程，通过分析可得到顶替全过程的顶替效率。

（2）该方法可研究偏心度、环空流速、流体流变性能、密度差等因素对顶替效率的影响。

（3）顶替模拟装置提供了一种新的研究顶替效率的手段，一定程度上贴合现场的实际，具有实用价值。要评价偏心度、环空流速、流体流变性能、密度差等因素对顶替效率的影响还需利用该装置做进一步的深入研究。

[1]郑永刚，方铎，郝俊芳.水平井注水泥的理论与实验研究[J].水动力学研究与进展，1996，11(1)：19-23.

[2]刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001：295-297.

[3]Adrian R J.Particle Image Technique for Experimental Fluid Mechanics.Ann.Rev.Fluid Mech,1991，Vol.23(23):261.

[4]彭志刚，王绍先，何苏荣，等.模拟固井水泥浆顶替效率实验装置：中国，201120541477.2[P].2011-12-22.

[5]孙鹤泉，康海贵，李广伟.PIV的原理与应用[J].水道港口，2002，23（1）：42-45.

[6]韩洪升，张艳娟，张明慧，等.用PIV技术测量幂律流体同心环空螺旋流的流场[J].海洋石油，2007，27(4)：64-67.

[7]贾永红.数字图像处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010：34-37.

TE243

A

1004-5716(2015)11-0032-04

2014-11-11

2014-11-25

国家科技重大专项：课题“低渗气藏水平井固井长效封固关键技术研究”（编号2011ZX05022-006-005HZ）部分研究成果。

朱亮（1989-），男（汉族），陕西榆林人，西南石油大学在读研究生，研究方向：油气井固井。