[发明专利]模拟固井水泥浆顶替效率的试验装置和试验方法

权利要求书

1.一种模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，装置包括有井筒系统以及与其配套的台架系统、配浆和循环顶替系统，其特征在于：所述的井筒系统包括井筒和套在井筒内的套管，井筒的底端封闭后与套管底端间隙配合形成通道，井筒的上端部设置环空返液管口后与可调整套管偏心度的井眼封隔器配合将伸出井筒的套管与井筒封闭连接，套管的上端设置套管进液管口；所述的台架系统包括井筒固定架、井筒固定卡瓦和用于调整井筒倾斜角度的井斜角调整装置，井筒系统通过井筒固定卡瓦固定在井筒固定架上；所述的配浆和循环顶替系统是由配浆池、管线、阀、泵和搅拌机连接后组成一套钻井液配浆和循环顶替系统和一套顶替液配浆和循环顶替系统，两套配浆和循环顶替系统通过公用和/或独立的管口与井筒系统的环空返液管口和套管进液管口连接。

2.如权利要求1所述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，其特征在于：所述的井筒系统中的井筒为多段井筒通过法兰或快速接头连接，多段井筒中包括至少一段测试段井筒；所述的台架系统中的井斜角调整装置包括设在井筒固定架的下方底座，底座与井筒固定架通过转轴铰链，并在底座与井筒固定架之间连接伸缩杆；所述的配浆和循环顶替系统中的钻井液配浆和循环顶替系统包括一个钻井液配浆池配套搅拌机后，通过管线和三通阀接入离心泵，再由离心泵通过管线和三通阀分别接入到钻井液送出管口、浆液回流管口和钻井液配浆池回流管线；所述的配浆和循环顶替系统中的顶替液配浆和循环顶替系统包括一个顶替液配浆池配套搅拌机后，通过管线和三通阀接入离心泵，再由离心泵通过管线和三通阀分别接入到顶替液送出管口、浆液回流管口和顶替液配浆池回流管线；在顶替液配浆池和钻井液配浆池分别设有排空阀，在浆液回流管口、顶替液送出管口和钻井液送出管口所在管线上分别设有排泄管。

3.如权利要求2所述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置，其特征在于：所述的井筒系统中的测试段井筒采用对开的两半不锈钢管组成，在套管进液管口和环空返液管口处连接安装压差传感器；所述的井筒系统中的测试段井筒上设置多个高精度温度传感器；所述的台架系统中的井斜角调整装置还包括设在井筒固定架的下方的井斜角调节器；所述的伸缩杆为液压驱动油缸或气压驱动油缸，或者是电机驱动的丝杆；所述的配浆和循环顶替系统被整体固定在下方的支撑台架上。

4.如权利要求1-3任意一项所述的模拟固井水泥浆顶替效率试验装置的试验方法，其特征在于包括下述步骤进行试验：

（1）利用钻井液配浆和循环系统对钻井液的配置，打开搅拌机对所配置的钻井液进行搅拌，同时打开阀门，开通钻井液通道，启动管道式离心泵对钻井液进行使用泵循环进行配浆，配浆结束后关闭钻井液通道，关闭管道式离心泵；

（2）利用顶替液配浆和循环系统对顶替液的配置，打开搅拌机对所配置的顶替液进行搅拌，同时打开顶替浆通道，启动管道式离心泵对钻井液进行使用泵循环进行配，配浆结束后关闭顶替浆通道，关闭管道式离心泵；

（3）配浆结束后，调整井筒系统的井斜角度、偏心调节器到试验所需要的位置；使用钻井液在井筒内进行循环，循环结束后关闭循环通道；

（4）使用顶替液对在井筒中的钻井液进行顶替，打开顶替通道，根据顶替液和选择井筒的情况，首先循环出来的是钻井液，通过控制三通阀的流向，使钻井液进入钻井液循环通道，然后调转到三通阀的方向，排除钻井液和顶替液的混合液体，再次调整三通阀的方向，使顶替液进入顶替液循环通道。

5.如权利要求4所述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于在顶替试验过程中或顶替完毕后需要测量顶替效率，测量方法方法包括胶结效果测试法、直接剖析法、温差传感分析法或高速摄像分析法。

6.如权利要求5所述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于：所述的直接剖析法是将测量段直接剖开成多段，通过直接观察剖面上滞留的钻井液和井筒环空内水泥浆胶结情况，分析出顶替效率。

7.如权利要求5述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于：采用所述的温差传感分析法时在测量段的井筒中的四个方向各安装一个高精度温度传感器，温度的变化被温度传感器采集到，并传送到计算机，绘制成温度变化曲线图。

8.如权利要求5所述的模拟固井水泥浆顶替效率的试验方法，其特征在于所述的高速摄像分析法是用高速相机拍摄某时刻流场的图像，并将流场图像传入计算机，采用一定的图像处理算法还原成图像，从中获得二维或三维的瞬态全流场的速度分布、浓度分布、粒径大小等流动信息。