固井前置液冲洗模拟装置和方法技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种固井前置液冲洗模拟装置和方法。
背景技术
在钻井过程中，钻井液向地层中失水，并在井壁表面形成一层具有韧性的泥饼，
这层泥饼将在固井注水泥后，在水泥石与地层之间形成薄弱地带，极易造成层间窜流
通道，导致层间封隔失效，影响油气井后期的有效开发。
因此，在注水泥前，需要通过固井前置液对泥饼进行冲洗，降低泥饼厚度，以保
证水泥石与地层之间良好交接，提高水泥环封隔质量。目前，固井前置液冲洗在国内
还仅处于理论研究阶段，缺少钻井液环空滞留层厚度与胶结力的影响因素，也缺少对
固井前置液冲洗进行分析模拟软件。还有一些对环空动态顶替的初步分析，但是缺少
实验分析和验收手段，同时还缺少科学定量的模拟评价方法。
针对如何对固井前置液的环空冲洗效率进行有效评价，目前尚未提出有效的解决
方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种固井前置液冲洗模拟装置，以达到对固井前置液的环空
冲洗效率进行有效评价的目的，该装置包括：
筒状结构的反应釜体，反应釜体内设置有用以固定人造岩芯的岩芯支架，人造岩
芯与反应釜体之间形成有环形空间，且反应釜体内形成有贯通腔。
在一个实施方式中，岩芯支架的两端分别固定套设有至少一个支架套，支架套为
一端开放且另一端封闭的筒体，支架套的另一端设置有多个通孔，支架套的外壁固定
连接于反应釜体的内壁。
在一个实施方式中，支架套的另一端的中心处设置有连接孔，多个所述通孔沿轴
向均匀设置于支架套的另一端。
在一个实施方式中，岩芯支架的两端各套设有一个导流锥，导流锥套设于支架套
内。
在一个实施方式中，导流锥邻近反应釜体的端口的一端为椭圆球缺。
在一个实施方式中，反应釜体的两端各设置有一个冲洗液连接头，冲洗液连接头
内具有贯通腔，且冲洗液连接头的贯通腔的直径小于反应釜体的内径。
在一个实施方式中，反应釜体和冲洗液连接头之间通过釜体盖固定连接，釜体盖
的一端内套设有冲洗液连接头，釜体盖的另一端外套设有反应釜体；釜体盖具有扩径
结构的内通孔，且所述内通孔的一端的直径小于所述内通孔的另一端的直径。
在一个实施方式中，所述内通孔的一端与釜体盖的一端之间设有圆柱状通孔。
在一个实施方式中，釜体盖的一端外设置有能限位反应釜体的筒壁的限位环。
在一个实施方式中，冲洗液连接头的外壁上设有能限位釜体盖的限位环。
本发明实施例还提供了一种固井前置液冲洗模拟方法，以达到对固井前置液的环
空冲洗效率进行有效评价的目的，该方法包括：
设置流体流过上述的固井前置液冲洗模拟装置的参数，其中，所述流体包括第一
流体和第二流体；
控制所述第一流体按照所述参数流过人造岩芯；
在控制所述第一流体按照所述参数流过人造岩芯之后，控制所述第二流体按照所
述参数流过人造岩芯，记录在所述第二流体流过所述人造岩芯过程中不同时间的泥饼
厚度。
在一个实施方式中，所述第一流体为泥浆，所述第二流体为冲洗液。
在一个实施方式中，所述参数包括以下至少之一：温度、压力、流速。
在本发明实施例中，通过设置一个圆柱形管材，在管材内部放置人造岩芯，且管
材和人造岩芯形成一个环形空间，两端可以连接高压管线，流体可通过高压管线从环
形空间的一端流向另外一端，从而对固井前置液的冲洗过程进行模拟，以实现对固井
前置液的环空冲洗效率的有效评价。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不
构成对本发明的限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的固井前置液冲洗模拟装置的剖面图；
图2是根据本发明实施例的固井前置液冲洗模拟装置的左视图；
图3是根据本发明实施例的固井前置液冲洗模拟方法的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，
对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发
明，但并不作为对本发明的限定。
发明人考虑到可以实验室模拟井下环空条件以及泥浆流过形成泥饼的过程，以及
模拟前置液对环空进行冲洗后的泥饼冲刷效果。为此，在本例中，提供了一种固井前
置液冲洗模拟装置，如图1所示为固井前置液冲洗模拟装置的剖面图，该固井前置液
冲洗模拟装置可以包括：筒状结构的反应釜体10，反应釜体10内设置有用以固定人
造岩芯12的岩芯支架11，人造岩芯12与反应釜体10之间形成有环形空间，且反应
釜体10内形成有贯通腔。如图2所示，为固井前置液冲洗模拟装置的左视图。
即，通过一个圆柱形管材，在管材内部放置人造岩芯，且管材和人造岩芯形成一
个环形空间，两端可以连接高压管线，流体可通过高压管线从环形空间的一端流向另
外一端，且可以通过节流的方式控制流体的压力和流速，从而对固井前置液的冲洗过
程进行模拟，以实现对固井前置液的环空冲洗效率的有效评价。
为了使得岩芯支架11可以固定在反应釜体10的内部，可以在岩芯支架11两端
分别固定套设至少一个支架套14以实现对岩芯支架11的支撑，该支架套14可以如
图1所示是一个一端开放且另一端封闭的筒体，其中，封闭的一端设置有多个通孔以
使得流体可以通过开放的一端和封闭一端的通孔流过，支架套14的外壁固定连接于
反应釜体10的内壁。
为了使得支架套14可以实现对岩芯支架11的支撑，可以在支架套14封闭的一
端的中心处设置连接孔，该连接孔内套设导流锥13。进一步的，多个通孔可以沿轴
向均匀设置于支架套14的另一端，这样使得流体可以均匀流过。
考虑到在实际实现的时候，流体需要被引到岩芯处，为此，可以在岩芯支架11
的两端各套设一个导流锥13，该导流锥13套设于支架套14内。具体实现的时候，
导流锥13邻近反应釜体10的端口的一端可以如图2所示设置为椭圆球缺。
进一步的，反应釜体10的两端可以各设置一个冲洗液连接头16，冲洗液连接头
16内具有贯通腔，且冲洗液连接头16的贯通腔的直径小于反应釜体10的内径。通
过冲洗液连接头16的设置，可以连接冲洗液，且因为冲洗液连接头16的贯通腔的直
径小于反应釜体10的内径，因此，冲洗液可以按照一定的流速流入人造岩芯12处，
对人造岩芯12进行冲洗。
如图1所示，反应釜体10和冲洗液连接头16之间可以通过釜体盖15固定连接，
釜体盖15的一端内套设有冲洗液连接头16，釜体盖15的另一端外套设有反应釜体
10，即通过釜体盖15使得反应釜体10和冲洗液连接头16连接在一起。
在实际实现的时候，釜体盖15可以具有扩径结构的内通孔，该内通孔的一端与
釜体盖15的一端之间设有圆柱状通孔，以使得流体可以通过，具体地，可以设置釜
体盖15的内通孔的一端的直径小于内通孔的另一端的直径以形成扩径接口，使得可
以通过节流方式控制流体压力和流速。
为了釜体盖15和冲洗液连接头16可以被固定在反应釜体10的预定位置，又不
会被拧过，可以在釜体盖15的一端外设置能限位反应釜体10的筒壁的限位环，在冲
洗液连接头16的外壁上设有能限位釜体盖15的限位环。
举例而言，上述筒状结构的反应釜体10可以是1个外径120mm，壁厚20mm，
长度800mm的圆柱形管材，内部放置1个外径40mm，长度500mm的人造岩芯，从
而形成一个环空间隙20mm的环形空间，在两端连通高压管线，流体可通过高压管线
由环空空间一端流向另外一端，通过节流方式可控制流体压力及流速，环形空间的外
侧可以通过油浴进行加热，以模拟井底温度。
基于图1所示的固井前置液冲洗模拟装置，可以按照如图3所示的方式进行固井
前置液冲洗模拟，包括如下步骤：
步骤301：设置流体流过上述固井前置液冲洗模拟装置的参数，其中，所述流体
可以包括第一流体和第二流体；
步骤302：控制所述第一流体按照所述参数流过人造岩芯；
步骤303：在控制所述第一流体按照所述参数流过人造岩芯之后，控制所述第二
流体按照所述参数流过人造岩芯，记录在所述第二流体流过所述人造岩芯过程中不同
时间的泥饼厚度。
在获取到第二流体流过所述人造岩芯过程中不同时间的泥饼厚度之后，就可以对
固井前置液的环空冲洗效率进行有效评价。
在上述步骤301至步骤303中，第一流体可以是泥浆，泥浆流过人造岩芯会形成
泥饼，第二流体可以是冲洗液，冲洗液流过人造岩芯时可以对其上的泥饼进行冲洗，
从而模拟出一个固井前置液冲洗的过程。
为了实现对固井前置液冲洗的有效模拟，使得其与地层的真实环境类似，可以对
以下参数中的一种或多种进行模拟：温度、压力和流速，然而上述这几种参数仅是举
例说明，在实际实现的时候，还可以有更多的参数，主要目的就是为了使得模拟的环
境与真实地层的环境相一致。
因为考虑到真实地层中，泥浆流过岩心和冲洗液流过岩芯时候，地层环境是一致
的，因此将流体由泥浆替换为冲洗液之后，也需要以相同的温度、相同的压力，控制
不同流速流过泥饼，从而保证前后环境的一致，以使得模拟效果更为准确。
即，在实验过程中，首先泥浆通过环空一端流向另一端，流经人造岩芯时，由于
压差作用，泥浆将向岩芯失水，在人造岩芯表面形成一层泥饼，并且通过时间的增加，
泥饼厚度随之增加，当泥饼厚度趋于稳定，就可以将环空流体替换为前置冲洗液，以
相同温度、相同压力，控制前置冲洗液以不同流速流经泥饼，随之泥饼厚度随冲洗液
的冲刷而减少。在试验的过程中，可以按照不同时间对泥饼厚度进行测量，以确定泥
饼形成及冲洗液对泥饼的冲刷过程。
在本例中提供了一种用于实验室评价前置冲洗液对附着在人造岩芯表面泥饼冲
洗效果的模拟装置，该装置可模拟井下条件、施工过程等参数，对前置冲洗液的实验
室设计、现场施工参数设计可提供有效参考。即，通过上述方式可实现实验室模拟井
下环空条件以及泥浆流过形成泥饼的过程，以及模拟前置液对环空进行冲洗后，泥饼
冲刷效果。
从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：通过设置一个
圆柱形管材，在管材内部放置人造岩芯，且管材和人造岩芯形成一个环形空间，两端
可以连接高压管线，流体可通过高压管线从环形空间的一端流向另外一端，且可以通
过节流的方式控制流体的压力和流速，从而对固井前置液的冲洗过程进行模拟，以实
现对固井前置液的环空冲洗效率的有效评价。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以
用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算
装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，
可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于
此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或
者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例
不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，
所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。