水平井篩管解堵工藝技術的改進

曲慶利，王曉梅，趙 濤，王 培

(1.大港油田石油工程研究院 天津300456；2.大港油田井下作業公司 天津300456)

0 引 言

油水井防砂是大港油田的重要措施，出砂油藏水平井主要分布在港東、港西、板橋、孔店、羊三木等區塊，主要層位是明化、館陶油組。港東、港西、羊三木等區塊屬于細粉砂油藏，分選性差、泥質含量高，出砂嚴重，主要采用獨立篩管進行防砂，由于篩管與地層砂匹配等問題，使得防砂效果差，油井出現不同程度的出砂或者堵塞問題。大港油田疏松砂巖油藏防砂井的生產實踐表明，擋砂介質(機械篩管的擋砂層和礫石層)的堵塞已經逐步成為困擾防砂井正常生產的主要問題之一。

防砂井生產過程中，地層流體攜帶地層細砂、機械雜質、黏土泥質等固相堵塞物沖擊擋砂介質，如果固相介質不能順利通過擋砂層，就會附著或侵入擋砂層內部，如果無法排出則會造成擋砂層滲透率降低，形成堵塞，進而嚴重影響油井產量[1]。常規酸洗、沖砂作業對篩管內壁清洗力度不夠，解堵效果不明顯。為了挖潛砂泥堵塞篩管油井產能，開發了篩管解堵工藝技術。

1 篩管解堵工藝技術原理

篩管解堵工藝技術是集酸洗解堵和水射流解堵為一體的解堵工藝。先將解堵工具通過油管串送入油井篩管堵塞段，酸液通過解堵工具打入地層，使酸液作用于篩管及近井儲層。酸液浸泡一段時間后頂替出地面，通過水射流工具沖洗篩管徹底解堵。現場所用水力噴射解堵工具包括安裝有赫姆霍茲自激振蕩噴嘴的水射流工具本體，赫姆霍茲噴嘴在工具本體上呈螺旋升角排列，且噴嘴出口正對篩管內壁，利用其噴射的高速水流實現對精密復合篩管的多層過濾層通道的有效解堵。井下工作原理如圖1。

圖1 井下工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of downhole work

在篩管脈沖解堵施工中，將水射流工具、扶正器、安全接頭、輸送管柱依次連接并下入井中篩管堵塞段，酸液用泵車通過輸送管柱、安全接頭進入水射流工具，并注入篩管及近井地帶，酸液快速和地層中的堵塞物發生化學反應，剝離溶解砂粒間的膠結物和部分砂粒，或溶解孔隙中的泥質堵塞物或其他后生沉淀物等，并降低原油黏度、表面張力，改善液體的流動性質，使地層堵塞物松動、脫落、溶解。浸泡30min后，將酸液驅出地面，開泵正循環，水射流工具開始進行解堵作業。水射流沖擊力沖出井筒內的細砂及堵塞篩管上附著的粉細砂和泥質，并沖出堵塞篩管外地層中的粉細砂等堵塞物，且高速水射流可以攜帶粉細砂等堵塞物上返到地面。將水射流工具緩慢下放至輸送管柱，使其從上到下連續沖洗堵塞篩管，直至堵塞篩管的底部；然后緩慢上提輸送管柱，水射流工具從下到上連續清洗堵塞篩管，直至篩管脈沖解堵裝置到達堵塞篩管的頂部。這樣反復清洗 5～6次，完成解堵工作。該技術沖洗力度可自由調節，且螺旋布孔方式可最大限度沖洗到篩管過流通道。水射流工具易于裝配，互換性強，可根據需要進行組合。

2 施工參數設計與計算

根據流體力學原理，作用在噴嘴上的壓力為:

式中:Fpump為水泥車泵壓，MPa；Hf1為油管內沿程水頭損失，m；Hf2為油套環空沿程水頭損失，m；P為作用在噴嘴上的壓力，MPa。

2.1 油管內沿程水頭損失Hf1

油管內沿程水頭損失:

式中:λ為沿程水頭損失系數，無因次量；L為油管長度，m；d為油管內徑，m；v為油管內流體的流動速度，m/s；g 為重力加速度，m/s2。

沿程水頭損失系數λ根據油管粗糙度和流態的不同，按下列公式選取[2]:

式中:R e=ρVd/μ，為雷諾數；ρ為流體的密度，kg/m3；μ為流體的動力黏度，Pa·s；ε＝2Δ/d，管材相對粗糙度，無量綱；Δ為管材絕對粗糙度，一般鋼管為0.19mm。

因為篩管解堵技術施工過程中流體的雷諾數Re＞2000，為紊流狀態，因此不考慮 Re≤2000時的層流狀態。

2.2 環空沿程水頭損失Hf2

首先計算雷諾數Re，判斷流體流態:

式中:D為套管內徑，m；d′為油管外徑，m。

若2000 ＜ Re ＜ 59.7/ε8/7，則為水力光滑紊流區，沿程水頭損失系數λ的計算方法同(3)式；

于是環空沿程水頭損失:

3 噴嘴水力參數及射流水力參數計算

設計的自激振蕩噴嘴如圖 2所示。噴嘴入口是類圓錐曲面，起導流進水的作用，入口底部為直圓柱孔。噴嘴自激腔頂部為圓錐形上撞擊面，底部為圓錐形下撞擊面。上撞擊面延伸部分構成上撞擊面夾角α，下撞擊面延伸部分構成下撞擊面夾角β。噴嘴為硬質合金 YG11C粉末燒結而成。噴嘴各部分尺寸為:d1＝15.81mm，d2＝6.35mm，d3＝18mm，d4＝6.35mm，α＝140 °，β＝120 °。

噴嘴工作時，由噴嘴入口進入的流體經下撞擊面反射向上再由上撞擊面反射向下，上撞擊面的反射壓力波與向下運動的水流壓力波初相相等時，形成波形疊加，一起向噴嘴出口運動，造成噴嘴出口噴出射流的速度、壓力呈周期性變化，這就形成自激振蕩脈沖射流。

圖2 自激振蕩噴嘴Fig.2 Self-sustained oscillation nozzle

3.1 噴嘴的水力參數

噴嘴水力參數包括噴嘴壓力降和水功率。利用Fluent軟件對噴嘴進行了數值仿真分析。考慮到現場泵車的工作參數限制，對排量為 1m3/min和1.5m3/min的工況進行了模擬。水射流工具外徑為114mm，篩管內徑取 124mm。由于噴嘴和篩管都是軸對稱結構，采用二維計算區域[3]。運用 standard kε兩方程紊流模型獲得壓降曲線，通過該曲線可知噴嘴壓力降P的范圍為1.7～3.8MPa(見圖3、4)。

圖3 排量為1m3/min的噴嘴壓降曲線Fig.3 Pressure drop curve of 1m3/min nozzle

圖4 排量為1.5m3/min的噴嘴壓降曲線Fig.4 Pressure drop curve of 1.5m3/min nozzle

根據水力學原理，噴嘴水功率表達式為:

式中:N為噴嘴水功率，W；Q為泵排量，m3/s。

3.2 射流水力參數

射流水力參數包括射流的噴射速度、射流沖擊力。利用 Fluent軟件對噴嘴進行數值模擬速度矢量圖見圖 5—圖 8。泵排量 1m3/min時，噴嘴出口噴射速度最大為 55.2m/s，相比于常規連續射流噴嘴噴射速度 43.86m/s，亥姆霍茲自激振蕩噴嘴最大噴射速度提高了 25.85%。篩管受到的射流沖擊力最大為1.3MPa。泵排量1.5m3時，噴嘴出口噴射速度最大為82.9m/s，相比于常規連續射流噴射速度 65.8m/s，亥姆霍茲自激振蕩噴嘴最大噴射速度提高了26.4%。篩管受到的射流沖擊力最大為2.6MPa。

圖5 排量為1.5m3/min的噴嘴噴射速度矢量圖Fig.5 Jet velocity vector diagram of 1.5m3/min nozzle

圖6 排量為1m3/min的射流沖擊力曲線Fig.6 Jet impact force curve of 1m3/min nozzle

圖7 排量為1.5m3/min的噴嘴噴射速度矢量圖Fig.7 Jet velocity vector diagram of 1.5m3/min nozzle

圖8 排量為1.5m3/min的射流沖擊力曲線Fig.8 Jet impact force curve of 1.5m3/min nozzle

4 清洗酸洗液體設計及泵注程序

酸洗清洗液體用量是根據需要解堵的篩管長度、處理半徑、油層厚度和有效孔隙度來確定的。施工液中各成分比例根據具體地層特點、堵塞程度及設計要求及時調整，以達到最優酸化解堵效果。泵注程序可以按表1進行，現場技術人員可根據出口返液的情況調整施工泵壓、排量和施工液量。

5 工具室內試驗

對自行研制的水射流工具進行了室內試驗。實驗步驟如下:①堵劑優選，最終選擇了由膨潤土、堿、CMC、超細水泥與水按一定比例配制的黏度208mPa·s的堵劑，并將堵劑填充入試驗篩管中堵塞篩管。②進行篩管過流能力測試。篩管打壓時，注入水處于滲流狀態，憋壓明顯，堵劑起到了封堵篩管的作用。③解堵工具放置篩管內進行解堵試驗。試驗數據如表1。

表1 實驗數據Tab.1 Experimental data

通過實驗可知:篩管解堵后的過流能力與未充填堵劑時的過流能力接近，解堵工具達到設計要求。

6 結 論

①通過酸洗解堵與水射流解堵相結合，可以對砂泥堵塞篩管進行有效解堵，水射流工具易于裝配，互換性強，可根據需要進行組合。

②設計的自激振蕩噴嘴水力參數和射流水力參數能夠滿足施工現場泵車的施工參數，對篩管的清洗效果更徹底。