連續(xù)油管沖砂洗井技術(shù)在水平井中的應(yīng)用

張 朔，王方祥，劉德正，倪慶懷

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283）

隨著連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，由于其本身的便捷性，越來越廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)過程中的鉆井，測(cè)井，沖砂洗井，修井等作業(yè)過程中[1-4]。由于水平井的特殊性，隨著油田的生產(chǎn)，地層出砂往往容易在水平段沉淀、固化而形成堅(jiān)固的砂床[5，6]。為了提高水平井沖砂效率，在連續(xù)油管沖砂作業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓水射流技術(shù)，在保證連續(xù)沖砂作業(yè)的基礎(chǔ)上，提高射流沖擊面積和沖砂效率。由于連續(xù)油管可以連續(xù)作業(yè)，因此旋轉(zhuǎn)噴射作業(yè)和沖砂液上返不會(huì)間斷，砂床會(huì)被不停的沖散，沖砂效果較傳統(tǒng)的沖砂工藝效果更佳。

1 噴嘴的設(shè)計(jì)

噴嘴的結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)噴頭的設(shè)計(jì)中占有重要的地位，結(jié)構(gòu)（見圖 1）。

噴嘴是噴射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，液體通過噴嘴可以產(chǎn)生高速射流，噴嘴由柱形內(nèi)腔、收縮加速段和出口段三部分組成。經(jīng)驗(yàn)表明，出口段長(zhǎng)度在1～1.5倍的噴嘴直徑時(shí)效果最好，這里取出口段長(zhǎng)度與噴嘴直徑相等。

2 作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算

2.1 沖砂液密度的確定

沖砂液的密度按公式（1）計(jì)算：

式中：γ－流體密度，103kg/m3；p－油井壓力，MPa；H－油層中深，m；k－常數(shù)，一般取0%～15%。

2.2 沖砂液黏度的確定

沖砂液的黏度通常按下式計(jì)算：

式中：η－沖砂液黏度，Pa·s；r－砂粒半徑，mm；ρ－砂粒密度，103kg/m3；ρ＇－沖砂液密度，103kg/m3；g－重力加速度，9.8 m/s2；v-沖砂液中砂粒的沉降速度，m/s。

2.3 砂粒的沉降速度及最小排量

在沖砂作業(yè)中，液體保持紊流狀態(tài)，沖砂液流速要大于最大砂粒的下沉速度。這里采用牛頓－雷廷格計(jì)算法：

式中：vs－砂粒的沉降速度；ds－砂粒直徑，mm；ρs－砂粒密度，g/cm3；ρl－沖砂液密度，g/cm3；g-重力加速度，取9.8 m/s2；cd-阻力系數(shù)，雷諾數(shù)在50～105時(shí)取0.5。

雷諾數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：d－環(huán)空直徑，mm；μ－沖砂液的黏度，Pa·s。

只要確定攜砂所需最低鉆井液環(huán)空返速，也就確定了最小排量，所用的公式為：

式中：va－最低環(huán)空返速，m/s；dh－井徑，cm。

這里，環(huán)空直徑取118 mm，油管外徑73 mm，內(nèi)徑62 mm，砂粒密度 2.6×103kg/m3，砂粒直徑為 1 mm，可以計(jì)算得到所需最小排量為86.4 L/min，φ50.8 mm和φ73 mm連續(xù)油管排量為200 L/min～400 L/min，可以看出，施工過程作業(yè)中完全可以清除井筒中的砂粒。

為了確定各沖砂參數(shù)對(duì)沖砂效果的影響，在不同條件下進(jìn)行了沖砂實(shí)驗(yàn)。

2.4 井口注入壓力對(duì)沖砂量的影響

當(dāng)噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸確定后，排量主要受到泵壓的影響，可以通過公式（6）來計(jì)算：

式中：q－通過噴嘴的流量，L/s；A－噴嘴出口面積，cm2；C－流量系數(shù)，無因次；Δp－噴嘴壓降，MPa；ρ－密度，g/cm3。

在不同壓力條件下進(jìn)行沖砂實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖2）。從圖中可以看到，隨著注入壓力的增加，沖砂量也隨之增加，沖砂效果越好。因此在實(shí)際操作中，在現(xiàn)場(chǎng)條件下，選用最優(yōu)參數(shù)內(nèi)的較大壓力進(jìn)行沖砂施工。

圖2 注入壓力對(duì)沖砂量的影響

圖3 注入壓力對(duì)返排壓力的影響

2.5 井口注入壓力對(duì)返排壓力的影響

在同樣的條件下，測(cè)量不同注入壓力條件下，返排壓力的變化情況（見圖3），從圖3可以看出，隨著注入壓力的增大，返排壓力也在增大，當(dāng)注入壓力超過35 MPa的時(shí)候，返排壓力超過29 MPa，為了安全生產(chǎn)的進(jìn)行，因此在實(shí)際操作中，推薦注入壓力為35 MPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

采用該工藝現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)19井，成功率100%。采用正沖方式，采用 0.48胍膠基液作為沖砂液。排量0.5 m3/min～0.6 m3/min，噴嘴射流速度 90 m/s～120 m/s，環(huán)空上返速度大于 0.9 mm陶粒沉降末速的 11倍，確保返得出；控制施工壓力 35 MPa以內(nèi)，將連續(xù)油管下放至砂面以上20 m時(shí)，開始起泵循環(huán)。現(xiàn)在以XD-31-1H井為例，其人工井底2 314.8 m，水平井段685.3 m，探得砂面位置2 286.4 m，連續(xù)油管下放速度控制在22 m/min，調(diào)整到泵壓25 MPa，排量為120 L/min，進(jìn)行高壓連續(xù)沖洗。沖砂液體使用量10 m3，共返出地層砂1.1 m3，施工時(shí)間35 min。常規(guī)作業(yè)需要約22 m3施工水，時(shí)間1 h。與常規(guī)作業(yè)相比，該技術(shù)具有成本低，作業(yè)周期短，沖砂效率高，且對(duì)地層無污染等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）連續(xù)油管高壓水射流沖砂可實(shí)現(xiàn)不壓井連續(xù)作業(yè)，具有井控安全、施工效率高、儲(chǔ)層損害小等優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)過程工序簡(jiǎn)單實(shí)用、作業(yè)周期短。

（2）連續(xù)管設(shè)備有專車攜帶機(jī)，動(dòng)性強(qiáng)，易于安裝，作業(yè)施工快。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可知，沖砂液體使用量和施工時(shí)間約為常規(guī)工藝的一半，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）可專門針對(duì)大斜度井和水平井施工，特別適用于井眼軌跡復(fù)雜井的沖砂作業(yè)。