井下局部反循環清砂系統研究

張 帥，顏廷俊，朱慶利，吳艷華

(1. 北京化工大學 機電工程學院，北京100029；2.中石化勝利石油工程有限公司 井下作業公司，山東 東營257000)

油井出砂會導致卡泵、砂埋油層、不出液等問題，不但影響油井正常生產時率，還會增加檢泵作業成本[1]。油井出砂主要與其所處區塊的地質狀況和鉆采作業技術有關，填砂壓裂、聚合物驅油等技術的普遍使用易導致油井出砂。很多油井進入高含水期后，長期注水開發會導致地層膠結變差，也加劇了油井出砂問題[2]。現場常用的清砂方法多是向井下下入油管或鉆桿，使用沖砂液進行正循環或反循環沖砂，將井底沉砂都沖至地面[3]。這類傳統工藝在漏失井中的作業成本很高，尤其對于很多裸眼完井的深井，由于其地層壓力低，導致漏失嚴重，甚至沖砂液失返，難以形成整體循環進行清砂。因此亟需針對漏失井高效清砂的方法或工藝進行研究。

針對上述問題，在對比多種常用清砂工藝后[4-11]，提出一種利用射流泵在井下形成局部反循環的清砂工藝，并使用集砂器進行多級沉砂，提高了漏失井和深井的清砂作業效率，具有很好的應用前景。

1 清砂系統設計

清砂管柱主要由清砂用射流泵、集砂器、鉆桿、鉆鋌、磨砂器等組成，如圖1所示。針對不同的井況、不同的清砂需求，可以連接不同尺寸規格和數量的鉆桿和集砂器。磨砂器將大塊砂粒鉆磨成小顆粒砂粒，同時將砂粒和沖砂液充分攪動混合，便于井底砂粒被沖砂液攜帶進入工具內。集砂器是內外筒雙層結構，外層環形空間用于收集沉砂。清砂用射流泵是為從井底到射流泵之間的局部循環提供動力的核心工具，從鉆桿內抽吸混砂液，同時通過混砂液噴射起到沖砂作用，建立起井下局部反循環。鉆桿和鉆鋌主要提供液體通道，并連接其他主要清砂工具，傳遞壓力和轉矩，其中鉆鋌可以穩定管串，并加強鉆磨力，為磨砂器傳遞鉆壓和動力。

井下局部反循環和多級沉砂的清砂系統運行主要分為局部反循環階段、沉砂階段2個過程。

如圖1所示，在局部反循環階段，地面供給的高壓動力液從鉆桿進入，通過射流泵的噴嘴后形成高速低壓區，混砂液在壓差的作用下通過磨砂器的水眼被抽汲向上流動。同時轉盤帶動清砂管柱進行轉動，磨砂器鉆磨并攪動井底沉砂與沖砂液混合，混砂液攜帶砂粒進入鉆桿內。

圖1 清砂管柱組成(2級沉砂)

當混砂液沿著鉆鋌內部上行至第1級集砂器時，從集砂器的內筒上行，通過內筒上接頭的出砂孔流入集砂器環空。集砂器環空流道截面積大于內筒流道截面積，環空中混砂液中的大顆粒砂粒由于流速降低而沉降在集砂器環形空間內，小顆粒砂粒隨著混砂液繼續上行。直至混砂液上行至射流泵內，與地面供給的動力液混合，排到油套環空中，再攜帶井底砂粒進入工具，形成井下局部反循環沖砂。

局部反循環沖砂階段結束后，停泵，此時進入管柱內腔中混砂液中的砂粒在重力作用下開始沉降，落入集砂器環空儲存。集砂器的數量是根據井底砂量確定，可進行多級沉砂設計，防止沉砂造成堵塞，提高沉砂效率。圖1是2級沉砂管柱結構示意，局部反循環沖砂、沉砂的過程可循環重復進行若干次，直至完成清砂目標。

2 清砂用射流泵設計

2.1 結構初步設計

井下射流泵的結構以其不同的用途有多種結構型式[12]。基于清砂工藝的需要，清砂用射流泵選用正循環式結構和固定式結構，兩端接頭可與對應規格尺寸的鉆桿或油管連接。清砂用射流泵設計結構如圖2所示。

1-上接頭；2-過濾管；3-上中間接頭；4-引進接頭；5-外筒；6-噴嘴；7-喉管總成；8-內筒；9-擴散管；10-出水接頭；11-下中間接頭；12-堵頭；13-下接頭。

清砂用射流泵的結構采用內外層雙約束設計思路，內外層零件之間通過中間接頭以螺紋緊固，出水接頭和引進接頭分別與內筒以螺紋連接緊固，絲堵與出水接頭以螺紋連接，并通過臺階壓緊下中間接頭，從而將整個射流泵內外層緊緊連接為一體，防止在鉆磨沖砂時因連接不牢固而發生工具脫落。

2.2 射流泵基本參數設計

射流泵性能特性基本方程的簡化式為

(1)

式中：H0和M0是性能系數，與面積比R和吸入液密度γs有關；φ1為噴嘴處流速系數，取0.950～0.975；H為壓力比，M為流量比。

式(1)表達了射流泵的壓力、流量和幾何尺寸之間的關系，反映了泵內能量變化及各主要部件(噴嘴、喉管等)對性能的影響，它是設計、制造和運用射流泵的理論依據[13]。 面積比R為

(2)

式中：d1為噴嘴出口直徑；d2為喉管直徑。

壓力比H為

(3)

式中：p1為動力液壓力；p2為吸入液壓力；p3為排出液壓力。

流量比M為

(4)

式中：Q1為動力液流量；Q2為吸入液流量。

效率η為

η=H·M

(5)

結合某油田N**5井的清砂工藝方案，根據上述性能參數以及相關射流泵理論和設計方法[13]，設計清砂用射流泵的噴嘴出口直徑d1=4.4 mm，喉管直徑d2=7.7 mm，泵體總長為1.4 m，泵體外徑為?114 mm。

3 清砂用射流泵仿真優化分析

由于射流泵設計理論的局限，對于喉嘴距等個別結構參數只能給出經驗性的范圍值，其最優值需通過仿真分析來進一步確定。

根據上述給定初步結構尺寸，建立清砂用射流泵內部流場模型并進行網格劃分，如圖3所示。在設計工況下，動力液入口壓力為地面泵供液壓力和清砂用射流泵下泵深度的液柱壓力之和，取20 MPa；吸入液入口壓力為射流泵沉沒度的液柱壓力，取6 MPa；排出液出口壓力為即為射流泵的舉升壓力，取10 MPa。射流泵流場的仿真選Standard k-epsilon湍流模型，穩態模擬，介質為常溫清水。

1-動力液入口；2-吸入液入口；3-排出液出口。圖3 清砂用射流泵內流場計算域

通過對粗網格、中等網格、細網格3種計算域網格進行網格無關性分析[14]，選用中等網格數量進行數值模擬，在節省計算機運算資源的同時，保證計算精度。

3.1 喉嘴距優選

喉嘴距Lc是噴嘴出口端面到喉管入口端面之間的軸向距離。依據目前射流泵設計理論和經驗[13, 15]，射流泵喉嘴距LC與喉管直徑d2的關系為

LC=(0.5～1.5)d2

(6)

在固定其他尺寸不變的前提下，分別取喉嘴距為0.75d2、1.0d2、1.25d2、1.5d2和1.75d2，在設計工況下進行數值仿真的對比研究。

根據仿真數據求得不同喉嘴距下的效率，繪制變化曲線如圖4所示。

圖4 設計工況下不同喉嘴距的效率對比

由于在清砂用射流泵的吸入液中可能會含有井底砂粒，喉嘴距的取值不能太小，以防發生堵塞。因此綜合以上分析，本文選用1.0d2的喉嘴距，即，Lc=7.7 mm。

3.2 喉管長度優選

喉管是動力液和吸入液進行混合和能量交換的主要場所，是射流泵最重要的零件之一。依據目前射流泵設計理論和經驗[13, 16]，射流泵喉管長度L2與喉管直徑d2的關系為：L2=(5～7)d2。

為了確定最佳的清砂用射流泵喉管長度，分別取5.0d2、6.3d2、6.5d2、7.0d2和7.5d2，5個喉管長度進行對比研究。

在設計工況下進行仿真分析，出口壓力為10 MPa，根據仿真結果繪制喉管長度L2與射流泵工作效率η的關系曲線如圖5所示，由圖5可以得出，射流泵效率隨喉管長度的增加而呈現出先增加后降低的趨勢。其中6.3d2喉管長度的射流泵效率最高，7.5d2喉管長度的效率最低。

圖5 不同喉管長度的射流泵效率對比

圖6為其中5.0d2、6.3d2、7.5d2喉管長度的射流泵速度分布云圖。從速度數值上看，喉管長度越短，高速射流的流速越高，其湍動能也是增大的。其中，7.5d2喉管長度下速度云圖中高速射流核心區最短，已經超出了喉管出口，5.0d2喉管長度的最長。6.3d2～7.0d2的喉管能夠給高速射流核心區提供一定的發展混合空間，2股流體可以進行較為充分的能量傳遞，但太長的喉管會提高流體在其中的摩阻損失，降低射流泵的效率。綜合以上分析，選擇清砂用射流泵的最佳喉管長度為L2=6.3d2=48 mm。

a 5.0d2

b 6.3d2

c 7.5d2

4 集砂器設計

在井下局部反循環清砂工藝中，為防止在鉆磨沖砂時發生工具脫落，集砂器結構采用與射流泵相同的內外層雙約束結構，如圖7。中間的內筒通道為混砂液上行通道，內筒上接頭上端均布4個出砂孔，外層環空用于存放沉砂，環空流道面積大于中間通道，混砂液流出出砂孔后流速減慢，便于沉砂。

1-上接頭；2-傘形帽；3-上轉接接頭；4-內筒上接頭；5-外筒；6-內筒；7-內筒下接頭；8-下轉接接頭；9-絲堵；10-下接頭。圖7 集砂器設計結構

針對油田常用的?127 mm(5英寸)、?139.7 mm(5英寸)、?177.8 mm( 7英寸)套管設計的集砂器結構尺寸如表1所示。

表1 集砂器結構尺寸

5 下井清砂試驗

5.1 清砂方案設計及試驗過程

某油田砂巖油氣藏已進入高含水期，地質構造情況復雜，油層吐砂較為嚴重。對該油田N**5井防砂情況調查，估算其砂面位置大約1 680 m處，清砂目標主要是檢驗該工藝的可行性。

依據圖1所示思路針對該油井進行清砂工具方案設計，清砂管柱下井后，清砂用射流泵位置在約900 m位置。清砂管柱使用6級沉砂組合，接入6根集砂器，選用外筒外徑為?110 mm的集砂器。

該油井使用了2種尺寸的套管，分別為?139.7 mm×9.17 mm×1 773.85 m、?101.6 mm×6.65 mm×(1 605.04～1 752.24 m)，即上半段使用的套管為?139.7 mm(5英寸)，下半段使用的套管為?101.6 mm (4英寸)。由于所加工的集砂器外徑?110 mm大于下半段套管內徑?88.3 mm，所以集砂器在沖砂后下放到的最低位置須保證在1 605 m以上，不與?101.6 mm (4英寸)套管沖突，因此最下一級集砂器以下使用外徑更小的?60.3 mm(2英寸)油管連接。由于現場條件限制，管柱末端使用筆尖直接抽吸混砂液，不進行鉆磨。

下入清砂工具后，供液的泵車開始向井下供液，泵車壓力最初穩定在21 MPa，符合設計施工工況。一段時間后泵車壓力出現異常變動，最高達到25 MPa，為了現場作業安全關泵沉砂。

最后起出管柱，清理工具，并對清砂用射流泵等進行拆解檢查。

5.2 試驗結果分析

對清砂用射流泵進行拆解檢查，在下中間接頭的混砂液上行通道處，以及排出口處都發現了油砂混合物，如圖8所示。根據液流方向分析，油砂混合物應是來自于井底。在后期針對集砂器的拆解中發現，在前2級集砂器中發現了砂粒。綜合上述分析，此次試驗在井下液流形成了局部反循環，能夠將部分井底砂粒攜帶上來，驗證了該清砂工藝的可行性。

依據N**5井的井史調查，在前期的清砂防砂作業中發現，該井出砂中以小顆粒砂粒為主，但大塊砂粒較多，部分砂粒粒徑達到10 mm以上。此次試驗由于現場條件限制，只使用筆尖抽吸混砂液，未使用轉盤和磨砂器對大顆粒砂進行鉆磨和攪動，大塊砂粒會對沖砂液循環形成一定的阻礙，因此此次收集到工具中的砂粒較少。

圖8 下中間接頭及排出口油砂混合物

如圖9～10所示，在清砂用射流泵的上接頭內側、過濾筒外表面發現較多雜質，根據液體流向分析，雜質來源于地面供水池。因此泵車壓力的異常變動應是由于雜質在過濾筒處造成堵塞，導致沖砂液管路負載升高。這會阻礙沖砂液的流通和在噴嘴處形成低壓區，所以在后續清砂作業中需降低沖砂液雜質的含量和粒徑。

圖9 上接頭內的雜質

圖10 過濾筒外的雜質

此次下井試驗前，N**5井的液位未探明，依據歷史液位數據確定了清砂用射流泵的下泵深度。該井是漏失井，液位會有所下降，清砂用射流泵的沉沒度不足會造成吸入液壓力較低，因此在后續清砂作業中，應依據明確的井下液位設計清砂管柱方案，提高清砂效率。

6 結論

1) 根據射流泵的特點，設計以清砂用射流泵為核心的井下局部反循環和多級沉砂的清砂工藝和系統。

2) 以某油田的N**5井為研究對象，設計了清砂用射流泵，選用固定式、正循環式的射流泵結構，泵體軸向總長1.4 m，泵體外徑為?114 mm。清砂用射流泵噴嘴出口的直徑d1=4.4 mm，喉管的直徑d2=7.7 mm。

3) 使用CFD數值模擬方法對清砂用射流泵的結構尺寸進行優化設計，得到喉嘴距Lc=7.7 mm、喉管長度L2=48 mm。

4) 對配套的清砂工具集砂器進行結構設計，針對?127 mm(5英寸)、?139.7 mm(5英寸)、?177.8 mm( 7英寸)套管，選用內外筒雙層結構進行相應規格的集砂器尺寸設計。

5) 在N**5井進行下井清砂試驗，為后續清砂作業的改進提供參考依據。