井下雙向清洗工具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

摘 " 要：針對(duì)油氣井作業(yè)過(guò)程中洗井作業(yè)存在的返砂困難、沖洗效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種井下雙向清洗工具，可以通過(guò)正、反循環(huán)通道的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向循環(huán)洗井。正循環(huán)洗井過(guò)程中，工具底部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)水射流，可對(duì)管內(nèi)、管壁進(jìn)行沖洗解堵作業(yè)，疏通近井地帶；反循環(huán)洗井過(guò)程中，工具側(cè)壁循環(huán)孔打開(kāi)，中心管返出，攜砂能力較強(qiáng)。兩種循環(huán)方式可反復(fù)交互進(jìn)行，提高了沖砂效率，降低了砂卡的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)數(shù)值模擬分析，并結(jié)合地面測(cè)試，驗(yàn)證了工具的可靠性及沖砂效果。研究成果具有一定的現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用前景和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：沖砂；解堵；井筒清潔；正、反循環(huán)；洗井；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TE934.9 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.006

Structural Design and Experimental Study of Two-way Circulation Well Washing Tools

ZHANG Yunchi1，2， LIU Jingchao1，2，3， HAO Zhouzheng1，2， WANG Binggang1，2， ZUO Kai1，2，3，

LIU Chuangang1，2，3

（ 1.CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.， Tianjing 300459，China; 2.CNOOC Energy Technology amp; Services Limited Key Laboratory for Offshore Completion ， Tianjing 300459，China; 3.State Key Laboratory of Offshore Oil and Gas Exploitation， Tianjing 300459，China ）

Abstract：Aiming at the problems of sand return difficulty and low flushing efficiency in well washing operation， a sand washing tool with two circulation modes has been designed. The sand washing tool can realize direct and reverse circulation mode by switching its flow structure. During the process of direct circulation， a rotating water jet was generated at the bottom of the tool， which can wash the inside and outside of the tubular column. This operation improves the flushing efficiency and flushes the near wellbore area. During the reverse circulation process， the circular hole on the side of the tool is open. Sand mud returns along the center tube， which improves the ability to carry sand. The two circulation modes can repeatedly interact with each other and improve the sand washing efficiency. The reliability and sand washing effect of the tool have been verified by numerical simulation analysis and ground tests. The technology has a certain field popularization and application prospect and value.

Key words： sand washing; plug removal; hole cleaning; direct and reverse circulation; well washing; numerical simulation

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地層出砂是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，特別是在一些開(kāi)發(fā)年限較長(zhǎng)的老油田油井，開(kāi)采難度較大，加上酸化壓裂、解堵封竄等增產(chǎn)措施的應(yīng)用，更是加劇了地層出砂現(xiàn)象［1-3］。砂礫在井筒內(nèi)外堆積，在井筒內(nèi)形成砂柱或者砂床，如果沒(méi)有及時(shí)處理，會(huì)對(duì)油田的生產(chǎn)作業(yè)造成極大的影響，包括油井產(chǎn)量的銳減，注水效率的降低等［4］。出砂嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)诼窬鹿苤鹁率鹿剩虼酸槍?duì)一些出砂井，必要時(shí)需采用沖砂洗井作業(yè)，保證井下的正常生產(chǎn)，提高開(kāi)采效率，也在一定程度上規(guī)避了后續(xù)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)［5-7］。

在井筒清砂作業(yè)時(shí)，一般可以采用水力方式對(duì)井筒內(nèi)外的沉砂進(jìn)行清除。水力洗井可以分為正循環(huán)洗井和反循環(huán)洗井［8］。正循環(huán)洗井中沖砂液從作業(yè)管柱內(nèi)泵入，從環(huán)空排出；反循環(huán)洗井則相反，自環(huán)空泵入，再?gòu)淖鳂I(yè)管柱內(nèi)排出。受管柱尺寸影響，循環(huán)過(guò)程中沖砂液在管柱內(nèi)流速較快，環(huán)空流速慢，因此正循環(huán)洗井對(duì)井底沖洗效果相對(duì)較強(qiáng)，環(huán)空攜砂效果相對(duì)較弱，特別對(duì)水平井及大位移井來(lái)說(shuō)，大顆粒雜質(zhì)的上返效果不好，有砂卡的風(fēng)險(xiǎn)；反循環(huán)洗井則相反，管內(nèi)攜帶能力較強(qiáng)，但井底沖洗能力較弱。綜上所述，兩種循環(huán)沖砂方式均有各自的優(yōu)勢(shì)與不足。針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)了一種井下雙向清洗工具，一趟管柱下入，通過(guò)循環(huán)通道的切換，可以反復(fù)進(jìn)行正循環(huán)和反循環(huán)兩種洗井作業(yè)，并且在正循環(huán)沖砂時(shí)，沖砂液經(jīng)過(guò)設(shè)置的旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生高速水射流，提高了作業(yè)時(shí)效，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，更好地發(fā)揮正、反循環(huán)洗井兩種工藝各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到更好的井筒清潔效果，為油田健康生產(chǎn)、穩(wěn)定開(kāi)發(fā)提供環(huán)境保障。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

井下雙向清洗工具主要由旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭、流道切換裝置、旋流扶正器三部分組成如圖1所示。工具最大外徑？準(zhǔn)85 mm，總長(zhǎng)2.1 m，其中旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭的作用主要是在正循環(huán)洗井的過(guò)程中，在工具底部形成旋轉(zhuǎn)水射流，對(duì)井壁或者管壁進(jìn)行沖刷［9］。此外，噴頭尾部為爪形設(shè)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，可以起到一定的攪動(dòng)及破碎作用，破壞井底沉砂之間的膠結(jié)，使砂礫更易返排；流道切換裝置的作用主要是起到正、反循環(huán)的流道切換的作用。反循環(huán)時(shí)，在彈簧力的作用下，內(nèi)滑套打開(kāi)，內(nèi)孔道與外孔道相聯(lián)通，管柱內(nèi)部設(shè)置有濾網(wǎng)和單流閥，防止雜質(zhì)在工具下部堆積。正循環(huán)時(shí)，內(nèi)滑套上下表面產(chǎn)生壓差，進(jìn)而克服彈簧力量下行，關(guān)閉反循環(huán)通道，全部沖砂液由旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭噴出，停泵時(shí)，彈簧推動(dòng)內(nèi)滑套復(fù)位，重新打開(kāi)通道，如此往復(fù)如圖2所示。旋流扶正器的作用主要有兩方面，一是對(duì)管柱進(jìn)行扶正，保證下部噴頭位置相對(duì)居中，避免卡阻；二是對(duì)流經(jīng)此處的沖砂液產(chǎn)生旋流導(dǎo)向效果，提高攜砂能力［10］。

2 工具性能數(shù)值模擬

2.1 流道切換裝置受力分析

流道切換裝置可否順利動(dòng)作是整個(gè)工具的關(guān)鍵，要保證在一定排量下，內(nèi)滑套處產(chǎn)生的壓差力量足夠使其向下滑動(dòng)。初始正循環(huán)時(shí)，反循環(huán)閥為打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)聯(lián)通環(huán)空的流道面積最大，正沖時(shí)工具內(nèi)壓力最小，下推力也相對(duì)最小，反循環(huán)閥逐漸關(guān)閉時(shí)，流道面積開(kāi)始減小，壓差及下推力都逐漸增加，反循環(huán)閥關(guān)閉。因此，對(duì)反循環(huán)閥全開(kāi)時(shí)的工具內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，可以得到設(shè)計(jì)排量下內(nèi)滑套的下推力，以此為基準(zhǔn)，進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)。

首先提取工具內(nèi)流場(chǎng)，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取Realizable k-epsilon雙方程湍流模型進(jìn)行計(jì)算，模型進(jìn)口采用流量進(jìn)口，流量0.4 m3/min，出口為常壓出口，計(jì)算得到流場(chǎng)壓力分布情況如圖3所示。根據(jù)裝置上下表面的壓力差計(jì)算得到推力為2 196 N，為保證使用效果，此推力需克服滑套動(dòng)作摩阻及彈簧復(fù)位力，結(jié)合工具尺寸及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，彈簧的最大形變作用力設(shè)計(jì)為1 000 N，流道切換裝置滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭射流沖擊力分析

旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭設(shè)計(jì)最大排量為1.0 m3/min，采用4個(gè)切向噴嘴、4個(gè)斜向噴嘴和1個(gè)正向噴嘴，如圖4所示。切向噴嘴主要帶動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)，斜向和正向噴嘴主要對(duì)井下沉砂和管壁進(jìn)行解堵沖洗，在保證旋轉(zhuǎn)性的同時(shí)，提高清洗效率，噴頭底部采用四瓣爪設(shè)計(jì)，有一定攪動(dòng)效果，防止砂卡。

噴嘴射流沖擊力決定了工具的清洗效果，當(dāng)砂床的膠結(jié)能力較弱時(shí)，射流沖擊力需大于100 N［11］。下面以？準(zhǔn)114.3 mm（4英寸）篩管環(huán)境為例，對(duì)噴頭的射流沖擊力效果進(jìn)行仿真分析，計(jì)算過(guò)程不再贅述。提取三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算得到排量在0.6、0.8和1.0 m3/min下的速度場(chǎng)如圖5～6所示，整理計(jì)算結(jié)果如表1所示。可以看出當(dāng)排量在0.8～1.0 m3/min時(shí)，沖擊力大于100 N，滿足沖砂解堵要求，因此建議工作排量為0.8～1.0 m3/min，其中在最大排量下，射流作用于管壁的最大壓力為2.73 MPa，噴嘴最大流速103.46 m/s，最大噴嘴沖擊力160.25 N，可以產(chǎn)生很好的解堵沖洗效果［12］。

2.3 旋流扶正器旋流效果分析

旋流上接頭位于工具最上端，旋流翼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度800 mm，旋流翼升角45°，旋流翼數(shù)量為三個(gè)，沿周向均布。這里主要針對(duì)沖砂液流經(jīng)旋流翼時(shí)的旋流效果進(jìn)行仿真分析，結(jié)合設(shè)計(jì)尺寸及計(jì)算效率，設(shè)計(jì)流場(chǎng)長(zhǎng)度為3 m，流場(chǎng)環(huán)境為？準(zhǔn)114.3 mm（4英寸）篩管內(nèi)徑至工具間的環(huán)空如圖7所示。排量根據(jù)上述旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭沖擊力的仿真結(jié)果，主要考慮0.8、1.0 m3/min兩個(gè)工作排量。

在仿真流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中依次提取4個(gè)截面，如圖8所示。1號(hào)截面距離進(jìn)口端0.5 m，2號(hào)截面距離進(jìn)口端1.0 m，3號(hào)截面距離進(jìn)口端1.5 m，4號(hào)截面距離進(jìn)口端3.0 m。分析不同截面上的旋流效果，各截面旋流強(qiáng)度的強(qiáng)弱主要以截面上切向速度的大小來(lái)衡量，得到不同排量下各截面切向速度云圖。

整理仿真結(jié)果如表2所示，從結(jié)果可以看出，在旋流翼的作用下，旋流扶正器與井壁環(huán)空間內(nèi)的沖砂液產(chǎn)生了一個(gè)切向速度，其大小隨著軸向距離的增加而減少，旋流翼間切向速度最大，液體流出旋流翼后，旋流強(qiáng)度開(kāi)始衰減，有效旋流距離在3 m左右。在此距離內(nèi)的砂礫受到旋流的攜帶，更有利于其運(yùn)移和擴(kuò)散，從而可以提高了整個(gè)井眼的攜巖效率和清潔效果。

3 工具地面測(cè)試

為了驗(yàn)證井下雙向清洗工具結(jié)構(gòu)可靠性，在試驗(yàn)井場(chǎng)（海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）完成了井下雙向清洗工具的功能性試驗(yàn)。其中，對(duì)工具的關(guān)鍵性能參數(shù)及整體沖砂效果分別進(jìn)行了測(cè)試，具體測(cè)試內(nèi)容如下。

3.1 流道切換裝置測(cè)試

將井下雙向清洗工具固定于測(cè)試箱體內(nèi)，柱塞泵通過(guò)高壓管線與工具相連，測(cè)試箱體回路管線與柱塞泵回液池相連，整體構(gòu)成正循環(huán)通路，目的為了測(cè)試在不同排量下流道切換裝置的工作狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)排量低于0.42 m3/min時(shí)，流道切換裝置保持聯(lián)通狀態(tài)，如圖9所示。當(dāng)排量高于0.42 m3/min時(shí)，流道切換裝置關(guān)閉，全部流量經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭噴出，如圖10所示，即在正循環(huán)沖洗時(shí)，流道切換裝置啟動(dòng)排量為0.42 m3/min，與設(shè)計(jì)排量0.4 m3/min基本相符，反循環(huán)時(shí)，流道切換裝置保持狀態(tài)常開(kāi)，總體符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭射流沖擊力測(cè)試

在測(cè)試箱內(nèi)安裝沖擊力傳感器，與旋轉(zhuǎn)噴頭中心噴嘴保持統(tǒng)一水平線，可以前后調(diào)節(jié)與噴嘴的間距，以便測(cè)試不同距離下噴頭的射流沖擊力大小，如圖11所示。

按照3.1測(cè)試正循環(huán)沖洗時(shí)的啟動(dòng)排量為0.42 m3/min，因此以該排量為起點(diǎn)測(cè)試噴嘴的射流沖擊力，測(cè)試結(jié)果如表3所示。分析測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)排量大于0.7 m3/min時(shí)，射流沖擊力大于100 N，對(duì)砂床的沖擊破壞效果較好，基本符合設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。另外當(dāng)間距超過(guò)300 mm時(shí)，沖擊力衰減較快，建議將有效解堵距離控制在300 mm以內(nèi)。

3.3 沖洗解堵性能測(cè)試

井下雙向清洗工具沖洗解堵性能測(cè)試分為兩部分。

1） 驗(yàn)證管柱內(nèi)砂堵后的洗井效果。加工地面測(cè)試工裝進(jìn)行測(cè)試，工裝以？準(zhǔn)114.3 mm（4英寸）套管為基體。該工裝主要是為正、反循環(huán)沖砂及攜巖性能測(cè)試提供試驗(yàn)環(huán)境，測(cè)試前在套管一端下入井下雙向清洗工具，在套管另一端埋入砂礫并壓實(shí)，套管側(cè)壁開(kāi)有循環(huán)通道，通過(guò)地面閥門切換可實(shí)現(xiàn)工具正反循環(huán)沖洗。測(cè)試過(guò)程中分別進(jìn)行正、反循環(huán)沖洗，測(cè)試排量1.0 m3/min，測(cè)試過(guò)程中工具流道切換順暢、可靠，振動(dòng)篩出口處觀察到返出砂礫粒徑范圍為0.435～8.000 mm。測(cè)試后套管內(nèi)壁無(wú)殘留，砂礫均全部返出，清洗返砂效果良好，并且通過(guò)觀察看出，與未沖洗前管內(nèi)壁狀態(tài)相比，內(nèi)壁光潔度得到提升，證明在噴頭徑向沖擊力的作用下，對(duì)管壁起到了一定的除銹清洗效果，如圖12所示。

2） 測(cè)試對(duì)篩管篩網(wǎng)的沖洗解堵效果。利用預(yù)充填的？準(zhǔn)114.3 mm（4英寸）篩管短節(jié)作為測(cè)試對(duì)象（如圖13所示），其過(guò)流通道已被細(xì)粉砂堵死，再將工具固定于篩管短節(jié)內(nèi)部，正循環(huán)沖洗，沖洗排量1.0 m3/min。測(cè)試后對(duì)預(yù)充填篩管短節(jié)進(jìn)行逐層拆解，外部保護(hù)罩與各層金屬網(wǎng)布之間均無(wú)砂礫殘留，篩管解堵效果明顯，如圖14～15所示，證明在噴頭徑向沖擊力的作用下，對(duì)砂堵篩管可以起到解堵效果，有利于生產(chǎn)通道的恢復(fù)。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)了一種井下雙向清洗工具，工具初始狀態(tài)保持反循環(huán)通道，可以反循環(huán)對(duì)作業(yè)管柱沿程環(huán)空進(jìn)行清洗。當(dāng)?shù)孛媲袚Q為正循環(huán)流程時(shí)，一定排量下反循環(huán)通道關(guān)閉，沖砂液經(jīng)工具下部旋轉(zhuǎn)沖

洗噴頭進(jìn)行正循環(huán)沖洗解堵作業(yè)。工具整體可以實(shí)現(xiàn)正、反循環(huán)洗井作業(yè)的反復(fù)切換，沖洗效率高。

2） 反循環(huán)洗井時(shí)，反循環(huán)孔通道當(dāng)量直徑？準(zhǔn)27.7 mm；正循環(huán)洗井時(shí)，通過(guò)對(duì)工具流場(chǎng)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)排量大于0.42 m3/min時(shí)，反循環(huán)通道關(guān)閉，可進(jìn)行正循環(huán)旋轉(zhuǎn)射流洗井作業(yè)，建議在地面施工設(shè)備條件允許的前提下，控制正循環(huán)排量在0.8～1.0 m3/min之間，此時(shí)最大射流沖擊力超過(guò)200 N，沖洗解堵能力強(qiáng)，工作效率高。

3） 通過(guò)對(duì)旋流扶正器的流場(chǎng)分析，驗(yàn)證了工具對(duì)環(huán)空攜砂液產(chǎn)生的旋流效果，更有利于砂礫的返排，有效旋流長(zhǎng)度在3 m左右。

4） 通過(guò)工具整體的沖洗解堵能力測(cè)試，井下雙向清洗工具在軸向及徑向均有很好的沖洗解堵效果，可以起到疏通、清潔套管及篩管的作用。

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