連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂技術(shù)在水平井中的應(yīng)用

汪國慶,周承富,呂選鵬,陳田勇,田東彬,劉麥珍

(1.渤海鉆探工程井下技術(shù)服務(wù)分公司,天津300283;2.渤海裝備中成機(jī)械鉆頭廠,天津300283) *

連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂技術(shù)在水平井中的應(yīng)用

汪國慶1,周承富1,呂選鵬1,陳田勇1,田東彬2,劉麥珍1

(1.渤海鉆探工程井下技術(shù)服務(wù)分公司,天津300283;2.渤海裝備中成機(jī)械鉆頭廠,天津300283)*

采用常規(guī)方法對水平井進(jìn)行沖砂作業(yè),風(fēng)險(xiǎn)高,且沖砂效果不好。通過對沖砂機(jī)理理論研究,配套了連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂工藝管柱。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場作業(yè)證明:連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂技術(shù)解決了小排量地面設(shè)備在水平井段的沖砂難題;實(shí)現(xiàn)了水力自進(jìn)、限速旋轉(zhuǎn)、紊流攜砂、深層解堵功能,解決了水平井沖砂作業(yè)沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的技術(shù)難題,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

水平井;連續(xù)油管;旋轉(zhuǎn)沖砂

連續(xù)油管技術(shù)現(xiàn)已擴(kuò)展到修井、完井、測井、增產(chǎn)措施、鉆井、管道集輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域[1-7],在石油工業(yè)領(lǐng)域被譽(yù)為“萬能作業(yè)設(shè)備”。隨著大港油田灘海油田水平井的增多,水平段油層出砂現(xiàn)象也日益嚴(yán)重,已嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)。用普通油管沖砂作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,特別是對水平井進(jìn)行沖砂,風(fēng)險(xiǎn)高,且沖砂效果不好,對儲(chǔ)層不能有效地保護(hù)。利用連續(xù)油管在水平井配套專用工具進(jìn)行沖砂作業(yè)將成為一種常規(guī)、高效的作業(yè)技術(shù)在世界范圍內(nèi)普及。國內(nèi)運(yùn)用連續(xù)油管對水平井進(jìn)行沖砂作業(yè)研究較少,特別是在小排量下沒有配套有效的工具,進(jìn)行的水平段沖砂作業(yè)效果不好。

1 沖砂參數(shù)理論計(jì)算

1.1 砂粒的沉降末速度

為了能確保沖砂液將井底砂子帶至地面,必要的條件是沖砂液在井內(nèi)的上升速度必須大于最大直徑砂粒的沉降末速度[8-9]。沖砂作業(yè)是油氣井井筒中的固液兩相流動(dòng),通常屬于稀疏固體流動(dòng),因此附加質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Safman力等忽略不計(jì),只考慮重力、浮力和表面阻力。

假設(shè)砂粒為球形,在液體中的沉降末速度與砂粒在液體中所受的重力、浮力、阻力有關(guān)。當(dāng)砂粒的沉降速度穩(wěn)定后,砂粒所受阻力為重力減去浮力[10],即

式中,d為砂粒直徑,m;ρs、ρl為砂和沖砂液的密度, kg/m3;g為重力加速度,9.8 m/s2;vt為靜止液體中砂粒沉降末速度,m/s;ψ為砂粒移動(dòng)的阻力系數(shù),無因次。

經(jīng)學(xué)者研究表明[9],要保證沖砂成功,沖砂液流態(tài)必須為紊流(1×103≤Re≤2×105),ψ=,由式(1)得

式中,CD為阻力系數(shù),無因次,對于沖砂液可視為牛頓流體,在紊流情況下,CD=0.44～0.50。

據(jù)調(diào)查研究,通常地層砂粒徑<0.2 mm,考慮到原油的存在,砂?？赡軙?huì)粘連到一起,因此在進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算時(shí)考慮3粒地層砂被原油包裹到一起的情況,此時(shí)砂粒的當(dāng)量直徑為0.5 mm,砂粒的密度為1.6～1.7 g/cm3,取最大值1.7 g/cm3,vt=0.10 m/s。

1.2 連續(xù)油管與油管小環(huán)空攜砂液返速

用連續(xù)油管對水平井段進(jìn)行沖砂,沖砂液攜砂通過?73 mm油管和連續(xù)油管之間的小環(huán)空返流到地面。小環(huán)空攜砂液返速計(jì)算式為

式中,vf為小環(huán)空攜砂液返速,m/s;Q為連續(xù)油管排量,m3/s;Ah為連續(xù)油管小環(huán)空面積,m2;Di為油管內(nèi)徑,m;do為連續(xù)油管外徑,m。

?73 mm油管內(nèi)徑為0.062 m,?50.8 mm連續(xù)油管外徑為 0.050 8 m,排量通常為 200～400 L/min,取最小值帶入式(3),得

2 沖砂管柱及專用工具

2.1 管柱組成

連續(xù)油管高壓旋轉(zhuǎn)水射流沖砂工藝管柱是針對水平井水平段長、上部井眼尺寸大等實(shí)際情況所引發(fā)的沖砂難、產(chǎn)層易受污染堵塞等問題而設(shè)計(jì)的。結(jié)合目前國內(nèi)連續(xù)油管現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了正向旋轉(zhuǎn)沖砂工藝。該工藝管柱由噴頭總成、旋轉(zhuǎn)控制器[11]、扶正器、安全接頭、回壓閥5部分組成,如圖1。

圖1 水平井沖砂工藝管柱

2.2 工藝原理及特點(diǎn)

該工藝管柱提供了一種水力自進(jìn)式可調(diào)速旋轉(zhuǎn)沖砂解堵裝置,它是改變沖砂噴頭在井底的受力狀態(tài),由連續(xù)油管被動(dòng)送進(jìn)改為水動(dòng)力主動(dòng)牽引,降低摩擦力,解決連續(xù)油管鉆壓傳遞及地面有效控制問題;改變沖砂噴頭在井底的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),由純滑動(dòng)改為水力旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)復(fù)合型;應(yīng)用高壓噴射局部形成負(fù)壓解除近井地帶堵塞[12]。通過上述措施實(shí)現(xiàn)了水力自進(jìn)、限速旋轉(zhuǎn)、紊流攜砂,深層解堵等功能,解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井沖砂作業(yè)沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的問題。

該工藝管柱結(jié)構(gòu)新穎,沖砂解堵同時(shí)進(jìn)行,可大幅度降低成本,可減少油層二次損害和污染;噴頭旋轉(zhuǎn)及錐殼旋轉(zhuǎn)射流使得井底流場呈螺紋狀上升,達(dá)到高效清砂解堵;作業(yè)液經(jīng)噴嘴節(jié)流加速,噴射速度大幅度提高,形成紊流,使得液體上返速度超過砂?；撍俣?0倍以上,解決了在地面設(shè)備排量小的情況下水平段沉砂問題。實(shí)現(xiàn)了水力自進(jìn)、限速旋轉(zhuǎn)、紊流攜砂、深層解堵功能,能夠解決水平井沖砂作業(yè)沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的技術(shù)難題。工具外徑尺寸較小,可通過?73 mm油管進(jìn)行作業(yè)。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 噴頭試驗(yàn)

1) 按照試驗(yàn)管柱圖將油管和工具串在試驗(yàn)基地的大院里連接好,管柱總長約3 m。

2) 將連接好的管串放置在管柱托架上,連接好水泥車與管串,啟動(dòng)泵車分別升壓,各穩(wěn)壓5 min,同時(shí)觀察整個(gè)管串的密封和工作情況,重點(diǎn)觀測噴頭單個(gè)噴嘴的揚(yáng)程和旋轉(zhuǎn)控制器的轉(zhuǎn)速。

噴嘴布置如圖2,室內(nèi)試驗(yàn)效果如圖3。由表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,噴頭的轉(zhuǎn)速和節(jié)流壓力完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 噴頭結(jié)構(gòu)

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)效果

表1 噴頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 旋轉(zhuǎn)沖砂試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)流程(如圖4)

圖4 試驗(yàn)流程

3.2.2 試驗(yàn)步驟

1) 按照圖4將油管和各工具連接好,安裝到地面模擬的?88.9 mm(英寸)水平井井筒內(nèi),管柱總長約10 m。隨后將地面模擬水平井井筒提離地面一定傾斜度,開始人工填砂,使整個(gè)井筒內(nèi)填砂約100 kg(粒徑0.5 mm),再將井筒置于水平位置,連接泵車開始沖砂。

2) 記錄泵車沖砂時(shí)的壓力和排量,同時(shí)觀察反出砂的情況,并詳細(xì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù),如表2。

3) 用小吊車將?88.9 mm(312英寸)套管傾斜,與水平方向傾斜角為20°,重復(fù)上述試驗(yàn)。

表2 不同傾角套管內(nèi)沖砂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

清水可以將水平段砂粒順利沖出,但當(dāng)套管傾斜一定角度后,清水的攜砂能力有一定的下降。砂粒若要達(dá)到相同的沖出率,可通過增加沖砂時(shí)間來補(bǔ)償,或者選取帶一定粘度的沖砂液。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

采用配套專用工具的連續(xù)油管對水平井段進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖砂,現(xiàn)場作業(yè)28井次,成功率100%,現(xiàn)以LQ2-10-1井為例。

LQ2-10-1井位于港東油田二區(qū)七斷塊,最大井斜89.3°,水平井段長450 m,由于出砂嚴(yán)重,砂埋油層,影響正常生產(chǎn),必須沖砂。

4.1 施工過程

下連續(xù)油管帶旋轉(zhuǎn)噴頭硬探砂面,用清水50 m3正循環(huán)沖砂,泵壓6 MPa,排量20 m3/h,無漏失,返地層砂3.8 m3,用時(shí)8 h。提出旋轉(zhuǎn)噴頭。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)效果

該井沖砂過程基本順利,在排量20 m3/h(小環(huán)空液體流速0.6 m/s)的情況下,雖然該井水平井段長達(dá)450 m,清水仍可以將0.3 mm左右的砂粒全部沖出,說明連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂工藝效果良好。

5 結(jié)語

通過對沖砂機(jī)理理論研究、室內(nèi)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用表明,連續(xù)油管配套專用旋轉(zhuǎn)沖砂工具對水平井沖砂作業(yè),解決了在地面設(shè)備排量小情況下水平井段的沖砂問題,實(shí)現(xiàn)了水力自進(jìn)、限速旋轉(zhuǎn)、紊流攜砂、深層解堵功能,解決了水平井沖砂作業(yè)中沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的技術(shù)難題,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 王騰飛,胥 云,蔣建方,等.連續(xù)油管水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2010,30(1):65-67.

[2] 張燕娜,石 凱.連續(xù)油管的應(yīng)用與發(fā)展[J].西部探礦工程,2010(1):93-98.

[3] 李寶林.連續(xù)油管壓裂技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程,2008,22(3):88-90.

[4] 馬發(fā)明,桑 宇.連續(xù)油管水力噴射壓裂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究[J].天然氣工業(yè),2008,28(1):76-78.

[5] 田守嶒,李根生,黃中偉,等.連續(xù)油管水力噴射壓裂技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2008,28(8):61-63.

[6] 蘇新亮,李根生,沈忠厚,等.連續(xù)油管鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2008,28(8):55-57.

[7] 林英松,蔣金寶,劉兆年,等.連續(xù)油管壓裂新技術(shù)[J].斷塊油氣田,2008,15(2):118-121.

[8] 李愛芬.地層砂粒在液體中的沉降規(guī)律研究[J].油氣地質(zhì)與采收率,2001,8(1):23-25.

[9] 黃中偉,李根生,羅洪斌,等.水平井防砂管內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流沖砂解堵機(jī)理與試驗(yàn)[J].石油鉆采工藝,2008,30(3): 93-96.

[10] 黃中偉,馬家驥,李根生,等.高壓旋轉(zhuǎn)射流解除井下防砂管柱的堵塞[J].石油鉆采工藝,2004,26(6): 65-67.

[11] 李根生,馬加驥,沈曉明,等.高壓水射流處理地層機(jī)理及試驗(yàn)[J].石油學(xué)報(bào),1998,19(1):96-99.

[12] 李樹臻,李光磊,王亞娟.油井負(fù)壓沖砂裝置研究[J].石油礦場機(jī)械,2004,33(3):21-23.

Applications of Horizontal Wells Rotating Sand-Washing Process With CT

WAN G Guo-qing1,ZHOU Cheng-fu1,LV Xuan-peng1,CHEN Tian-yong1, TIAN Dong-bin2,LIU Mai-zhen1
(1.Downhole Technology Service Company,B HDC,Tianjin300283,China;2.Drilling Bit Manuf cturing Plant,Zhongcheng Machinery Manuf acturing Co.,Ltd.,B H PE,Tianjin300283,China)

The conventional method of horizontal wells for sand washing operation,high risks,and is not effective.Sand through the mechanism of hedging theory,supporting the formation of a coiled tubing string rotating sand washing process,the laboratory experiments and field operations inspection,study of the formation of the coiled tubing rotary sand washing technology to solve the displacement of ground equipment,the case of small red horizontal section sand issue and realization of the self into the water,speed rotation,turbulent carrying sand,deep plugging,solve the grit sand washing operation of horizontal wells,carrying sand,drill press pass,sand plug string of technical problems,made good economic and social benefits.

horizontal wells;coiled tubing;rotating sand-washing

1001-3482(2011)05-0070-04

TE935

A

2010-11-23

汪國慶(1969-),男,天津人,高級(jí)工程師,1994年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)石油地質(zhì)專業(yè),E-mail:zhouchengfu11 @163.com。