連續(xù)液動解堵工藝設(shè)計及其在渤海油田的應用

張延旭， 王冠華， 李 虎， 代向輝， 李 翔， 郭宏峰

(1中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司 2中海油田服務股份有限公司油生增產(chǎn)中心)

油田在開發(fā)的過程中，部分油水井均受到不同程度的污染，導致篩管、炮眼及近井地帶因堵塞問題而降低油井產(chǎn)量及注水井注入量。作為物理法增產(chǎn)增注連續(xù)液動解堵技術(shù)，相對于水力振蕩[1]、低頻壓力脈沖[2～9]、井下超聲波[10]等物理增產(chǎn)技術(shù)而言，其具有設(shè)備少、體積小、無需動管柱、成本低等優(yōu)點。該技術(shù)通過在井口安裝能量發(fā)生器及在井筒中進行憋壓(井口壓力5～12 MPa)，通過控制能量發(fā)生器中的閥門快速開啟泄壓而后快速關(guān)閉閥門憋壓造成沖擊波對地層堵塞物進行水力沖擊，形成水擊壓力波對井筒及井底污染物進行水力振蕩，反復進行上述過程而使堵塞物隨液流被帶出井口，達到解堵的目的。目前，關(guān)于連續(xù)液動解堵技術(shù)理論方面的研究并不多見，僅有的理論研究文獻[11～15]中多數(shù)僅是針對井下發(fā)生裝置產(chǎn)生的壓力波(聲波)對地層影響方面的研究，但對于井口發(fā)生裝置造成的壓力波在井筒中的傳播很少涉及。其中，僅中國石油大學的王宏萬[9]對該工藝過程進行了數(shù)值模擬研究，但僅模擬了瞬時單次關(guān)閥的水擊壓力傳播過程，并未討論符合本工藝的連續(xù)開關(guān)閥門造成的正負水擊壓力波疊加的過程，亦未討論瞬時開閥所造成的負水擊現(xiàn)象。

本文以渤海油田K12井作為實施井例，討論了瞬時開閥時的流速計算方法，并以此作為參數(shù)進行計算考察井口發(fā)生裝置連續(xù)開關(guān)閥門對井筒內(nèi)壓力波傳播造成的影響，以更加接近工藝技術(shù)的實施過程，用以指導現(xiàn)場實踐。

一、工藝設(shè)計

1. 開閥流速設(shè)計

連續(xù)液動解堵工藝技術(shù)的理論為水擊理論：閥門快速開啟造成負水擊，而后閥門快速關(guān)閉產(chǎn)生正水擊，如此往復，通過調(diào)節(jié)開關(guān)閥門的頻率使得壓力波進行疊加，造成巨大的沖擊壓力波或諧振波對地層進行作用。通過理論研究可知，水擊壓力差的表達式為[16]：

Δp=ρvc

(1)

式中：Δp—水擊壓差，Pa；ρ—液體密度，kg/m3；v—液體流速，m/s；c—液體的聲速，m/s。

對于以負水擊作為初始物理過程的連續(xù)液動解堵而言，液體流速v是未知的。

通過對井筒進行憋壓使得井口具有壓力p0，快速開閥將迅速釋放井筒內(nèi)液體的彈性能而使得液體隨開閥時間的延長具有一定的流速，定義該流速為開閥流速，它是進行連續(xù)液動解堵理論研究的關(guān)鍵參數(shù)。

為獲得開閥時流速及泄壓規(guī)律，考慮將井筒視為盛滿液體的帶壓容器。當閥門突然打開，井筒內(nèi)的液體在初始壓力下向外流出。隨時間的延長，壓力逐漸下降，流速逐漸升高，當壓力完全為0的瞬間，流速達到最大，隨后流速驟減為0。在此過程中，設(shè)定固定微小時間間隔，在此時間間隔內(nèi)結(jié)合液體的彈性理論及動量守恒原理，通過迭代過程可計算該時間間隔內(nèi)的流速及壓力，并以該流速及壓力作為下一個時間間隔的初始值繼續(xù)計算，直至壓力為0時計算結(jié)束，此時即可輸出各時間間隔內(nèi)的流速。

K12井井身長度為2 831 m，油管外徑為101.6 mm，由于該井注水限壓pmax為8 MPa，因此工藝的壓力參數(shù)設(shè)計為8 MPa，通過計算考察開閥流速和井口壓力與開閥時間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 流速和井口壓力隨開閥時間的變化曲線

由圖1可知，井口憋壓狀態(tài)下突然開閥是一種泄壓過程，隨開閥時間增加，憋壓液體瞬時流速增加，井口壓力降低，并于3 s后井口壓力完全泄掉，此時流速達到最大。為保證作業(yè)時的具備較高的水擊沖擊壓力、井口壓力不會掉落過快，同時不會對管柱及地層造成不良影響，一般選取開閥時間為0.3～0.5 s為宜，此時開閥瞬時流速在1.2 m/s左右，水擊沖擊壓力為1.56 MPa，沖擊功率約為16.4 MW，滿足解堵作業(yè)要求。

2. 壓力脈沖頻率設(shè)計

通過將開閥瞬時流速數(shù)據(jù)代入至水擊基本方程組，便可計算水擊壓差以及模擬連續(xù)液動壓力波。本文采用文獻[17]的結(jié)論及計算方法來模擬連續(xù)液動脈沖，及開關(guān)閥門頻率對波形及沖擊壓力的影響。

文獻[17]將連續(xù)性方程、動量方程與流體及油管的彈性方程相結(jié)合，推導出水擊基本方程組：

(2)

式中：λ—水力摩阻系數(shù)，無量綱；E—管壁彈性系數(shù)，Pa；δ—油管壁厚，m；g—重力加速度，m/s2；θ—井筒與水平線的夾角，rad；其它參數(shù)意義同上。

對上述方程組采用擴散型有限差分法進行離散和求解，便可近似模擬連續(xù)液動解堵的物理過程。計算結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖3可以看出，頻率為每分鐘12次時通過水擊壓力波峰(谷)疊加達到最大的水擊壓差，約為6 MPa，可采用此頻率制造沖擊波以震碎地層堵塞物。該頻率所造成的正負壓分別為14 MPa和2 MPa，考慮到井筒管柱安全和地層出砂風險，在實施中采用每分鐘10次的頻率，壓差約為4 MPa。當頻率低于或高于該頻率時，水擊壓差減弱，考慮連續(xù)液動的水力振蕩作用，則采用每分鐘15～20次的頻率制造諧振波以振松堵塞物，并被攜帶出井筒，達到解堵的目的。

圖2 頻率分別為6、8、10次/min時壓力波分布圖

圖3 頻率分別為12、15、20次/min時壓力波分布圖

3. 工藝流程

連續(xù)液動解堵技術(shù)的優(yōu)勢在于所用設(shè)備少、工藝簡單、不使用化學藥劑等方面，考慮較為理想的工藝流程進行作業(yè)(見圖4)：

(1)開油管循環(huán)滑套，采取環(huán)空供液憋壓、油管液流返出的工藝流程。

(2)降低返出管線的能耗，盡量減少返出管線長度，將管線直接接泥漿池。

圖4 施工工藝流程

二、解堵措施效果

渤海油田K12井是該區(qū)塊的一口注水井，自投注以來已經(jīng)歷9次酸化作業(yè)。初期酸化效果明顯，酸化后視吸水指數(shù)初增倍數(shù)最高達1.9，且隨酸化頻次增加而逐漸降低，最后一次酸化作業(yè)視吸水指數(shù)初增倍數(shù)降為0.1，酸化作業(yè)已無明顯增注效果，多輪次酸化處理已無法滿足配注要求。為了提高該井注水量，同時節(jié)約作業(yè)成本，嘗試采用連續(xù)液動負壓解堵工藝進行解堵作業(yè)，達到解堵增注的目的。K12井連續(xù)液動解堵作業(yè)實施過程持續(xù)6 h，作業(yè)結(jié)束后關(guān)滑套恢復注水，該井瞬時日注水量上升至716 m3，注水壓力8 MPa，視吸水指數(shù)為88.68 m3/(d·MPa)。隨后注水量逐漸下降，經(jīng)3 d時間日注水量穩(wěn)定在570 m3，達到該井的日配注量，效果顯著(見表1)。

表1 施工后作業(yè)效果記錄

分析注水量下降的原因在于，物理處理方法對地層具有一定的激動作用，通過水力沖擊及振蕩導致堵塞物脫落、剝離，并隨液流一起運動。在解堵施工結(jié)束后會留有部分堵塞物沒有被攜帶出井筒，并隨注水的恢復而重新進入地層，導致地層再次被堵塞，造成施工效果減弱。

三、結(jié)論及建議

(1)通過理論分析研究了開閥流速的計算方法，確施工時開閥時間在0.3～0.5 s，瞬時流速為1.2 m/s，水擊壓力1.56 MPa，沖擊功率16.4 MW，滿足作業(yè)要求。

(2)通過求解水擊基本方程組連續(xù)液動解堵物理過程進行模擬，確定每分鐘10次閥門開關(guān)頻率制造沖擊波以震碎地層堵塞物，以每分鐘15～20次的頻率制造諧振波振松堵塞物并攜帶出井筒達到解堵目的。

(3)實例井經(jīng)連續(xù)液動解堵作業(yè)后，最初視吸水指數(shù)由作業(yè)前48.83 m3/(d·MPa)提高至88.68 m3/(d·MPa)，隨后穩(wěn)定至68.85 m3/(d·MPa)，解堵増注效果顯著。

(4)單一的連續(xù)液動解堵工藝存在效果遞減的現(xiàn)象，建議與化學法結(jié)合形成協(xié)同復合技術(shù)，既可鞏固物理法的作業(yè)效果，亦可進一步發(fā)揮化學法的作用，達到最佳的解堵效果。

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