篩管解堵工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

，，

(大港油田 石油工程研究院，天津 300280)①

大港油田出砂油藏水平井主要分布在港東、港西、板橋、孔店、羊三木等非注聚區(qū)區(qū)塊，層位主要是明化、館陶油組。港東、港西、羊三木等區(qū)塊屬于細(xì)粉砂油藏，分選性差、泥質(zhì)含量高，出砂嚴(yán)重，主要采用精密復(fù)合篩管防砂完井，由于篩管與地層砂匹配等問(wèn)題，使得防砂效果差，油井出現(xiàn)不同程度的出砂或者堵塞問(wèn)題。大港油田疏松砂巖油藏防砂井的生產(chǎn)實(shí)踐表明，擋砂介質(zhì)的堵塞已經(jīng)逐步成為困擾防砂井正常生產(chǎn)的主要問(wèn)題之一。防砂井生產(chǎn)過(guò)程中，地層流體攜帶地層細(xì)砂、機(jī)械雜質(zhì)、黏土泥質(zhì)等固相堵塞物沖擊擋砂介質(zhì)，如果固相介質(zhì)不能順利通過(guò)擋砂層，則會(huì)附著或侵入擋砂層內(nèi)部，形成砂泥與油質(zhì)組成的混合物，如無(wú)法排出則會(huì)造成擋砂層滲透率降低，形成堵塞，進(jìn)而嚴(yán)重影響油井產(chǎn)量[1]。大港油田篩管清洗及酸化解堵作業(yè)實(shí)踐證明，沖出油井中砂泥與油質(zhì)混合物后，油井產(chǎn)液量得到了一定程度的恢復(fù)；但是篩管清洗作業(yè)不能對(duì)篩管內(nèi)壁形成垂直射流沖擊，清洗力度不夠。酸化解堵雖然能降低篩管堵塞物附著力，但不能從篩管上充分剝離堵塞物，解堵后堵塞物再次聚集，形成堵塞所需時(shí)間短，解堵有效期短[2-4]。割縫篩管和繞絲篩管因?yàn)闆](méi)有中間擋砂介質(zhì)層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)用篩管清洗及酸化解堵作業(yè)可起到篩管解堵的效果[5-6]。精密復(fù)合篩管是在打孔基管和保護(hù)罩中間有充填介質(zhì)，打孔基管上開(kāi)孔面積只占基管總面積3%～5%，造成篩管清洗和酸洗解堵對(duì)擋砂介質(zhì)中堵塞物剝離效果不明顯，精密復(fù)合篩管解堵效果不佳。運(yùn)用水射流脈沖解堵可以提高對(duì)篩管堵塞物的沖洗力度，但是應(yīng)用的脈沖解堵工具由于需要在作業(yè)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，造成工具中很容易進(jìn)入砂泥而發(fā)生堵塞失效。為了挖潛砂泥堵塞篩管油井產(chǎn)能，研制了篩管解堵工藝技術(shù)。

1 篩管解堵工藝技術(shù)原理

1.1 工作原理

篩管解堵工藝技術(shù)是集酸洗解堵和水射流解堵為一體的解堵工藝。先將解堵工具通過(guò)油管串送入油井篩管堵塞段，酸液通過(guò)解堵工具打入地層，使酸液作用于篩管及近井儲(chǔ)層。酸液浸泡一段時(shí)間后頂替出地面，通過(guò)水射流工具沖洗篩管并徹底解堵。如圖1所示。

1—油管；2—安全接頭；3—篩管； 4—扶正器；5—水射流工具；6—絲堵。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

該水力噴射解堵工具包括中空的水射流工具本體，工具本體上安裝有自激振蕩噴嘴，噴嘴在工具本體上呈螺旋升角排列，且噴嘴出口正對(duì)篩管內(nèi)壁，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)精密復(fù)合篩管的多層過(guò)濾層通道的有效解堵。如圖2所示。

圖2 解堵工具

1.3 施工工序及特點(diǎn)

1) 將水射流工具、扶正器、安全接頭、輸送管柱依次連接并下入井中篩管堵塞段。

2) 酸液用泵車通過(guò)輸送管柱、安全接頭進(jìn)入水射流工具，并注入篩管及近井地帶，酸液快速和地層中的堵塞物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，剝離溶解砂粒間的膠結(jié)物和部分砂粒，或者溶解孔隙中的泥質(zhì)堵塞物或其它的后生沉淀物等，并降低原油黏度，降低巖石的表明張力，改善液體的流動(dòng)性質(zhì)，使地層堵塞物松動(dòng)、脫落、溶解。

3) 浸泡30 min后，將酸液替出地面。

4) 開(kāi)泵正循環(huán)，水射流工具開(kāi)始進(jìn)行解堵作業(yè)。水射流沖擊力沖出井筒內(nèi)的細(xì)砂及堵塞篩管上附著的粉細(xì)砂和泥質(zhì)，并沖出堵塞篩管外地層中的粉細(xì)砂等堵塞物，且高速水射流可以攜帶粉細(xì)砂等堵塞物上返到地面。緩慢下放輸送管柱，使水射流工具從上到下連續(xù)沖洗堵塞篩管，直至堵塞篩管的底部。然后緩慢上提輸送管柱，水射流工具從下到上連續(xù)清洗堵塞篩管，直至篩管脈沖解堵裝置到達(dá)堵塞篩管的頂部。這樣反復(fù)清洗5～6次，完成解堵工作。

工藝技術(shù)特點(diǎn)：

1) 與常用酸液解堵工藝相比，該工藝采用酸液與水力復(fù)合解堵方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)篩網(wǎng)深部解堵。

2) 噴槍采用自激振蕩脈沖結(jié)構(gòu)，噴射力可調(diào)，抗堵塞性較好。

2 噴嘴水力參數(shù)及射流水力參數(shù)計(jì)算

2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)及原理

自激振蕩噴嘴為硬質(zhì)合金粉末燒結(jié)而成。噴嘴入口是類圓錐曲面，起導(dǎo)流進(jìn)水的作用，入口底部為直圓柱孔；噴嘴自激腔頂部為圓錐形上撞擊面，底部為圓錐形下撞擊面，上撞擊面延伸部分構(gòu)成上撞擊面夾角α，下撞擊面延伸部分構(gòu)成下撞擊面夾角β。如圖3所示。

1—噴嘴入口；2—上撞擊面；3—自激腔； 4—下撞擊面；5—噴嘴出口。

噴嘴工作時(shí)，當(dāng)穩(wěn)定、連續(xù)的高速水射流進(jìn)入噴嘴時(shí),射流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自激腔內(nèi)流體的速度,所以射流與腔內(nèi)流體的交界處發(fā)生劇烈的剪切運(yùn)動(dòng)，與周圍流體發(fā)生混合以及動(dòng)量交換,出現(xiàn)不穩(wěn)定剪切層。由于流體的黏滯作用,交界面兩側(cè)的流體必然發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換，剪切層周圍的流體被夾帶形成軸對(duì)稱渦環(huán)。由于不穩(wěn)定剪切層的選擇、放大作用,剪切射流中一定頻率范圍內(nèi)的渦量擾動(dòng)得到放大,形成大尺度渦環(huán)結(jié)構(gòu)。剪切層形成的離散渦環(huán),受到下撞擊面的反射作用,產(chǎn)生一定的壓力、速度擾動(dòng)。這種擾動(dòng)以聲速反射至剪切層敏感的初始分離區(qū),引起渦量脈動(dòng)。因?yàn)榍婚L(zhǎng)遠(yuǎn)小于反射波長(zhǎng)，所以始終存在向上反射的擾動(dòng)波[7]。向上游反射形成壓力擾動(dòng)波,誘發(fā)新的渦量擾動(dòng)，再由上撞擊面反射向下，上撞擊面的反射擾動(dòng)與向下運(yùn)動(dòng)的初始擾動(dòng)頻率接近時(shí),形成疊加效應(yīng)，產(chǎn)生振幅較大的振蕩。兩者一起向噴嘴出口運(yùn)動(dòng)，造成噴嘴出口的射流速度、壓力呈周期性變化，形成自激振蕩脈沖射流。

2.1 數(shù)值模型

2.1.1控制方程

噴嘴內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、N-S方程、能量方程[8-9]。為了簡(jiǎn)化模擬，本文假定流動(dòng)為不可壓流動(dòng)，且在噴嘴中無(wú)熱傳導(dǎo)發(fā)生,計(jì)算中不需求解能量方程。

不可壓縮流體的連續(xù)性方程在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

式中:vx、vy、vz為速度矢量v在x、y、z方向上的分量。

對(duì)于不可壓縮黏性流體的N-S方程,在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

式中：ρ為流體的密度；η為運(yùn)動(dòng)黏度；p為流體微元的壓力；X、Y、Z為質(zhì)量力在x、y、z方向上的分量。

用式(1)、(2)原則上可以求得不可壓縮黏性流體流場(chǎng)的解。由于N-S方程中出現(xiàn)了速度的二階導(dǎo)數(shù),它的普遍解在數(shù)學(xué)上還有困難,只有某些特殊情況才能使方程得到充分簡(jiǎn)化,求出近似解。

由于射流場(chǎng)處于高湍流狀態(tài),因此采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型來(lái)封閉上述方程組。標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程為

(3)

式中：Gk為平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，對(duì)于不可壓縮紊流，Gb=0；μt為湍流黏性系數(shù)，μt=ρCμ·k2/ε；YM為可壓縮湍流中，過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，對(duì)于不可壓縮湍流，YM=0；σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，σk=1.0，σε=1.3；Sk、Sε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)，對(duì)于不可壓縮紊流，Sk=0，Sε=0；C1ε、C2ε、C3ε和Cμ為常數(shù)，在Fluent中,作為默認(rèn)值常數(shù),C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09。

2.1.2計(jì)算區(qū)域選擇

由于噴嘴和篩管均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此采用了二維計(jì)算區(qū)域[10-11]。水射流工具外徑為114 mm，篩管內(nèi)徑取124 mm。建模時(shí)以A點(diǎn)為原點(diǎn)，建立如圖4所示的二維軸對(duì)稱模型。其中AB、BC為對(duì)稱軸，BF為噴嘴出口，CD為篩管內(nèi)壁，DE為篩管內(nèi)壁與水射流工具外徑之間的環(huán)形空間返出液出口，EF為水射流工具外壁，F(xiàn)G、GH、HI、IJ、JK、KL為噴嘴內(nèi)壁，AL為噴嘴入口。計(jì)算時(shí)取整個(gè)流體域長(zhǎng)CD=100 mm，噴嘴出口與篩管內(nèi)壁距離BC=5 mm。

圖4 計(jì)算區(qū)域模型

2.1.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型以四邊形網(wǎng)格為主。通過(guò)控制各邊界上局部網(wǎng)格的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)部位網(wǎng)格加密，以獲得更精確的模擬結(jié)果。為了著重研究噴嘴及噴嘴出口對(duì)應(yīng)篩管部位的流動(dòng)狀況，對(duì)噴嘴及噴嘴出口對(duì)應(yīng)篩管部位的網(wǎng)格劃分較密。對(duì)于篩管內(nèi)壁CD邊，由于噴嘴射流作用部位是分析中重點(diǎn)關(guān)注部位，需要細(xì)化網(wǎng)格劃分。其他內(nèi)壁部分不是重點(diǎn)部位，對(duì)網(wǎng)格劃分要求不高。為此使用了過(guò)渡型的網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)從C點(diǎn)至D點(diǎn)網(wǎng)格逐漸由密邊疏，如圖5所示?？偣矂澐至?8 177個(gè)網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格如圖6所示。

圖5 過(guò)渡型網(wǎng)格劃分示意

圖6 網(wǎng)格劃分效果

2.1.4邊界條件

邊界條件設(shè)置如下：噴嘴入口AL為速度入口邊界；CD、EF、FG、GH、HI、IJ、JK、KL為壁面邊界；環(huán)形空間返出液出口ED為壓力出口；AB、BC為對(duì)稱軸邊界。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)泵車的工作參數(shù)限制以及噴嘴在排量較小時(shí)脈沖效果不明顯，對(duì)排量為1.0和1.5 m3/min的工況進(jìn)行了模擬。對(duì)應(yīng)泵車排量為1.0和1.5 m3/min；噴嘴入口處的速度值分別為7.07和10.61 m/s。采用湍流強(qiáng)度和當(dāng)量直徑作為說(shuō)明湍流的方法，湍流強(qiáng)度為4%，當(dāng)量直徑為 15.81 mm；出口壓力表壓設(shè)為0 Pa。流體材料設(shè)為水的單相流體。水的特性為密度998.2 kg/m3、黏度1.003 mPa·s。采用SIMPLE 算法對(duì)控制方程進(jìn)行數(shù)值求解，初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算。

2.2 噴嘴的水力參數(shù)

噴嘴水力參數(shù)包括噴嘴壓力降和水功率。壓降曲線如圖7所示，對(duì)應(yīng)泵車排量1.0和1.5 m3/min，噴嘴壓力降為1.7～3.8 MPa。

a 排量1.0 m3/min

b 排量1.5 m3/min

根據(jù)水力學(xué)原理，噴嘴水功率表達(dá)式為

N=ΔpQ

(5)

式中：N為噴嘴水功率，W；Q為泵車排量，m3/s；Δp為壓差，Pa。

因此，對(duì)應(yīng)泵車排量為1.0 、1.5 m3/min工況，噴嘴水功率為28～63 kW。

2.3 射流水力參數(shù)

射流水力參數(shù)包括射流的噴射速度、射流沖擊力。利用Fluent軟件對(duì)噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，速度矢量如圖8、10所示。泵車排量1.0 m3/min時(shí)，噴嘴出口噴射最大速度為55.2 m/s，與常規(guī)連續(xù)射流噴嘴噴射速度43.86 m/s相比，自激振蕩噴嘴最大噴射速度提高了25.85%。篩管受到的射流沖擊力最大為1.3 MPa，如圖9所示。泵車排量1.5 m3/min時(shí)，噴嘴出口噴射最大速度為82.9 m/s，與常規(guī)連續(xù)射流噴嘴噴射速度65.8 m/s相比，自激振蕩噴嘴最大噴射速度提高了26.4%。篩管受到的射流沖擊力最大為2.9 MPa，如圖11所示。噴嘴的射流沖擊力小于篩管能承受的最大壓差10 MPa。

圖8 排量為1.0 m3/min的噴嘴噴射速度矢量云圖

圖9 排量為1.0 m3/min的射流沖擊力曲線

圖10 排量為1.5 m3/min的噴嘴噴射速度矢量云圖

圖11 排量為1.5 m3/min的射流沖擊力曲線

3 工作液設(shè)計(jì)及泵注程序

工作液用量是根據(jù)需要解堵篩管長(zhǎng)度、處理半徑、油層厚度和有效孔隙度確定。工作液名稱和配置如表1，工作液中各成分比例根據(jù)具體地層特點(diǎn)、堵塞程度及設(shè)計(jì)要求及時(shí)調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)酸化解堵效果。泵注程序如表2，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可根據(jù)出口返液的情況調(diào)整施工泵壓、排量和工作液量。在正替后處理液循環(huán)時(shí)，油管可按0.6 m/min的速度緩慢移動(dòng)，以保證篩管得到充分沖洗。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)水射流工具進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，步驟如下：

1) 選取長(zhǎng)度4 m的精密復(fù)合篩管，篩管一端與絲堵連接，另一端與試壓泵連接，開(kāi)泵加壓，記錄泵壓。

2) 堵劑優(yōu)選。選擇黏度208 mPa·s的堵劑，并將堵劑填充入試驗(yàn)篩管中堵塞篩管。

表2 泵注程序

3) 進(jìn)行篩管過(guò)流能力測(cè)試。篩管加壓時(shí)，注入水處于滲流狀態(tài)，憋壓明顯，堵劑起到了封堵篩管的作用。

4) 把解堵工具放入篩管內(nèi)，進(jìn)行解堵試驗(yàn)。解堵工具調(diào)試如圖12。

圖12 解堵工具調(diào)試

5) 解堵后的篩管一端與絲堵連接，另一端與試壓泵連接，開(kāi)泵加壓，記錄泵壓。

篩管解堵效果如圖13，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

通過(guò)試驗(yàn)可知：篩管解堵后的過(guò)流能力與未充填堵劑時(shí)的過(guò)流能力接近，解堵工具達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖13 篩管解堵效果

流量/(m3·min-1)篩管未充填堵劑時(shí)壓力/MPa篩管充填堵劑時(shí)壓力/MPa篩管解堵后壓力/MPa0.60.21.50.3～0.60.90.53.30.4～0.7

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

Z8井油層屬于沙河街組，成巖疏松，孔隙度25%，滲透率338×10-3μm2,泥質(zhì)含量為14.43%～30.66%。2014-11新井投產(chǎn)，初期日產(chǎn)液25 m3，日產(chǎn)油12 t。2015-06油井日產(chǎn)液8 m3，日產(chǎn)油5 t。分析認(rèn)為該井儲(chǔ)層泥質(zhì)含量高，經(jīng)過(guò)7個(gè)月的生產(chǎn)，砂泥運(yùn)移堆積在篩網(wǎng)流道附近，造成篩管堵塞，造成油井液量下降。2017-05采用水力脈沖噴射解賭技術(shù)，對(duì)篩管流道進(jìn)行解堵疏通，恢復(fù)油井液量。

由圖14可知，通過(guò)對(duì)Z8井進(jìn)行水力脈沖噴射解堵工藝技術(shù)措施作業(yè)，初期日產(chǎn)液28.3 m3、日產(chǎn)油13.38 t；生產(chǎn)200 d后，日產(chǎn)液23.45 m3、日產(chǎn)油10.39 t，生產(chǎn)穩(wěn)定。較作業(yè)前日產(chǎn)液增加8.24 m3、日產(chǎn)油增加5.88 t。取得較好效果，達(dá)到了作業(yè)措施目的。

圖14 Z8井月采油綜合曲線

6 結(jié)論

1) 通過(guò)酸洗解堵與水射流解堵相結(jié)合，可以對(duì)砂泥堵塞篩管進(jìn)行有效解堵。水射流工具易于裝配，互換性強(qiáng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行組合。

2) 采用Fluent中的Standardk-ε兩方程湍流模型對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，為解堵工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3) 設(shè)計(jì)的篩管解堵工藝滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件，操作簡(jiǎn)單，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好的解堵效果。