水平環(huán)空井段內(nèi)巖屑運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

劉承婷 閆作秀 劉鋼

摘 ?????要： 利用PIV技術(shù)具有可視化、可靠性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了流體黏度、入口流量、井斜角等影響因素對(duì)水平環(huán)空井段內(nèi)固體運(yùn)移規(guī)律的影響。結(jié)果表明：隨著入口流量的增加液體對(duì)固體的攜帶作用增強(qiáng)，臨界攜砂流量為42 m3/d，流量繼續(xù)增加井筒對(duì)固相的攜帶作用不再明顯增加;黏度的增加使液體速度減小，從而使固體運(yùn)移速度也相應(yīng)減小，但黏度增加有利于攜砂，臨界攜砂黏度為0.4 Pa·s，黏度繼續(xù)增加液相對(duì)固相的攜帶作用增加緩慢;井斜角增加不利于液相攜砂，井斜角達(dá)到90°時(shí)固定厚度最厚。

關(guān) ?鍵 ?詞：環(huán)空井段;砂粒運(yùn)移;PIV技術(shù);油井防砂

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 25 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）02-0333-04

Abstract： With the features of visualization， reliability and accuracy， PIV technology was used to study the influence of fluid viscosity， inlet flow rate， well slope angle and other influence factors on the law of solid movement in horizontal annular shaft. The results showed that，with the increase of the inlet flow， the effect of the liquid on the solid movement was enhanced， the critical sand carrying flow was 42 m3/d， but the further increase of flow rate did not obviously improve the carrying effect of the solid; the increase of the viscosity reduced the velocity of the liquid， thus the velocity of solid movement reduced， but the increase of the viscosity was beneficial to the carrying of the sand. The critical sand carrying viscosity was 0.4 Pa·s， and the further increase of viscosity slightly improved the sand carrying ability; the increase of the angle of the well was not favorable to the liquid carrying sand， and the fixed thickness was the thickest when the angle of the well reached to 90°.

Key words： Annular section; Sand migration; PIV technology; Sand control

油井出砂是油藏開(kāi)采過(guò)程中所面臨的非常嚴(yán)重的問(wèn)題之一，尤其是砂巖油藏與稠油油藏，砂粒在井內(nèi)沉積形成固定層，不僅會(huì)影響油井產(chǎn)量，而且可能造成油井停產(chǎn)[1，2]。因此，需要對(duì)水平環(huán)空內(nèi)砂粒的運(yùn)移規(guī)律及沉降規(guī)律進(jìn)行研究，從而為井筒除砂提供理論依據(jù)。PIV技術(shù)是一種精確的圖像處理技術(shù)，近年來(lái)在流體力學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果[3，4]。本文運(yùn)用PIV粒子成像技術(shù)對(duì)水平環(huán)空井筒內(nèi)固液兩相的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同環(huán)空入口流量、液相黏度、井斜角等主要影響因素對(duì)液相攜砂的作用效果，以期為現(xiàn)場(chǎng)沖砂洗井提供依據(jù)。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置

PIV實(shí)驗(yàn)裝置由PIV系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件幾何相似的水平環(huán)空系統(tǒng)組成。水平環(huán)空管道內(nèi)、外管由透明的玻璃材料制成，以便于觀察內(nèi)部流場(chǎng)的變化規(guī)律。環(huán)空系統(tǒng)由水平環(huán)空管、下（收）砂裝置、流量計(jì)、水箱、壓差計(jì)、泵等組成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)環(huán)空管總長(zhǎng)設(shè)計(jì)成1.2 m，環(huán)空管內(nèi)外管分別由 90 mm×5 mm、30 mm×5 mm（外徑90 mm，壁厚5 mm、內(nèi)徑30 mm，壁厚5 mm）的透明玻璃材料制成[5]。環(huán)空管道與水箱連接保證環(huán)空內(nèi)流體的循環(huán)流動(dòng)。PIV系統(tǒng)主要由照明設(shè)備、CCD照相機(jī)、同步控制器、圖像采集器等組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后使用Teplot軟件處理圖像采集器采集的圖像。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)步驟

（1）連接好實(shí)驗(yàn)裝置，配置黏度為0～0.6 Pa·s的聚合物溶液模擬采出液、準(zhǔn)備粒徑為0.1～0.4 mm的石英砂。

（2）待管路中氣體被排凈后，向水箱中加入清水并放入示蹤粒子，攪拌均勻。

（3）環(huán)空管中流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定后，打開(kāi)CCD照相機(jī)與激光器并調(diào)試好裝置使其拍出清晰的圖像。

（4）在低頻率轉(zhuǎn)速下開(kāi)啟螺桿泵，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿泵的頻率改變?nèi)肟诹髁俊?/p>

（5）打開(kāi)下砂裝置，向環(huán)空管路中均勻注入砂粒直至形成穩(wěn)定的固定層。

（6）由低到高調(diào)整泵速，每個(gè)泵速對(duì)應(yīng)一個(gè)流量值，流動(dòng)穩(wěn)定后記錄下流量計(jì)數(shù)值、保存粒子圖像、壓差計(jì)的數(shù)值。保存好記錄的向量文件及圖像，使用Tecplot軟件處理圖像。

（7）對(duì)入口流量實(shí)驗(yàn)記錄好以后，調(diào)節(jié)流體黏度以及井斜角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重復(fù)步驟（1）-（6）。

（8）實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)每組粒子圖像進(jìn)行后處理，得到速度矢量圖、軸向速度圖、速度云圖等信息。

（9）試驗(yàn)結(jié)束關(guān)閉PIV系統(tǒng)，水平環(huán)空管路等所用設(shè)備[6]。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 ?入口流量對(duì)固體運(yùn)移的影響

圖2是通過(guò)Tecplot軟件對(duì)PIV粒子圖像進(jìn)行后處理得到的速度云圖，井筒環(huán)空比為0.5。

由圖2可知，速度最大值對(duì)稱(chēng)分布于上下環(huán)空間隙中間部位處，入口流量增加速度增加且速度峰值段長(zhǎng)度增加，說(shuō)明隨著入口流量的增加液相對(duì)固相的攜帶作用逐漸增強(qiáng)[7]。環(huán)空內(nèi)流體攜砂的臨界流量為42 m3/d，當(dāng)流量增加至42 m3/d后，流量繼續(xù)增加速度增加緩慢。這是因?yàn)槿肟趬毫潭ú蛔儯S著流量的增加流體所受壓力的作用不再發(fā)生明顯變化。

2.2 ?流體黏度對(duì)固體運(yùn)移的影響

配比黏度為0～0.6 Pa·s范圍內(nèi)聚丙烯酰胺水溶液模擬油品，分別在清水和不同黏度聚合物溶液下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖3）。

由圖3可知隨著黏度的增加環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)的速度減小，黏度為0 Pa·s時(shí)流動(dòng)速度最大，因?yàn)闊o(wú)黏流體一方面液相內(nèi)部分子之間的引力非常小，流體的內(nèi)摩擦力非常小，流體能量損失就非常小，另一方面流體與井筒壁面的摩擦阻力非常小，所以黏度為0時(shí)環(huán)空內(nèi)流體的速度最大。黏度增加流體內(nèi)部及相間產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力以及摩擦力也增加，流體的能量損失也增加，固液兩相的摻混程度相應(yīng)增加，所以黏度越大液相對(duì)固相的攜帶作用越大。所以黏度增加有利于攜砂[8]，但黏度增加對(duì)速度的影響不大，臨界黏度為0.4 Pa·s，當(dāng)黏度增加到0.4 Pa·s時(shí)，隨著黏度的繼續(xù)增加液相對(duì)固相的攜帶作用增加非常緩慢。

2.3 ?井斜角對(duì)固體運(yùn)移的影響

由速度云圖4可知，隨著井斜角的增加，固定層厚度增加。說(shuō)明井斜角增加不利于液相攜砂。

井斜角達(dá)到90°時(shí)砂床厚度最厚，因?yàn)榻嵌仍酱笠合嘣诖怪狈较蛏系姆至吭酱?，從而使砂粒的沉降速度增加，砂粒下降速度增加從而使固定層厚度增加。另外，固定層重力的分量向下增加了液相與井筒壁面之間的摩阻損失，使液相的攜砂阻力增加，從而使流體在環(huán)空內(nèi)流動(dòng)的能量損失增加，所以井斜角越大越不利于環(huán)空內(nèi)流體攜砂。

3 ?結(jié) 論

通過(guò)PIV技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究不同環(huán)空入口流量、流體黏度、井斜角對(duì)砂粒運(yùn)移規(guī)律的影響。結(jié)果得出：

（1）隨著入口流量的增加液相對(duì)固相的攜帶作用增強(qiáng)，環(huán)空內(nèi)流體攜砂的臨界流量為42 m3/d，當(dāng)流量增加至42 m3/d后，流量繼續(xù)增加速度增加緩慢。這是因?yàn)槿肟趬毫潭ú蛔儯S著流量的增加流體所受壓力的作用不再發(fā)生明顯變化。

（2）黏度為0 Pa·s時(shí)流動(dòng)速度最大，這是因?yàn)闊o(wú)黏流體一方面液相內(nèi)部分子之間的引力非常小，流體的內(nèi)摩擦力非常小，流體能量損失非常小，另一方面流體與井筒壁面的摩擦阻力非常小，所以黏度為0 Pa·s時(shí)流動(dòng)速度最大，黏度增加流體內(nèi)部及相間產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力以及摩擦力也增加，固液兩相的摻混程度相應(yīng)增加，所以黏度越大液相對(duì)固相的攜帶作用越大。所以黏度增加有利于攜砂，但黏度增加對(duì)速度的影響不大，臨界黏度為0.4 Pa·s。

（3）井斜角越大液相對(duì)固相的攜砂阻力越大，井斜角增加不利于環(huán)空井筒攜砂。這是因?yàn)榻嵌仍黾右合嘣诖怪狈较虻姆至吭黾?，使砂粒的沉降速度增加，砂粒更容易在環(huán)空井筒內(nèi)沉積。井斜角增加，固定層重力的分量向下同時(shí)增加了液相與井筒壁面之間的摩阻損失，使液相的攜砂阻力增加，從而使流體在環(huán)空內(nèi)流動(dòng)的能量損失增加，所以井斜角越大越不利于環(huán)空內(nèi)流體攜砂。

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