水平井筛管解堵工艺技术的改进

曲庆利，王晓梅，赵 涛，王 培

(1.大港油田石油工程研究院 天津300456；2.大港油田井下作业公司 天津300456)

0 引 言

油水井防砂是大港油田的重要措施，出砂油藏水平井主要分布在港东、港西、板桥、孔店、羊三木等区块，主要层位是明化、馆陶油组。港东、港西、羊三木等区块属于细粉砂油藏，分选性差、泥质含量高，出砂严重，主要采用独立筛管进行防砂，由于筛管与地层砂匹配等问题，使得防砂效果差，油井出现不同程度的出砂或者堵塞问题。大港油田疏松砂岩油藏防砂井的生产实践表明，挡砂介质(机械筛管的挡砂层和砾石层)的堵塞已经逐步成为困扰防砂井正常生产的主要问题之一。

防砂井生产过程中，地层流体携带地层细砂、机械杂质、黏土泥质等固相堵塞物冲击挡砂介质，如果固相介质不能顺利通过挡砂层，就会附着或侵入挡砂层内部，如果无法排出则会造成挡砂层渗透率降低，形成堵塞，进而严重影响油井产量[1]。常规酸洗、冲砂作业对筛管内壁清洗力度不够，解堵效果不明显。为了挖潜砂泥堵塞筛管油井产能，开发了筛管解堵工艺技术。

1 筛管解堵工艺技术原理

筛管解堵工艺技术是集酸洗解堵和水射流解堵为一体的解堵工艺。先将解堵工具通过油管串送入油井筛管堵塞段，酸液通过解堵工具打入地层，使酸液作用于筛管及近井储层。酸液浸泡一段时间后顶替出地面，通过水射流工具冲洗筛管彻底解堵。现场所用水力喷射解堵工具包括安装有赫姆霍兹自激振荡喷嘴的水射流工具本体，赫姆霍兹喷嘴在工具本体上呈螺旋升角排列，且喷嘴出口正对筛管内壁，利用其喷射的高速水流实现对精密复合筛管的多层过滤层通道的有效解堵。井下工作原理如图1。

图1 井下工作原理图Fig.1 Schematic diagram of downhole work

在筛管脉冲解堵施工中，将水射流工具、扶正器、安全接头、输送管柱依次连接并下入井中筛管堵塞段，酸液用泵车通过输送管柱、安全接头进入水射流工具，并注入筛管及近井地带，酸液快速和地层中的堵塞物发生化学反应，剥离溶解砂粒间的胶结物和部分砂粒，或溶解孔隙中的泥质堵塞物或其他后生沉淀物等，并降低原油黏度、表面张力，改善液体的流动性质，使地层堵塞物松动、脱落、溶解。浸泡30min后，将酸液驱出地面，开泵正循环，水射流工具开始进行解堵作业。水射流冲击力冲出井筒内的细砂及堵塞筛管上附着的粉细砂和泥质，并冲出堵塞筛管外地层中的粉细砂等堵塞物，且高速水射流可以携带粉细砂等堵塞物上返到地面。将水射流工具缓慢下放至输送管柱，使其从上到下连续冲洗堵塞筛管，直至堵塞筛管的底部；然后缓慢上提输送管柱，水射流工具从下到上连续清洗堵塞筛管，直至筛管脉冲解堵装置到达堵塞筛管的顶部。这样反复清洗 5～6次，完成解堵工作。该技术冲洗力度可自由调节，且螺旋布孔方式可最大限度冲洗到筛管过流通道。水射流工具易于装配，互换性强，可根据需要进行组合。

2 施工参数设计与计算

根据流体力学原理，作用在喷嘴上的压力为:

式中:Fpump为水泥车泵压，MPa；Hf1为油管内沿程水头损失，m；Hf2为油套环空沿程水头损失，m；P为作用在喷嘴上的压力，MPa。

2.1 油管内沿程水头损失Hf1

油管内沿程水头损失:

式中:λ为沿程水头损失系数，无因次量；L为油管长度，m；d为油管内径，m；v为油管内流体的流动速度，m/s；g 为重力加速度，m/s2。

沿程水头损失系数λ根据油管粗糙度和流态的不同，按下列公式选取[2]:

式中:R e=ρVd/μ，为雷诺数；ρ为流体的密度，kg/m3；μ为流体的动力黏度，Pa·s；ε＝2Δ/d，管材相对粗糙度，无量纲；Δ为管材绝对粗糙度，一般钢管为0.19mm。

因为筛管解堵技术施工过程中流体的雷诺数Re＞2000，为紊流状态，因此不考虑 Re≤2000时的层流状态。

2.2 环空沿程水头损失Hf2

首先计算雷诺数Re，判断流体流态:

式中:D为套管内径，m；d′为油管外径，m。

若2000 ＜ Re ＜ 59.7/ε8/7，则为水力光滑紊流区，沿程水头损失系数λ的计算方法同(3)式；

于是环空沿程水头损失:

3 喷嘴水力参数及射流水力参数计算

设计的自激振荡喷嘴如图 2所示。喷嘴入口是类圆锥曲面，起导流进水的作用，入口底部为直圆柱孔。喷嘴自激腔顶部为圆锥形上撞击面，底部为圆锥形下撞击面。上撞击面延伸部分构成上撞击面夹角α，下撞击面延伸部分构成下撞击面夹角β。喷嘴为硬质合金 YG11C粉末烧结而成。喷嘴各部分尺寸为:d1＝15.81mm，d2＝6.35mm，d3＝18mm，d4＝6.35mm，α＝140 °，β＝120 °。

喷嘴工作时，由喷嘴入口进入的流体经下撞击面反射向上再由上撞击面反射向下，上撞击面的反射压力波与向下运动的水流压力波初相相等时，形成波形叠加，一起向喷嘴出口运动，造成喷嘴出口喷出射流的速度、压力呈周期性变化，这就形成自激振荡脉冲射流。

图2 自激振荡喷嘴Fig.2 Self-sustained oscillation nozzle

3.1 喷嘴的水力参数

喷嘴水力参数包括喷嘴压力降和水功率。利用Fluent软件对喷嘴进行了数值仿真分析。考虑到现场泵车的工作参数限制，对排量为 1m3/min和1.5m3/min的工况进行了模拟。水射流工具外径为114mm，筛管内径取 124mm。由于喷嘴和筛管都是轴对称结构，采用二维计算区域[3]。运用 standard kε两方程紊流模型获得压降曲线，通过该曲线可知喷嘴压力降P的范围为1.7～3.8MPa(见图3、4)。

图3 排量为1m3/min的喷嘴压降曲线Fig.3 Pressure drop curve of 1m3/min nozzle

图4 排量为1.5m3/min的喷嘴压降曲线Fig.4 Pressure drop curve of 1.5m3/min nozzle

根据水力学原理，喷嘴水功率表达式为:

式中:N为喷嘴水功率，W；Q为泵排量，m3/s。

3.2 射流水力参数

射流水力参数包括射流的喷射速度、射流冲击力。利用 Fluent软件对喷嘴进行数值模拟速度矢量图见图 5—图 8。泵排量 1m3/min时，喷嘴出口喷射速度最大为 55.2m/s，相比于常规连续射流喷嘴喷射速度 43.86m/s，亥姆霍兹自激振荡喷嘴最大喷射速度提高了 25.85%。筛管受到的射流冲击力最大为1.3MPa。泵排量1.5m3时，喷嘴出口喷射速度最大为82.9m/s，相比于常规连续射流喷射速度 65.8m/s，亥姆霍兹自激振荡喷嘴最大喷射速度提高了26.4%。筛管受到的射流冲击力最大为2.6MPa。

图5 排量为1.5m3/min的喷嘴喷射速度矢量图Fig.5 Jet velocity vector diagram of 1.5m3/min nozzle

图6 排量为1m3/min的射流冲击力曲线Fig.6 Jet impact force curve of 1m3/min nozzle

图7 排量为1.5m3/min的喷嘴喷射速度矢量图Fig.7 Jet velocity vector diagram of 1.5m3/min nozzle

图8 排量为1.5m3/min的射流冲击力曲线Fig.8 Jet impact force curve of 1.5m3/min nozzle

4 清洗酸洗液体设计及泵注程序

酸洗清洗液体用量是根据需要解堵的筛管长度、处理半径、油层厚度和有效孔隙度来确定的。施工液中各成分比例根据具体地层特点、堵塞程度及设计要求及时调整，以达到最优酸化解堵效果。泵注程序可以按表1进行，现场技术人员可根据出口返液的情况调整施工泵压、排量和施工液量。

5 工具室内试验

对自行研制的水射流工具进行了室内试验。实验步骤如下:①堵剂优选，最终选择了由膨润土、碱、CMC、超细水泥与水按一定比例配制的黏度208mPa·s的堵剂，并将堵剂填充入试验筛管中堵塞筛管。②进行筛管过流能力测试。筛管打压时，注入水处于渗流状态，憋压明显，堵剂起到了封堵筛管的作用。③解堵工具放置筛管内进行解堵试验。试验数据如表1。

表1 实验数据Tab.1 Experimental data

通过实验可知:筛管解堵后的过流能力与未充填堵剂时的过流能力接近，解堵工具达到设计要求。

6 结 论

①通过酸洗解堵与水射流解堵相结合，可以对砂泥堵塞筛管进行有效解堵，水射流工具易于装配，互换性强，可根据需要进行组合。

②设计的自激振荡喷嘴水力参数和射流水力参数能够满足施工现场泵车的施工参数，对筛管的清洗效果更彻底。