連續油管旋轉沖砂技術在水平井中的應用

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服務分公司,天津300283;2.渤海裝備中成機械鉆頭廠,天津300283) *

連續油管旋轉沖砂技術在水平井中的應用

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服務分公司,天津300283;2.渤海裝備中成機械鉆頭廠,天津300283)*

采用常規方法對水平井進行沖砂作業,風險高,且沖砂效果不好。通過對沖砂機理理論研究,配套了連續油管旋轉沖砂工藝管柱。經室內試驗和現場作業證明:連續油管旋轉沖砂技術解決了小排量地面設備在水平井段的沖砂難題;實現了水力自進、限速旋轉、紊流攜砂、深層解堵功能,解決了水平井沖砂作業沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的技術難題,取得了良好的經濟效益和社會效益。

水平井;連續油管;旋轉沖砂

連續油管技術現已擴展到修井、完井、測井、增產措施、鉆井、管道集輸等多個領域[1-7],在石油工業領域被譽為“萬能作業設備”。隨著大港油田灘海油田水平井的增多,水平段油層出砂現象也日益嚴重,已嚴重影響正常的生產。用普通油管沖砂作業勞動強度大,費時費力,特別是對水平井進行沖砂,風險高,且沖砂效果不好,對儲層不能有效地保護。利用連續油管在水平井配套專用工具進行沖砂作業將成為一種常規、高效的作業技術在世界范圍內普及。國內運用連續油管對水平井進行沖砂作業研究較少,特別是在小排量下沒有配套有效的工具,進行的水平段沖砂作業效果不好。

1 沖砂參數理論計算

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]。沖砂作業是油氣井井筒中的固液兩相流動,通常屬于稀疏固體流動,因此附加質量力、Basset力、Magnus力、Safman力等忽略不計,只考慮重力、浮力和表面阻力。

假設砂粒為球形,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。當砂粒的沉降速度穩定后,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為砂粒移動的阻力系數,無因次。

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

式中,CD為阻力系數,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。

據調查研究,通常地層砂粒徑<0.2 mm,考慮到原油的存在,砂粒可能會粘連到一起,因此在進行水力學計算時考慮3粒地層砂被原油包裹到一起的情況,此時砂粒的當量直徑為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 連續油管與油管小環空攜砂液返速

用連續油管對水平井段進行沖砂,沖砂液攜砂通過?73 mm油管和連續油管之間的小環空返流到地面。小環空攜砂液返速計算式為

式中,vf為小環空攜砂液返速,m/s;Q為連續油管排量,m3/s;Ah為連續油管小環空面積,m2;Di為油管內徑,m;do為連續油管外徑,m。

?73 mm油管內徑為0.062 m,?50.8 mm連續油管外徑為 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

連續油管高壓旋轉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際情況所引發的沖砂難、產層易受污染堵塞等問題而設計的。結合目前國內連續油管現狀,設計了正向旋轉沖砂工藝。該工藝管柱由噴頭總成、旋轉控制器[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

該工藝管柱提供了一種水力自進式可調速旋轉沖砂解堵裝置,它是改變沖砂噴頭在井底的受力狀態,由連續油管被動送進改為水動力主動牽引,降低摩擦力,解決連續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動狀態,由純滑動改為水力旋轉與滑動復合型;應用高壓噴射局部形成負壓解除近井地帶堵塞[12]。通過上述措施實現了水力自進、限速旋轉、紊流攜砂,深層解堵等功能,解決了復雜結構井沖砂作業沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的問題。

該工藝管柱結構新穎,沖砂解堵同時進行,可大幅度降低成本,可減少油層二次損害和污染;噴頭旋轉及錐殼旋轉射流使得井底流場呈螺紋狀上升,達到高效清砂解堵;作業液經噴嘴節流加速,噴射速度大幅度提高,形成紊流,使得液體上返速度超過砂粒滑脫速度10倍以上,解決了在地面設備排量小的情況下水平段沉砂問題。實現了水力自進、限速旋轉、紊流攜砂、深層解堵功能,能夠解決水平井沖砂作業沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的技術難題。工具外徑尺寸較小,可通過?73 mm油管進行作業。

3 室內試驗

3.1 噴頭試驗

1) 按照試驗管柱圖將油管和工具串在試驗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,啟動泵車分別升壓,各穩壓5 min,同時觀察整個管串的密封和工作情況,重點觀測噴頭單個噴嘴的揚程和旋轉控制器的轉速。

噴嘴布置如圖2,室內試驗效果如圖3。由表1的試驗數據可知,噴頭的轉速和節流壓力完全符合設計要求。

圖2 噴頭結構

圖3 室內試驗效果

表1 噴頭試驗數據

3.2 旋轉沖砂試驗

3.2.1 試驗流程(如圖4)

圖4 試驗流程

3.2.2 試驗步驟

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,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,使整個井筒內填砂約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) 記錄泵車沖砂時的壓力和排量,同時觀察反出砂的情況,并詳細記錄相關數據,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°,重復上述試驗。

表2 不同傾角套管內沖砂試驗數據

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

4 現場應用

采用配套專用工具的連續油管對水平井段進行旋轉沖砂,現場作業28井次,成功率100%,現以LQ2-10-1井為例。

LQ2-10-1井位于港東油田二區七斷塊,最大井斜89.3°,水平井段長450 m,由于出砂嚴重,砂埋油層,影響正常生產,必須沖砂。

4.1 施工過程

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

4.2 現場試驗效果

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

5 結語

通過對沖砂機理理論研究、室內模擬試驗和現場應用表明,連續油管配套專用旋轉沖砂工具對水平井沖砂作業,解決了在地面設備排量小情況下水平井段的沖砂問題,實現了水力自進、限速旋轉、紊流攜砂、深層解堵功能,解決了水平井沖砂作業中沉砂、攜砂、鉆壓傳遞、砂堵管柱的技術難題,取得了良好的經濟效益和社會效益。

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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.

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1001-3482(2011)05-0070-04

TE935

A

2010-11-23

汪國慶(1969-),男,天津人,高級工程師,1994年畢業于中國地質大學石油地質專業,E-mail:zhouchengfu11 @163.com。