水平環空井段內巖屑運移規律實驗研究

劉承婷 閆作秀 劉鋼

摘 ?????要： 利用PIV技術具有可視化、可靠性、準確性等特點，通過實驗方法研究了流體黏度、入口流量、井斜角等影響因素對水平環空井段內固體運移規律的影響。結果表明：隨著入口流量的增加液體對固體的攜帶作用增強，臨界攜砂流量為42 m3/d，流量繼續增加井筒對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，從而使固體運移速度也相應減小，但黏度增加有利于攜砂，臨界攜砂黏度為0.4 Pa·s，黏度繼續增加液相對固相的攜帶作用增加緩慢;井斜角增加不利于液相攜砂，井斜角達到90°時固定厚度最厚。

關 ?鍵 ?詞：環空井段;砂粒運移;PIV技術;油井防砂

中圖分類號：TE 25 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 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

油井出砂是油藏開采過程中所面臨的非常嚴重的問題之一，尤其是砂巖油藏與稠油油藏，砂粒在井內沉積形成固定層，不僅會影響油井產量，而且可能造成油井停產[1，2]。因此，需要對水平環空內砂粒的運移規律及沉降規律進行研究，從而為井筒除砂提供理論依據。PIV技術是一種精確的圖像處理技術，近年來在流體力學中得到了廣泛應用，并取得了良好的實驗效果[3，4]。本文運用PIV粒子成像技術對水平環空井筒內固液兩相的運移規律進行實驗研究，分析了不同環空入口流量、液相黏度、井斜角等主要影響因素對液相攜砂的作用效果，以期為現場沖砂洗井提供依據。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗裝置

PIV實驗裝置由PIV系統，與現場實際條件幾何相似的水平環空系統組成。水平環空管道內、外管由透明的玻璃材料制成，以便于觀察內部流場的變化規律。環空系統由水平環空管、下（收）砂裝置、流量計、水箱、壓差計、泵等組成。根據現場實際數據環空管總長設計成1.2 m，環空管內外管分別由 90 mm×5 mm、30 mm×5 mm（外徑90 mm，壁厚5 mm、內徑30 mm，壁厚5 mm）的透明玻璃材料制成[5]。環空管道與水箱連接保證環空內流體的循環流動。PIV系統主要由照明設備、CCD照相機、同步控制器、圖像采集器等組成，實驗結束后使用Teplot軟件處理圖像采集器采集的圖像。實驗流程圖如圖1。

1.2 ?實驗步驟

（1）連接好實驗裝置，配置黏度為0～0.6 Pa·s的聚合物溶液模擬采出液、準備粒徑為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）環空管中流動狀態穩定后，打開CCD照相機與激光器并調試好裝置使其拍出清晰的圖像。

（4）在低頻率轉速下開啟螺桿泵，通過調節螺桿泵的頻率改變入口流量。

（5）打開下砂裝置，向環空管路中均勻注入砂粒直至形成穩定的固定層。

（6）由低到高調整泵速，每個泵速對應一個流量值，流動穩定后記錄下流量計數值、保存粒子圖像、壓差計的數值。保存好記錄的向量文件及圖像，使用Tecplot軟件處理圖像。

（7）對入口流量實驗記錄好以后，調節流體黏度以及井斜角進行實驗，重復步驟（1）-（6）。

（8）實驗完成后對每組粒子圖像進行后處理，得到速度矢量圖、軸向速度圖、速度云圖等信息。

（9）試驗結束關閉PIV系統，水平環空管路等所用設備[6]。

2 ?實驗結果及分析

2.1 ?入口流量對固體運移的影響

圖2是通過Tecplot軟件對PIV粒子圖像進行后處理得到的速度云圖，井筒環空比為0.5。

由圖2可知，速度最大值對稱分布于上下環空間隙中間部位處，入口流量增加速度增加且速度峰值段長度增加，說明隨著入口流量的增加液相對固相的攜帶作用逐漸增強[7]。環空內流體攜砂的臨界流量為42 m3/d，當流量增加至42 m3/d后，流量繼續增加速度增加緩慢。這是因為入口壓力固定不變，隨著流量的增加流體所受壓力的作用不再發生明顯變化。

2.2 ?流體黏度對固體運移的影響

配比黏度為0～0.6 Pa·s范圍內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行實驗（圖3）。

由圖3可知隨著黏度的增加環空內流體流動的速度減小，黏度為0 Pa·s時流動速度最大，因為無黏流體一方面液相內部分子之間的引力非常小，流體的內摩擦力非常小，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時環空內流體的速度最大。黏度增加流體內部及相間產生的阻礙相對運動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增加，所以黏度越大液相對固相的攜帶作用越大。所以黏度增加有利于攜砂[8]，但黏度增加對速度的影響不大，臨界黏度為0.4 Pa·s，當黏度增加到0.4 Pa·s時，隨著黏度的繼續增加液相對固相的攜帶作用增加非常緩慢。

2.3 ?井斜角對固體運移的影響

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

井斜角達到90°時砂床厚度最厚，因為角度越大液相在垂直方向上的分量越大，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，從而使流體在環空內流動的能量損失增加，所以井斜角越大越不利于環空內流體攜砂。

3 ?結 論

通過PIV技術與實驗相結合研究不同環空入口流量、流體黏度、井斜角對砂粒運移規律的影響。結果得出：

（1）隨著入口流量的增加液相對固相的攜帶作用增強，環空內流體攜砂的臨界流量為42 m3/d，當流量增加至42 m3/d后，流量繼續增加速度增加緩慢。這是因為入口壓力固定不變，隨著流量的增加流體所受壓力的作用不再發生明顯變化。

（2）黏度為0 Pa·s時流動速度最大，這是因為無黏流體一方面液相內部分子之間的引力非常小，流體的內摩擦力非常小，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時流動速度最大，黏度增加流體內部及相間產生的阻礙相對運動的力以及摩擦力也增加，固液兩相的摻混程度相應增加，所以黏度越大液相對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）井斜角越大液相對固相的攜砂阻力越大，井斜角增加不利于環空井筒攜砂。這是因為角度增加液相在垂直方向的分量增加，使砂粒的沉降速度增加，砂粒更容易在環空井筒內沉積。井斜角增加，固定層重力的分量向下同時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，從而使流體在環空內流動的能量損失增加，所以井斜角越大越不利于環空內流體攜砂。

參考文獻：

[1] 孫輝，李兆敏，吳仕貴，等.疏松砂巖油藏動態出砂定量預測技術[J].油氣地質與采收率，2007，14（4）：62-64.

[2] 張修亮.出砂預測技術研究[D].中國石油大學，2011.

[3] 劉振亞，劉建坤，李 旭，胡田飛，等.PIV技術在非飽和凍土模型實驗中的實現與灰度相關性分析[J].巖土工程學報，2018，40（2）：313-319.

[4] 段俐，康琦.PIV技術的粒子圖像處理方法[J].北京航空航天大學學報，2000，26（1）：79-82.

[5] 楊盼盼.水平井段環空內砂粒運移規律研究[D].大慶：東北石油大學，2013.

[6] 楊琦，羅永光，漆鑫，施哲.基于粒子圖像測速技術的分銀爐內速度場及湍流研究[J].礦冶，2017，26（6）：55-62.

[7]孫曉峰，閆鐵，王克林，邵帥，欒石柱.壓回法壓井技術適用性研究[J].科技導報，2013，31（36）：36-40.

[8] 劉承婷， 張維薇， 劉鋼， 閆作秀. 水平井環空旋流攜砂流動規律實驗研究[J]. 當代化工， 2017， 46 （08）： 1585-1588.