井下雙向清洗工具設計與試驗研究

摘 " 要：針對油氣井作業過程中洗井作業存在的返砂困難、沖洗效率低等問題，設計了一種井下雙向清洗工具，可以通過正、反循環通道的切換來實現雙向循環洗井。正循環洗井過程中，工具底部產生旋轉水射流，可對管內、管壁進行沖洗解堵作業，疏通近井地帶；反循環洗井過程中，工具側壁循環孔打開，中心管返出，攜砂能力較強。兩種循環方式可反復交互進行，提高了沖砂效率，降低了砂卡的風險。通過數值模擬分析，并結合地面測試，驗證了工具的可靠性及沖砂效果。研究成果具有一定的現場推廣應用前景和價值。

關鍵詞：沖砂；解堵；井筒清潔；正、反循環；洗井；數值模擬

中圖分類號：TE934.9 " " " " 文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.006

Structural Design and Experimental Study of Two-way Circulation Well Washing Tools

ZHANG Yunchi1，2， LIU Jingchao1，2，3， HAO Zhouzheng1，2， WANG Binggang1，2， ZUO Kai1，2，3，

LIU Chuangang1，2，3

（ 1.CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.， Tianjing 300459，China; 2.CNOOC Energy Technology amp; Services Limited Key Laboratory for Offshore Completion ， Tianjing 300459，China; 3.State Key Laboratory of Offshore Oil and Gas Exploitation， Tianjing 300459，China ）

Abstract：Aiming at the problems of sand return difficulty and low flushing efficiency in well washing operation， a sand washing tool with two circulation modes has been designed. The sand washing tool can realize direct and reverse circulation mode by switching its flow structure. During the process of direct circulation， a rotating water jet was generated at the bottom of the tool， which can wash the inside and outside of the tubular column. This operation improves the flushing efficiency and flushes the near wellbore area. During the reverse circulation process， the circular hole on the side of the tool is open. Sand mud returns along the center tube， which improves the ability to carry sand. The two circulation modes can repeatedly interact with each other and improve the sand washing efficiency. The reliability and sand washing effect of the tool have been verified by numerical simulation analysis and ground tests. The technology has a certain field popularization and application prospect and value.

Key words： sand washing; plug removal; hole cleaning; direct and reverse circulation; well washing; numerical simulation

在油田開發過程中，地層出砂是一個不容忽視的問題，特別是在一些開發年限較長的老油田油井，開采難度較大，加上酸化壓裂、解堵封竄等增產措施的應用，更是加劇了地層出砂現象［1-3］。砂礫在井筒內外堆積，在井筒內形成砂柱或者砂床，如果沒有及時處理，會對油田的生產作業造成極大的影響，包括油井產量的銳減，注水效率的降低等［4］。出砂嚴重時甚至會掩埋井下管柱，引起井下事故，因此針對一些出砂井，必要時需采用沖砂洗井作業，保證井下的正常生產，提高開采效率，也在一定程度上規避了后續的作業風險［5-7］。

在井筒清砂作業時，一般可以采用水力方式對井筒內外的沉砂進行清除。水力洗井可以分為正循環洗井和反循環洗井［8］。正循環洗井中沖砂液從作業管柱內泵入，從環空排出；反循環洗井則相反，自環空泵入，再從作業管柱內排出。受管柱尺寸影響，循環過程中沖砂液在管柱內流速較快，環空流速慢，因此正循環洗井對井底沖洗效果相對較強，環空攜砂效果相對較弱，特別對水平井及大位移井來說，大顆粒雜質的上返效果不好，有砂卡的風險；反循環洗井則相反，管內攜帶能力較強，但井底沖洗能力較弱。綜上所述，兩種循環沖砂方式均有各自的優勢與不足。針對這種情況，筆者設計了一種井下雙向清洗工具，一趟管柱下入，通過循環通道的切換，可以反復進行正循環和反循環兩種洗井作業，并且在正循環沖砂時，沖砂液經過設置的旋轉噴頭結構，可以產生高速水射流，提高了作業時效，降低作業風險，更好地發揮正、反循環洗井兩種工藝各自的技術優勢，以達到更好的井筒清潔效果，為油田健康生產、穩定開發提供環境保障。

1 整體結構設計及工作原理

井下雙向清洗工具主要由旋轉沖洗噴頭、流道切換裝置、旋流扶正器三部分組成如圖1所示。工具最大外徑？準85 mm，總長2.1 m，其中旋轉沖洗噴頭的作用主要是在正循環洗井的過程中，在工具底部形成旋轉水射流，對井壁或者管壁進行沖刷［9］。此外，噴頭尾部為爪形設計，在旋轉過程中，可以起到一定的攪動及破碎作用，破壞井底沉砂之間的膠結，使砂礫更易返排；流道切換裝置的作用主要是起到正、反循環的流道切換的作用。反循環時，在彈簧力的作用下，內滑套打開，內孔道與外孔道相聯通，管柱內部設置有濾網和單流閥，防止雜質在工具下部堆積。正循環時，內滑套上下表面產生壓差，進而克服彈簧力量下行，關閉反循環通道，全部沖砂液由旋轉沖洗噴頭噴出，停泵時，彈簧推動內滑套復位，重新打開通道，如此往復如圖2所示。旋流扶正器的作用主要有兩方面，一是對管柱進行扶正，保證下部噴頭位置相對居中，避免卡阻；二是對流經此處的沖砂液產生旋流導向效果，提高攜砂能力［10］。

2 工具性能數值模擬

2.1 流道切換裝置受力分析

流道切換裝置可否順利動作是整個工具的關鍵，要保證在一定排量下，內滑套處產生的壓差力量足夠使其向下滑動。初始正循環時，反循環閥為打開狀態，此時聯通環空的流道面積最大，正沖時工具內壓力最小，下推力也相對最小，反循環閥逐漸關閉時，流道面積開始減小，壓差及下推力都逐漸增加，反循環閥關閉。因此，對反循環閥全開時的工具內部流場進行分析，可以得到設計排量下內滑套的下推力，以此為基準，進行彈簧設計。

首先提取工具內流場，并對其進行網格劃分，選取Realizable k-epsilon雙方程湍流模型進行計算，模型進口采用流量進口，流量0.4 m3/min，出口為常壓出口，計算得到流場壓力分布情況如圖3所示。根據裝置上下表面的壓力差計算得到推力為2 196 N，為保證使用效果，此推力需克服滑套動作摩阻及彈簧復位力，結合工具尺寸及設計經驗，彈簧的最大形變作用力設計為1 000 N，流道切換裝置滿足設計要求。

2.2 旋轉沖洗噴頭射流沖擊力分析

旋轉沖洗噴頭設計最大排量為1.0 m3/min，采用4個切向噴嘴、4個斜向噴嘴和1個正向噴嘴，如圖4所示。切向噴嘴主要帶動噴頭旋轉，斜向和正向噴嘴主要對井下沉砂和管壁進行解堵沖洗，在保證旋轉性的同時，提高清洗效率，噴頭底部采用四瓣爪設計，有一定攪動效果，防止砂卡。

噴嘴射流沖擊力決定了工具的清洗效果，當砂床的膠結能力較弱時，射流沖擊力需大于100 N［11］。下面以？準114.3 mm（4英寸）篩管環境為例，對噴頭的射流沖擊力效果進行仿真分析，計算過程不再贅述。提取三維流場結構計算得到排量在0.6、0.8和1.0 m3/min下的速度場如圖5～6所示，整理計算結果如表1所示。可以看出當排量在0.8～1.0 m3/min時，沖擊力大于100 N，滿足沖砂解堵要求，因此建議工作排量為0.8～1.0 m3/min，其中在最大排量下，射流作用于管壁的最大壓力為2.73 MPa，噴嘴最大流速103.46 m/s，最大噴嘴沖擊力160.25 N，可以產生很好的解堵沖洗效果［12］。

2.3 旋流扶正器旋流效果分析

旋流上接頭位于工具最上端，旋流翼設計長度800 mm，旋流翼升角45°，旋流翼數量為三個，沿周向均布。這里主要針對沖砂液流經旋流翼時的旋流效果進行仿真分析，結合設計尺寸及計算效率，設計流場長度為3 m，流場環境為？準114.3 mm（4英寸）篩管內徑至工具間的環空如圖7所示。排量根據上述旋轉沖洗噴頭沖擊力的仿真結果，主要考慮0.8、1.0 m3/min兩個工作排量。

在仿真流場計算結果中依次提取4個截面，如圖8所示。1號截面距離進口端0.5 m，2號截面距離進口端1.0 m，3號截面距離進口端1.5 m，4號截面距離進口端3.0 m。分析不同截面上的旋流效果，各截面旋流強度的強弱主要以截面上切向速度的大小來衡量，得到不同排量下各截面切向速度云圖。

整理仿真結果如表2所示，從結果可以看出，在旋流翼的作用下，旋流扶正器與井壁環空間內的沖砂液產生了一個切向速度，其大小隨著軸向距離的增加而減少，旋流翼間切向速度最大，液體流出旋流翼后，旋流強度開始衰減，有效旋流距離在3 m左右。在此距離內的砂礫受到旋流的攜帶，更有利于其運移和擴散，從而可以提高了整個井眼的攜巖效率和清潔效果。

3 工具地面測試

為了驗證井下雙向清洗工具結構可靠性，在試驗井場（海洋石油高效開發國家重點實驗室）完成了井下雙向清洗工具的功能性試驗。其中，對工具的關鍵性能參數及整體沖砂效果分別進行了測試，具體測試內容如下。

3.1 流道切換裝置測試

將井下雙向清洗工具固定于測試箱體內，柱塞泵通過高壓管線與工具相連，測試箱體回路管線與柱塞泵回液池相連，整體構成正循環通路，目的為了測試在不同排量下流道切換裝置的工作狀態。經測試，當排量低于0.42 m3/min時，流道切換裝置保持聯通狀態，如圖9所示。當排量高于0.42 m3/min時，流道切換裝置關閉，全部流量經過旋轉沖洗噴頭噴出，如圖10所示，即在正循環沖洗時，流道切換裝置啟動排量為0.42 m3/min，與設計排量0.4 m3/min基本相符，反循環時，流道切換裝置保持狀態常開，總體符合設計要求。

3.2 旋轉沖洗噴頭射流沖擊力測試

在測試箱內安裝沖擊力傳感器，與旋轉噴頭中心噴嘴保持統一水平線，可以前后調節與噴嘴的間距，以便測試不同距離下噴頭的射流沖擊力大小，如圖11所示。

按照3.1測試正循環沖洗時的啟動排量為0.42 m3/min，因此以該排量為起點測試噴嘴的射流沖擊力，測試結果如表3所示。分析測試數據可以看出當排量大于0.7 m3/min時，射流沖擊力大于100 N，對砂床的沖擊破壞效果較好，基本符合設計及仿真結果。另外當間距超過300 mm時，沖擊力衰減較快，建議將有效解堵距離控制在300 mm以內。

3.3 沖洗解堵性能測試

井下雙向清洗工具沖洗解堵性能測試分為兩部分。

1） 驗證管柱內砂堵后的洗井效果。加工地面測試工裝進行測試，工裝以？準114.3 mm（4英寸）套管為基體。該工裝主要是為正、反循環沖砂及攜巖性能測試提供試驗環境，測試前在套管一端下入井下雙向清洗工具，在套管另一端埋入砂礫并壓實，套管側壁開有循環通道，通過地面閥門切換可實現工具正反循環沖洗。測試過程中分別進行正、反循環沖洗，測試排量1.0 m3/min，測試過程中工具流道切換順暢、可靠，振動篩出口處觀察到返出砂礫粒徑范圍為0.435～8.000 mm。測試后套管內壁無殘留，砂礫均全部返出，清洗返砂效果良好，并且通過觀察看出，與未沖洗前管內壁狀態相比，內壁光潔度得到提升，證明在噴頭徑向沖擊力的作用下，對管壁起到了一定的除銹清洗效果，如圖12所示。

2） 測試對篩管篩網的沖洗解堵效果。利用預充填的？準114.3 mm（4英寸）篩管短節作為測試對象（如圖13所示），其過流通道已被細粉砂堵死，再將工具固定于篩管短節內部，正循環沖洗，沖洗排量1.0 m3/min。測試后對預充填篩管短節進行逐層拆解，外部保護罩與各層金屬網布之間均無砂礫殘留，篩管解堵效果明顯，如圖14～15所示，證明在噴頭徑向沖擊力的作用下，對砂堵篩管可以起到解堵效果，有利于生產通道的恢復。

4 結論

1） 設計了一種井下雙向清洗工具，工具初始狀態保持反循環通道，可以反循環對作業管柱沿程環空進行清洗。當地面切換為正循環流程時，一定排量下反循環通道關閉，沖砂液經工具下部旋轉沖

洗噴頭進行正循環沖洗解堵作業。工具整體可以實現正、反循環洗井作業的反復切換，沖洗效率高。

2） 反循環洗井時，反循環孔通道當量直徑？準27.7 mm；正循環洗井時，通過對工具流場仿真及試驗驗證。當排量大于0.42 m3/min時，反循環通道關閉，可進行正循環旋轉射流洗井作業，建議在地面施工設備條件允許的前提下，控制正循環排量在0.8～1.0 m3/min之間，此時最大射流沖擊力超過200 N，沖洗解堵能力強，工作效率高。

3） 通過對旋流扶正器的流場分析，驗證了工具對環空攜砂液產生的旋流效果，更有利于砂礫的返排，有效旋流長度在3 m左右。

4） 通過工具整體的沖洗解堵能力測試，井下雙向清洗工具在軸向及徑向均有很好的沖洗解堵效果，可以起到疏通、清潔套管及篩管的作用。

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