連續管套管除垢空化射流噴頭優化設計與應用

劉 鍇 沅

(大慶油田第三采油廠)

0 引 言

隨著化學驅試驗規模的擴大，化學驅后套管結垢的問題日益突出，主要原因是堿化學劑的加入，堿與地層水、巖石相互作用，在造成堿耗的同時，也會產生結垢而堵塞油層滲流通道，在炮眼附近形成堵塞，從而使油井產能降低，嚴重威脅著化學驅的驅油效果，因此化學驅油井對解堵除垢措施的需求越來越大[1]。針對以上問題和需求，可采用物理法、化學法、工藝法等措施進行除垢。常規物理除垢法工藝為采用?73.0 mm油管接單根高壓清洗，但該方法存在作業施工周期長、不可連續反復循環沖洗、清洗效果不佳等問題[2]。化學除垢法采用酸洗藥劑對套管進行清洗，存在返排液不易處理、施工效率低、費用高等問題，也因此未能大規模推廣[3]。而采用傳統?38.1 mm小直徑連續管射流法除垢時，由于其與套管間空隙過大，噴頭作用有限，除垢效果也并不理想，所以小直徑連續管除垢技術一直未得到充分利用[4]。為此，研究并探索小直徑連續管套管除垢空化射流噴頭，結合連續管和空化射流原理的優勢性能，以及連續管可連續反復循環沖洗的特點，利用空化噴嘴將熱水汽化生成空化泡，其高壓潰滅時生成微射流與沖擊波等特點，達到最佳清洗返排效果。該工藝將連續管技術與空化射流噴頭性能兩者優勢相結合，可增強套管及炮眼附近除垢解堵能力，恢復油井產能、提升水井吸水效果。

1 空化射流噴頭優化設計

1.1 空化射流噴嘴型式初步優選

目前空化射流噴嘴主要有4種：角形空化噴嘴、風琴管式空化噴嘴、亥姆霍茲式空化噴嘴、中心體式空化噴嘴。其中，風琴管式空化射流噴嘴因具有結構簡單、空化效果好等優點在石油鉆探、清洗除垢等領域得到了廣泛應用[5-6]。

風琴管式空化噴嘴是一種能有效產生自振空化射流的噴嘴結構。通過噴嘴的合理設計，使流體在諧振腔內產生自激振蕩，從而形成大結構渦環，產生巨大的壓力振蕩和強烈的空化作用，射流束中的空化泡潰滅時生成的微射流與沖擊波可以有效清洗靶面。因此選用風琴管式空化噴嘴，并結合縮放型噴嘴應用效果較好的優點[7-8]，將其作為后續優化設計的基礎。縮放型單噴嘴的結構如圖1所示。

圖1 縮放型單噴嘴結構結構與外形Fig.1 Structure and appearance of cavitation jet nozzle

1.2 空化射流靶距優選

開展室內射流清洗試驗，采用空化單噴嘴，垂直噴射被切開的套管內壁垢質。噴射時固定噴射角度為90°，清洗時間為1 s，通過10～30 mm范圍內調整靶距，來對比不同靶距條件下空化單噴嘴噴射的清洗效果。

室內射流清洗試驗發現，當靶距為10～20 mm時，通過空化單噴嘴的清洗，切開套管被清洗的部位出現了金屬色澤。圖2所示為利用基恩士KEYENCE 3D顯微鏡分析清洗區域沖擊深度和有效打擊面積大小，進而分析針對此空化單噴嘴的最佳靶距的圖。

圖2 3D顯微鏡下不同靶距的清洗效果Fig.2 Cleaning effect at different target distances under 3D microscope

根據圖2所示，不同靶距下清洗效果與清洗面積如表1所示。由表1可以看出，在噴射角度為90°，清洗時間為1 s的條件下：當靶距為10～17 mm時，油管內壁被沖擊出了金屬色澤；當靶距為10～15 mm時，有效清洗面積逐漸增大；當靶距大于15 mm時，有效清洗面積減小，直至為0；當靶距為20～30 mm時，有效清洗面積為0。可見，此噴頭的最佳清洗靶距為15 mm。

表1 不同靶距下清洗效果與清洗面積Table 1 Cleaning effect and area at different target distances

為了避免試驗誤差，在清洗靶距為10 mm的靶件上進行了靶距為15mm的清洗試驗。圖3為10 mm與15 mm靶距清洗效果對比，其中方框為10 mm靶距清洗效果，圓圈為15 mm時清洗效果。可以看出，同一靶件上靶距在15 mm時的沖擊效果要優于10 mm的沖擊效果，故初步設定靶距為15 mm。

圖3 10 mm與15 mm靶距的清洗效果Fig.3 Cleaning effect at the target distance of 10 mm and 15 mm

1.3 空化射流噴射角優選

確定好最優靶距后，再改變噴射角度進行試驗。仍采用空化單噴嘴，噴射被切開的套管內壁垢質。噴射時固定清洗靶距為15 mm，固定清洗時間為1 s，通過改變噴射角度來對比清洗效果。噴射角度分別取90°、80°、70°、60°、50°、45°和30°。不同噴射角度清洗效果如表2所示。由表2可以看出，在清洗靶距為15 mm、清洗時間為1 s的條件下，當噴射角度為60°時有效清洗面積最大。

表2 不同噴射角度清洗效果對比Table2 Cleaning effect at different jet angles

1.4 空化射流噴頭的優化設計

根據前述試驗以最佳靶距為15 mm，最佳射流角度為60°為設計原則。由于套管內徑為124 mm，扶正體外徑為113 mm，所以需減去兩側2個15 mm的靶距，將噴頭外徑設計為83 mm，內徑設計為52 mm。噴頭由上至下有4個射流截面，相鄰2個噴射截面間距為50 mm，每個噴射截面上沿周向均勻分布著3個噴嘴，即同一個射流截面上噴嘴互成120°，相鄰2個射流截面上噴嘴的同方向相位角相差20°，由上向下噴嘴成螺旋式分布，射流時水流可以360°完全覆蓋套管內壁。同時將噴頭體前端加工成圓錐狀，并在距底部17 mm處布置有周向間隔為120°的3個噴嘴，以彌補其沖洗能力的不足。噴頭結構參數如圖4所示。

圖4 空化射流噴頭結構參數圖Fig.4 Structural parameters of cavitation jet nozzle

根據查閱文獻和相關理論基礎研究，結合套管基本參數，參考與空化噴嘴結構設計有關的資料，設計了縮放型清洗噴嘴的尺寸。根據現場清洗噴射實際能達到的最大排量為200 L/min，初步優選12個?1.6 mm的后噴嘴，3個?2.0 mm的前噴嘴，以滿足排量需求[9-10]，具體噴嘴參數如表3所示。

表3 縮放型噴嘴結構參數Table3 Structural parameters of convergence-divergence nozzles

1.5 噴頭流量與返排計算

1.5.1 流量計算

針對12個直徑為1.6 mm的后噴嘴，3個直徑為2.0 mm的前噴嘴，進行返排量計算。設清洗液為清水，密度ρl=1×103kg/m3。噴頭流量計算式為：

(1)

計算時，取Cds=0.87，D1=0.002 mm，D2=0.001 6 mm，N1=3，N2=12，Δp=6 000 000 Pa，代入式(1)得：Q=221.43 L/min。

1.5.2 沖砂環空速度計算

沖砂環空速度計算式為：

(2)

式中：vs為環空流速，m/s；Dt為套管內徑，m；Dc為連續管外徑，m。將計算得到的環空流量Q、Dt=0.124 m、Dc=0.038 m代入式(2)，可得vs=0.337 m/s。

1.5.3 噴嘴直徑設計

通過模擬計算可知返排要求的最小流量，通過公式(1)對噴嘴總面積進行反算。計算后可知，至少需要在15個喉部安裝直徑為2.2 mm的風琴管式自振噴嘴才可實現返排，因此可采用前端布置的3個喉部安裝直徑為3.0 mm的風琴管式自振噴嘴，中后部布置的12個喉部安裝直徑為2.0 mm的風琴管式自振噴嘴，即可達到返排清洗的效果，該噴頭縮放型噴嘴具體結構尺寸如表4所示。

表4 縮放型噴嘴結構參數Table4 Structural parameters of convergence-divergence nozzles

2 結構及工作原理

連續管套管除垢空化射流噴頭結構如圖5所示。由圖5可見，連續管套管除垢空化射流噴頭主要由扶正體連接頭連接直徑為83 mm噴頭主體、12個直徑為2.0 mm的后噴嘴和3個直徑為3.0 mm的前噴嘴3部分組成。扶正體連接頭為錐螺紋外連接，可有效防止噴頭作業時落井。

圖5 連續管套管除垢空化射流噴頭結構圖Fig.5 Structure of the cavitation jet nozzle for CT casing descaling

3 數值模擬試驗

對所設計的連續管空化射流噴頭在工作過程中流場進行幾何模型簡化，并建立流體域幾何模型。對該噴頭進行網格劃分，網格數5 137 669，其網格劃分情況如圖6所示。

對所建立的連續管空化射流噴頭流體域進行數值模擬。采用水和水蒸氣作為流體介質，水的密度ρ1為1×103kg/m3，黏度為1.003×10-3Pa·s，入口壓力取10 MPa，出口壓力設置為0。啟用空化模型，使用RNGk-ε湍流模型，求解器設置為耦合隱式[11]。

通過數值模擬，可以看出，在入口壓力為10 MPa的情況下，縮放型空化噴嘴在其孔喉處發生了憋壓情況，如圖7所示。噴嘴憋壓后射出的流體具有較大的壓力與速度，擴散段產生了較好的空化效果，噴嘴處射出的流體速度經過充分發展后與壁面相接觸，說明設計的靶距較為合理，可以使噴嘴的除垢效果達到最佳。

圖7 套管除垢噴頭速度云圖Fig.7 Velocity contour of the nozzle for casing descaling

4 現場試驗

根據現場試驗情況及后期效果跟蹤統計，結合連續管套管除垢工具與工藝適用性，制定了炮眼除垢選井原則：一是聚驅、三元驅、后續水驅的采出井；二是排除注入量變化、泵況問題、封堵措施影響產液量突降的采出井；三是含有Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-離子質量分數礦化度數據的采出井；四是優選供液不足，頻繁作業的卡泵井、加藥井、解堵井。根據選井原則，優選試驗井，優化連續管炮眼除垢施工參數，指導現場應用。

4.1 結垢結蠟套管除垢

機械堵水施工時，現場反映某油田聚驅結垢結蠟井采出井1號結垢結蠟嚴重，影響作業施工進度。因此，2021年12月，對該井結垢結蠟段進行連續管套管除垢施工。參照連續管沖砂除垢技術現場施工經驗，對結垢結蠟段大排量高壓反復清洗5遍，且除垢前后對300～800 m進行測40臂井徑對比，同時對井口返排物化驗，結果均顯示該井含有大量砂蠟垢[12-13]。如圖8和表5所示。

圖8 連續管套管除垢前后測井徑曲線對比圖Fig.8 CAL log before and after CT casing descaling

表5 采出井1號測井徑解釋成果Table 5 CAL interpretation results of No.1 production well

由圖8和表5可知，采出井1號結蠟結垢段范圍490～570 m處結垢結蠟最嚴重，清洗后可明顯看出整個套管基本無蠟垢，最小井徑由除垢前的119 mm提升至125 mm，平均井徑由124 mm提升至127 mm，平均除垢深度1.5 mm，基本達到了套管內徑127.3 mm的標準。

4.2 射孔層段炮眼除垢

2022年4月，某油田采出井5號因泵況問題導致產液量下降，檢泵施工時發現套管炮眼結垢嚴重。因此，應用連續管技術進行套管炮眼除垢。采用循環壓力19 MPa，排量163 L/min，對該井1 035～1 090 m范圍內的射孔層段進行反復清洗多次，可看到井口返排物含有大量砂蠟垢。施工后測井徑曲線顯示，實際施工中第1次、第2次和第3次清洗，對相同位置起下連續管速度均為10 m/min時，對該井反復清洗的前2次即達到了最終效果。起出連續管后使用普通油管加大排量再次沖洗，井筒中的砂蠟垢基本排出。

2021年10月至2023年11月，大慶油田某采油廠共完成射孔層段炮眼除垢11井次，施工后，初期平均單井日增液23.3 t，平均單井日增油1.7 t，至2022年10月份累計增油1 566 t，除垢增產效果明顯。

5 結論與認識

(1)以最佳靶距15 mm、最佳射流角度60°為設計原則，連續管空化射流噴頭周向螺旋均布12個直徑為2.0 mm后向噴嘴，前端均布3個直徑為3.0 mm前向噴嘴，15個噴嘴可實現套管內部清洗時360°全覆蓋。套管除垢噴頭外徑設計為83 mm，內徑設計為52 mm，同時設計直徑為113 mm扶正體的錐螺紋連接頭，保證連接穩固可靠。由此形成小直徑連續管套管除垢空化射流新噴頭。

(2)優化連續管套管除垢施工參數，除垢段清洗時起下速度控制在10 m/min，壓力20 MPa，排量180 L/min，清洗2次即可達到最優效果，清洗后使用普通油管進行沖洗返排效果更好。

(3)炮眼除垢選井原則可為：一是聚驅、三元驅、后續水驅的采出井；二是排除注入量變化、泵況問題、封堵措施影響產液量突降的采出井；三是含有Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-離子質量分數礦化度數據的采出井；四是優選供液不足，頻繁作業的卡泵井、加藥井、解堵井。