水平井旋轉(zhuǎn)射流洗井解堵工藝研究及應(yīng)用

呂億明，林 剛，朱洪征，羅慶梅

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院&低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司長(zhǎng)南氣田開發(fā)項(xiàng)目部，陜西西安 710018；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 716009）

水平井可以增大泄油面積，減少滲流阻力，大幅度提高單井產(chǎn)量，日益成為油氣田開發(fā)、提高采收率的重要技術(shù)。低滲透油藏水平井受儲(chǔ)層物性差影響，需要通過分段壓裂改造提高導(dǎo)流來提高單井產(chǎn)量，底水油藏水平井壓裂改造容易引起見水影響開發(fā)效果。自振空化射流解堵裝置能產(chǎn)生高壓水射流直接沖洗炮眼解除堵塞[1]。水平井斜度大、水平段長(zhǎng)，對(duì)各種下井工具及鉆具要求高，與直井相比水平井出砂邊界較長(zhǎng)，油流方向和砂沉降方向垂直于井筒，水平段砂粒容易沉降，因此，很多用于直井的方法用于水平井時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的困難。

1 水平井旋轉(zhuǎn)射流解堵機(jī)理

水平井旋轉(zhuǎn)射流解堵是利用井下可控轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)自振空化射流解堵裝置產(chǎn)生高壓水射流直接沖洗炮眼解堵和高頻振蕩水力波、空化噪聲（超聲波）物理解堵[1]。

1.1 自振空化射流的機(jī)理

自振空化射流是利用小擾動(dòng)波在管系傳播的瞬態(tài)流理論和水聲學(xué)的流體自激振蕩原理將連續(xù)射流調(diào)制成具有強(qiáng)烈壓力振蕩和高空化初生能力的射流，因而可以利用其強(qiáng)烈的壓力振蕩和輻射強(qiáng)烈的空化噪聲沖擊波來解除地層堵塞，恢復(fù)或提高地層滲透率，其效果也應(yīng)是顯著的。

實(shí)驗(yàn)表明，射流振動(dòng)頻率達(dá)幾千至上萬赫茲，自振空化噴嘴的沖擊壓力峰值和壓力脈動(dòng)幅度分別比錐形噴嘴提高37%和24%。在相同泵壓下，沖蝕巖石效果為普通射流的2～4倍。張德斌等對(duì)圍壓下自振空化射流動(dòng)壓力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在圍壓和壓降一定時(shí)，自振空化射流的最大沖擊壓力明顯高于普通連續(xù)射流；自振空化射流的脈動(dòng)頻率，基本不隨圍壓、壓降和噴距的變化而變化。當(dāng)高壓射流沖擊近井地層時(shí)，儲(chǔ)油層受沖擊力產(chǎn)生振動(dòng)，不僅能夠使孔隙壁附著的污染物慢慢剝離，分散在液體中并被攜帶走，起到疏通孔道、清除油層堵塞、提高滲透率的作用，而且能夠造成孔隙的擠壓與張合，處于孔隙中的油和液體也會(huì)產(chǎn)生擠壓而流動(dòng)，從而促進(jìn)液體流動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)也改變了毛細(xì)孔隙內(nèi)水、氣和油的分布，使部分氣體溢出從而疏通孔道，從而提高了油層滲透率。

1.2 自振空化射流噴嘴

原理是當(dāng)穩(wěn)定流體流過噴嘴諧振腔的出口收縮斷面時(shí)，產(chǎn)生自激壓力激動(dòng)，這種壓力激動(dòng)反饋回諧振腔形成反饋壓力振蕩。適當(dāng)控制諧振腔尺寸和流體的馬赫數(shù)及Strouhal數(shù)，使反饋壓力振蕩的頻率與諧振腔的固有頻率相匹配，從而在諧振腔內(nèi)形成聲諧共振，使噴嘴出口射流變成斷續(xù)渦環(huán)流，從而加強(qiáng)射流的空化作用，由于風(fēng)琴管和亥姆霍茲諧振腔是兩種典型的自激振動(dòng)腔室結(jié)構(gòu)（見圖1）。

2 水平井旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝

2.1 管柱結(jié)構(gòu)[5]

整個(gè)旋轉(zhuǎn)射流工藝管柱有“噴頭＋轉(zhuǎn)速控制器＋過濾器＋控制閥＋過濾器＋油管”組成，控制閥同時(shí)提供了由上過濾器到下過濾器的通道和上過濾器到油套環(huán)空的通道，在清管線時(shí)，讓管線中的雜質(zhì)直接通過控制閥排出到油套環(huán)空中，以防堵塞噴嘴；射流洗井時(shí)，可以投球關(guān)閉通向環(huán)空的通道，使流體經(jīng)過噴嘴排出，實(shí)現(xiàn)射流；控制閥還提供了反循環(huán)通道。上下過濾器用于濾除工作液中的大顆粒，以防堵塞噴嘴。

2.2 旋轉(zhuǎn)射流噴頭

為了能夠?qū)φ麄€(gè)井筒壁面進(jìn)行沖洗，將六個(gè)射流噴嘴沿一個(gè)圓周均勻安裝在噴頭上，其中徑向、側(cè)向噴嘴各三個(gè)、徑向噴嘴射流方向?yàn)閺较蚍较颍瑐?cè)向噴嘴射流方向則偏離一定角度，這樣就形成了旋轉(zhuǎn)射流噴頭（見圖2）。工作時(shí)，通過徑向的射流進(jìn)行清洗，通過斜向射流的反推力使噴頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生輔助清洗作用。

2.3 工具通過能力

水平井由于受套管內(nèi)徑和井眼曲率的限制，配套洗井工具如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，則有可能由于大直徑及長(zhǎng)度的問題而無法通過彎曲段，需要對(duì)井下工具通過能力進(jìn)行分析，防止發(fā)生中途遇卡事故。

2.3.1 井眼曲率半徑計(jì)算 全角變化率由下式計(jì)算：

式中：Ki－第 i段全角變化率，rad/m；θi、Φi、Si-分別為第i個(gè)測(cè)斜點(diǎn)的井斜角（rad）、方位角（rad）和測(cè)深（m）。

曲率半徑Ri為全角變化率Ki的倒數(shù)，即Ri＝1 Ki。

2.3.2 通過能力分析 通過能力由井下工具最大允許通過長(zhǎng)度分析，工具通過長(zhǎng)度L計(jì)算公式如下：

式中:R-井身曲率半徑，m；D-曲率半徑為R處的套管內(nèi)徑，m；d，d1，d2-井下工具串最大剛性外徑，m；L-井下工具串最大允許通過長(zhǎng)度，m。

計(jì)算工具通過51/2''套管井不同曲率半徑井眼最大長(zhǎng)度與外徑的關(guān)系（見圖3）。

在工具下井之前，可以先求出不同井身曲率半徑處允許通過的井下工具串最大總長(zhǎng)，以預(yù)測(cè)是否會(huì)發(fā)生中途遇卡，防止事故發(fā)生。

2.4 水力參數(shù)計(jì)算[2-4]

水平井旋轉(zhuǎn)射流解堵流體經(jīng)過噴嘴節(jié)流，沖刷井壁，然后由油套環(huán)空返出井筒，需計(jì)算油管壓耗、節(jié)流壓降、環(huán)空壓耗等流體壓力損失。

2.4.1 油管壓耗計(jì)算公式

式中：△Pi－油管內(nèi)壓耗，MPa；ρ－流體密度，g/cm3；μ－流體動(dòng)力粘度，Pa·s；L－油管長(zhǎng)度，m；Q－排量，L/s；di－油管內(nèi)徑，cm；B-常數(shù)，內(nèi)平管 B=0.516 5，貫眼管B=0.575 03。

2.4.2 環(huán)空壓耗計(jì)算公式

式中：△Pa－環(huán)空壓耗，MPa；dh－井眼（套管）直徑，cm；dp－油管直徑，cm。

2.4.3 噴嘴壓降計(jì)算公式

式中：△Pb－噴嘴壓降，MPa；Ao－噴嘴出口截面積，cm2；C－噴嘴流量系數(shù)，無因次。

2.4.4 射流沖擊力計(jì)算公式

式中：Q－排量，L/s；A－噴嘴出口截面積，cm2；Fj－射流沖擊力，kN。

計(jì)算實(shí)例，設(shè)一水平井，井深3 000 m，垂深2 000 m，套管內(nèi)徑為124.26 mm，油管27/8，使用清水對(duì)其進(jìn)行旋流洗井，旋流閥體6個(gè)噴嘴，噴嘴直徑3 mm，噴嘴流量系數(shù)為0.96（見表1）。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)施工中，考慮到地面泵的排量范圍，在安裝6個(gè)3 mm的噴嘴時(shí)，在300 L/min排量下可以達(dá)到15 MPa，此時(shí)的射流沖擊力為0.65 KN，可以滿足水平井洗井的要求。

至2012年底，在長(zhǎng)慶油田底水油藏侏羅系篩管完井水平井試驗(yàn)18口井，通過井口返出液體分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了旋轉(zhuǎn)射流洗井能有效清洗井壁；生產(chǎn)動(dòng)態(tài)對(duì)比分析（見表2），表明試驗(yàn)井產(chǎn)量高于常規(guī)洗井。

X平1井在洗井的不同階段井口返出液體的情況（見圖4），洗井初期清管線時(shí)，流體呈淺黃色，含有少量固體成分；射流洗井階段，返出液體顏色呈黑色，固相成分含量最高，沉淀分離后，約占10%；在返排初期，由于洗井過程中清洗下來的雜質(zhì)并未完全排出，還存留在環(huán)空中，因此，返出液中仍有一定含量的固相物質(zhì)，顏色呈褐色；洗井結(jié)束時(shí)，井口返出液與注入洗井液基本一致，井筒中的固相雜質(zhì)已全部返出。

表1 油管、環(huán)空壓耗隨排量變化表

表2 部分試驗(yàn)井效果對(duì)比分析表

圖4 X平6井各洗井階段井口返出液體

對(duì)于洗井返出的物質(zhì)成分樣品進(jìn)行能譜分析和X衍射分析，結(jié)果表明，其物質(zhì)構(gòu)成主要是鎂和鋁的硅酸鹽，是鉆井泥漿的主要成分。

4 結(jié)論

（1）旋轉(zhuǎn)射流洗井工藝適應(yīng)水平井井身特點(diǎn)，能有效清除水平段井壁泥漿，對(duì)油層污染小，有較好的洗井效果，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得成功。

（2）旋轉(zhuǎn)射流洗井工藝是篩管完井水平井投產(chǎn)的有效手段，也可應(yīng)用于老井水平段沖砂、清蠟及清垢等措施。

［1］李根生，馬加計(jì)，沈曉明，等.高壓水射流處理地層的機(jī)理及試驗(yàn)［J］.石油鉆采工藝（物理法采油專輯），1998，19（1）：106-109.

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