旋轉(zhuǎn)射流聯(lián)合沉砂筒解堵工藝關(guān)鍵參數(shù)研究

左偉芹， 李雪蓮， 盧義玉， 劉 勇

(1.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心(河南理工大學(xué))，河南焦作 454000；2.河南理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南焦作 454000；3.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400030)

隨著開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)，油氣井會(huì)出現(xiàn)不同程度的堵塞，導(dǎo)致油氣井產(chǎn)量快速下降。為有效提高油氣藏最終采收率，必須采取有效的解堵措施確保油氣井穩(wěn)產(chǎn)或復(fù)產(chǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外處理近井地帶、解除地層堵塞的研究方法很多，如酸化法[1]、水力振動(dòng)法[2]、超聲波法[3]、電液脈沖法、氣體壓裂法、人工地震法等，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均取得了一定的效果[4-5]。但堵塞物中一般含有固體顆粒，特別是酸化解堵后形成的酸渣，用以上方法難以將這些脫落的堵塞物排出地層，嚴(yán)重影響施工效果[6]。黃中偉等人[6]提出振蕩-酸化深部復(fù)合解堵工藝，在排除脫落的堵塞物方面取得了較好的效果，但該工藝僅適用于能建立全井循環(huán)的油氣井。隨著油氣田的開(kāi)發(fā)，地層產(chǎn)生虧空，地層壓力下降，許多油氣井無(wú)法建立全井循環(huán)，限制了該工藝的應(yīng)用。傳統(tǒng)機(jī)械撈砂無(wú)需建立全井循環(huán)，但一次撈砂量小，孫永壯等人[7]對(duì)該工藝進(jìn)行了改進(jìn)，但對(duì)于板結(jié)的堵塞物或大顆粒脫落物依然沒(méi)有很好的效果。對(duì)于無(wú)法建立全井循環(huán)的低壓油氣井，目前還沒(méi)有較為合適的解堵工藝。為此，筆者提出了旋轉(zhuǎn)射流聯(lián)合沉砂筒解堵工藝，利用油管將高壓水輸送至旋轉(zhuǎn)噴嘴形成旋轉(zhuǎn)射流，旋轉(zhuǎn)射流對(duì)井底堵塞物進(jìn)行破碎，旋轉(zhuǎn)噴頭噴出的高壓水在油管和套管之間的環(huán)空內(nèi)上返，形成具有一定流速的上返液，破碎的堵塞物在上返液的作用下向上運(yùn)動(dòng)并超過(guò)沉砂筒的高度，在漏失量增大或停泵的情況下上返液流速降低，破碎的堵塞物開(kāi)始沉降落入沉砂筒內(nèi)，通過(guò)起出沉砂筒將破碎的堵塞物帶至地面，形成了井底局部循環(huán)的解堵工藝。

1 局部循環(huán)解堵工藝原理及施工步驟

在油氣田開(kāi)發(fā)后期，受油井含水率高、地層壓降大及單井產(chǎn)液量高與生產(chǎn)層段的注采不平衡等不利因素的影響，地層產(chǎn)生虧空，致使沖砂作業(yè)過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)工作液漏失現(xiàn)象，無(wú)法建立全井循環(huán)，導(dǎo)致一些傳統(tǒng)解堵工藝無(wú)法實(shí)施。一些適用于低壓油氣井解堵的工藝存在一次撈砂量少、對(duì)板結(jié)堵塞物處理效果不好等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，提出了局部循環(huán)解堵工藝，其工作原理如圖1所示。

圖1 局部循環(huán)解堵工作原理示意Fig.1 Work principle of local-circulation plug removal

局部循環(huán)解堵裝置由旋轉(zhuǎn)噴頭、沉砂筒組成。根據(jù)堵塞段的長(zhǎng)度估算堵塞物的體積，計(jì)算出所需沉砂筒的長(zhǎng)度。根據(jù)堵塞物的種類(lèi)及堵塞物的固結(jié)程度選擇合適的工作泵壓及流量，配備合適的旋轉(zhuǎn)噴頭。將沉砂筒和旋轉(zhuǎn)噴頭組成的解堵工具下至堵塞層位，經(jīng)中心油管泵入工作液，利用旋轉(zhuǎn)射流對(duì)井底堵塞物進(jìn)行破碎，同時(shí)以合理的速度將解堵工具下放。解堵工具達(dá)到預(yù)定的解堵位置后，將解堵工具提升至初始堵塞的層位，重新對(duì)堵塞段進(jìn)行清洗。根據(jù)堵塞物的種類(lèi)及解堵效果，確定清洗的次數(shù)。清洗完畢后，將解堵工具提升至初始堵塞的層位，候砂沉淀，使上返的破碎物沉積在沉砂筒內(nèi)。重新探測(cè)砂面，若未達(dá)到預(yù)期的解堵效果，則對(duì)堵塞段重新進(jìn)行清洗。達(dá)到預(yù)期效果后，將解堵工具取出，清理沉砂筒內(nèi)的破碎物，完成解堵作業(yè)。

2 局部循環(huán)工藝解堵機(jī)理

2.1 旋轉(zhuǎn)射流解堵機(jī)理

局部解堵裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)射流對(duì)井底堵塞物進(jìn)行破碎和清洗，具備傳統(tǒng)高壓水射流解堵的優(yōu)點(diǎn)[8]。通過(guò)射流的反作用力推動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)射流，無(wú)需地面提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。同時(shí)，地面作業(yè)車(chē)緩慢升降油管，使工具在射孔段既能上下移動(dòng)、又能旋轉(zhuǎn)，可對(duì)整個(gè)射孔段炮眼和井眼附近的地層進(jìn)行全方位處理。通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)力噴嘴的相關(guān)參數(shù)及阻尼器的阻力，控制旋轉(zhuǎn)速度為100～400 r/min。旋轉(zhuǎn)噴頭每旋轉(zhuǎn)一周，都有數(shù)道水射流作用于堵塞地層，使堵塞地層受到低頻沖擊力。在低頻沖擊力作用下，井底的水墊效應(yīng)大大降低，提高了射流沖洗的效率，使井底堵塞物及地層孔隙內(nèi)的雜質(zhì)更加容易松動(dòng)脫落。同時(shí)，可使地層產(chǎn)生疲勞微裂縫，隨著水力波的深入作用，微裂縫不斷擴(kuò)大和延伸，從而增大地層的滲透率。

2.2 沉砂筒結(jié)構(gòu)及收集原理

根據(jù)油層套管及油管的尺寸，選擇合理尺寸的鋼管作為沉砂筒。由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果可知，單根沉砂筒長(zhǎng)度為2.5～4.5 m時(shí)，沉砂效果較好。沉砂筒與油管套在一起，將二者之間形成環(huán)空間隙的底部密封，沉砂筒側(cè)面開(kāi)窗并安裝適宜孔徑的鋼絲網(wǎng)。沉砂筒與油管之間的環(huán)空作為承載破碎物的空間，工作液通過(guò)鋼絲網(wǎng)流出沉砂筒。

由多根較短的沉砂筒組成的沉砂筒組具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)縮短了沉砂路徑和沉砂時(shí)間；2)增加了破碎物進(jìn)入沉砂筒的通道，提高了收集的效率；3)長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際需要任意組裝，一次撈砂量大。

2.3 聯(lián)合解堵機(jī)理

局部循環(huán)解堵工藝采用旋轉(zhuǎn)射流對(duì)井底堵塞物進(jìn)行破碎和清洗，采用沉砂筒收集破碎的堵塞物并將其運(yùn)出地層。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝直接通過(guò)上返的工作液將破碎的堵塞物帶出地層，堵塞物需在上返液的作用下運(yùn)行幾千米的高度。在上返液流速一定的情況下，隨著破碎物粒徑的增大，破碎物上返速度變慢，使解堵時(shí)間增長(zhǎng)；且在長(zhǎng)距離的運(yùn)移途中，大顆粒的破碎物易被狹小空間或凸臺(tái)擋住，難以排出地層。

與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)射流解堵工藝相比，該解堵工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)解堵時(shí)只需建立局部循環(huán)即可，在低壓油氣井依然適用；2)通過(guò)沉砂筒收集破碎物，顆粒較大的破碎物雖然上返速度較慢，但它只需上返至第一節(jié)沉砂筒的高度(一般在5 m以?xún)?nèi))即可，使該工藝在清理大顆粒的破碎物方面具有較大的優(yōu)勢(shì)；3)沉砂筒總長(zhǎng)度一般為30～100 m，大大減小了破碎物上返的高度，縮短了解堵時(shí)間，減少了工作液的消耗，降低了對(duì)地層的污染。

3 上返液流速分析

局部循環(huán)解堵工藝的關(guān)鍵在于在井底以合理的流速建立局部循環(huán)。若上返流速過(guò)低，無(wú)法將堵塞物輸送到一定高度，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)解堵。若上返流速過(guò)大，所需工作液較多，對(duì)后期復(fù)產(chǎn)有一定的影響，無(wú)法完全體現(xiàn)出局部循環(huán)解堵工藝對(duì)后期復(fù)產(chǎn)影響小的優(yōu)勢(shì)。故針對(duì)不同種類(lèi)的堵塞物建立不同流速的局部循環(huán)，為局部循環(huán)解堵工藝的實(shí)現(xiàn)及降低對(duì)后期復(fù)產(chǎn)的影響尤為重要。

為選擇合理的流速，對(duì)環(huán)空上返流場(chǎng)中破碎的堵塞物進(jìn)行受力分析。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，進(jìn)行以下假設(shè)[9-10]：1)在上返的混合液中，破碎堵塞物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%，按十分稀疏的固液兩相流處理，不考慮破碎堵塞物之間的相互作用；2)由于按十分稀疏固液兩相流處理，因此附加質(zhì)量力、Basset力、Magnus力等忽略不計(jì)，只考慮重力、浮力和表面阻力。

根據(jù)以上假設(shè)，忽略破碎物加速的過(guò)程，破碎物受力平衡時(shí)的受力表達(dá)式為：

FD+Fb=G

(1)

式中：FD為表面阻力，N；Fb為浮力，N；G為重力，N。

表面阻力的計(jì)算公式為[11]：

FD=0.5CDρ(υf-υs)2A

(2)

(3)

(4)

CD=0.44 (500

(5)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；υf為工作液上返流速(向上為正)，m/s；υs為破碎物上返速度(向上為正)，m/s；A為球最大截面積，m2；CD為擾流阻力系數(shù)，Re為雷諾數(shù)。

將重力表達(dá)式、浮力表達(dá)式和式(2)帶入式(1)，整理得：

(6)

式中:ρs為破碎物密度，kg/m3。

4 旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)及其水力參數(shù)分析

旋轉(zhuǎn)噴頭作為局部循環(huán)解堵工藝的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接決定了該解堵工藝的解堵效率。因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)及水力參數(shù)進(jìn)行了分析。

4.1 旋轉(zhuǎn)噴頭

旋轉(zhuǎn)噴頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。旋轉(zhuǎn)噴頭通過(guò)2組滾針軸承、推力球軸承實(shí)現(xiàn)主軸和殼體之間的定位與相對(duì)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)組成端面密封，具有旋轉(zhuǎn)密封泄漏量小、摩擦阻力小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。噴頭前部安裝的正向噴嘴，分為軸心和周邊2種，其中軸心噴嘴1個(gè)，周邊噴嘴3個(gè)。周邊的正向噴嘴與噴頭軸心呈一定的偏轉(zhuǎn)角度，射流噴出后產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)噴頭前部旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)射流。旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來(lái)自水射流本身，其特殊結(jié)構(gòu)使射流產(chǎn)生的反沖力充當(dāng)了動(dòng)力源，該反沖力與壓力、流量有關(guān)，而它形成的扭矩取決于噴嘴的安裝位置和角度。為了使射流不霧化，并延長(zhǎng)在同一點(diǎn)的沖擊時(shí)間，提高沖擊破碎能力，必須將噴頭轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，故射流反沖力產(chǎn)生的動(dòng)力矩與噴頭的摩擦阻力矩必須達(dá)到平衡。

圖2 旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the rotating nozzle1.主軸；2.滾針軸承；3.外殼；4.推力球軸承；5.靜環(huán)；6.動(dòng)環(huán)；7.軸心正向噴嘴；8.正向噴嘴流道；9.周邊正向噴嘴

4.2 噴頭的摩擦阻力矩

分析旋轉(zhuǎn)噴頭的結(jié)構(gòu)可知，產(chǎn)生摩擦阻力矩的主要是動(dòng)靜環(huán)接觸面及軸承2個(gè)部位。

4.2.1 動(dòng)靜環(huán)接觸面產(chǎn)生的摩擦阻力矩

摩擦阻力矩產(chǎn)生在密封靜環(huán)和密封動(dòng)環(huán)的接觸面上，摩擦阻力矩的大小與密封靜環(huán)和密封動(dòng)環(huán)的材質(zhì)、加工精度、接觸面端面壓力等有關(guān)。動(dòng)靜環(huán)受力如圖3所示。

圖3 動(dòng)靜環(huán)受力分析Fig.3 Force on rotating and stationary seal ring1.主軸；2.高壓流體推力作業(yè)面；3.靜環(huán)；4.動(dòng)靜環(huán)接觸面

高壓流體推力為：

(7)

式中：F為高壓流體推力，N；D2為主軸流道內(nèi)徑，m；D1為靜環(huán)內(nèi)徑，m ；p為高壓流體壓力，Pa。

動(dòng)靜環(huán)接觸面壓力為：

(8)

式中：p1為動(dòng)靜環(huán)接觸面壓力，Pa；D3為靜環(huán)外徑，m。

在靜環(huán)密封端面微面積dS上作用的正壓力為：

dFN=p1dS

(9)

式中：S為動(dòng)靜環(huán)接觸面積，m2。

單位微面積上產(chǎn)生的摩擦力為：

dFf=ffdFN

(10)

式中：ff為動(dòng)靜環(huán)接觸面摩擦因數(shù)。

動(dòng)靜環(huán)接觸面的摩擦阻力矩為：

(11)

式中：D為微圓環(huán)的直徑，m。

4.2.2 推力球軸承產(chǎn)生的摩擦阻力矩

由圖2可知，旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)部有2個(gè)滾針軸承和2個(gè)推力球軸承。滾針軸承主要防止主軸偏轉(zhuǎn)，受到的作用力較小，故滾針軸承上產(chǎn)生的摩擦阻力矩可以忽略不計(jì)。高壓流體對(duì)靜環(huán)沿噴頭軸線的推力經(jīng)過(guò)傳遞，作用在推力球軸承上，故推力球軸承上的正壓力與高壓流體對(duì)靜環(huán)的推力相等。推力球軸承上的摩擦阻力矩為：

Mq=fqFRq

(12)

式中：fq為推力球軸承摩擦因數(shù)；Rq為推力球軸承的半徑，m。

聯(lián)立式(7)—(12)，可得總摩擦力矩為：

(13)

4.3 噴頭的動(dòng)力矩

為保證正向噴嘴能提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，需使正向噴嘴與軸心呈一定的距離r且與軸線呈一定的偏轉(zhuǎn)角θ。

射流產(chǎn)生的反沖力為：

Fj=1.57d2Δp

(14)

式中：d為正向噴嘴直徑，m；Δp為噴嘴內(nèi)外壓差，Pa。

射流提供的動(dòng)力矩為：

M=nrFjsinθ

(15)

式中：n為正向噴嘴(周邊噴嘴)的數(shù)量；r為噴嘴距軸心的距離，m；θ為噴嘴與旋轉(zhuǎn)噴頭軸心的偏轉(zhuǎn)角，(°)。

根據(jù)動(dòng)力矩和摩擦阻力矩的平衡關(guān)系，聯(lián)立式(13)—(15)，即可算出正向噴嘴的直徑、安裝位置及角度。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

臥51井位于臥龍河構(gòu)造南軸東翼，1981年3月2日完鉆，產(chǎn)層中部井深4 110.00 m。目前該井處于生產(chǎn)后期，由于油管入井時(shí)間長(zhǎng)，可能存在腐蝕，管徑偏大不利于后期攜液，剩余儲(chǔ)量較多，開(kāi)采潛力大。更換油管作業(yè)、探砂面時(shí)，發(fā)現(xiàn)井底沉砂及碎石掩埋產(chǎn)層。利用式(6)計(jì)算出工作液流速為1.6 m/s時(shí)，能帶動(dòng)直徑8 mm的破碎物以1 m/s的速度上返。該井套管內(nèi)徑為157.0 mm，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)射流聯(lián)合沉砂筒解堵試驗(yàn)時(shí)所用油管外徑73.0 mm，沉砂筒外徑140.0 mm。

由式(6)的計(jì)算結(jié)果和該井的油套管參數(shù)可知，排量為400 L/min時(shí)，1 min內(nèi)能將直徑8 mm的破碎物帶至60 m的高度，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。在排量400 L/min條件下，經(jīng)過(guò)15 min射流將掩埋產(chǎn)層段長(zhǎng)達(dá)7.85 m的裸眼垮塌碎塊和板結(jié)沉砂清除，沖出最大碎塊的尺寸為5 mm×8 mm,沖砂進(jìn)尺達(dá)9.98 m，超過(guò)產(chǎn)層底界2.13 m。該井沖砂后，生產(chǎn)管柱順利下入產(chǎn)層下部，解堵酸化后復(fù)產(chǎn)，目前產(chǎn)氣量3.0×104m3/d。

6 結(jié) 論

1) 旋轉(zhuǎn)射流聯(lián)合沉砂筒局部循環(huán)解堵工藝能徹底清潔井筒和近井地帶地層的堵塞物，從根本上解決井下沉積物的堵塞問(wèn)題，具有一次撈砂量大、解堵效率高等特點(diǎn)，是一種行之有效的低壓氣井井筒清潔技術(shù)。

2) 針對(duì)不同的堵塞物，推導(dǎo)出了環(huán)空內(nèi)上返液流速的計(jì)算公式，可為旋轉(zhuǎn)射流聯(lián)合沉砂筒局部循環(huán)解堵工藝實(shí)施提供依據(jù)。

3) 對(duì)旋轉(zhuǎn)噴頭水力參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了正向噴嘴數(shù)量、直徑、安裝位置及角度等參數(shù)的計(jì)算公式，可為旋轉(zhuǎn)噴頭設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)
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