水平井新型沖撈一體化工具研究與應用

張雄濤，王治國，王尚衛(wèi)，劉江波，梁萬銀

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018)

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水平井新型沖撈一體化工具研究與應用

張雄濤1，2，王治國1，2，王尚衛(wèi)1，2，劉江波1，2，梁萬銀1，2

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018)

摘要：針對現(xiàn)有沖砂工具在伴有膠結(jié)砂塊的水平井進行沖砂作業(yè)中表現(xiàn)出的效率低、效果差、易堵塞等問題，研發(fā)了一種具有射流旋流、推鏟刮削、捕撈收納等多項功能的水平井新型沖撈一體化工具，并通過Fluent軟件，對其上、下旋流孔進行了數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)選；一趟鉆實現(xiàn)細小砂粒的沖洗上返和膠結(jié)砂塊的捕撈收納，有效縮短了施工周期，提高了水平段沖砂效果，同時避免了膠結(jié)砂塊上返堵塞井口設備和地面管線。現(xiàn)場試驗表明，水平井沖撈一體化工具滿足設計和施工要求，應用效果顯著，具有良好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：水平井；沖砂；沖撈一體工具；數(shù)值模擬

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長慶油田屬典型“三低”油藏，借助鉆完井技術(shù)的快速發(fā)展，“水平井+體積壓裂”開發(fā)方式逐漸成為有效動用超低滲透以及致密油藏的主體技術(shù)。隨著水平井井數(shù)和儲層改造規(guī)模的不斷增大，水平井出砂問題日益突顯，直接套用直井沖砂工藝存在地層漏失大、沖砂不徹底等問題，為此，長慶油田從工藝、工具、液體等多方面開展研究，探索出“連續(xù)+旋流+低濃度胍膠”水平井沖砂技術(shù)體系，較大程度地提高了沖砂效率、改善了沖砂效果[1-6]。

然而，部分區(qū)塊因流體不配伍，井筒內(nèi)形成較大膠結(jié)砂塊，給長慶油田水平井沖砂帶來了新的挑戰(zhàn)。一是部分膠結(jié)砂塊尺寸較大(最大單向尺寸可達40mm)，在低壓高漏失情況下難以通過造斜段、直井段上返至地面，起鉆時易重新回落至水平段，影響井筒通過性；二是部分尺寸較小膠結(jié)砂塊在上返過程中，易堵塞井下?lián)Q向短節(jié)、井口裝置、地面管線等，且難以在短時間內(nèi)準確判斷堵塞位置，為現(xiàn)場施工帶來不便[7-9]。

為此，長慶油田分公司油氣工藝研究院自主研發(fā)了水平井新型沖撈一體化工具，為井筒內(nèi)形成有膠結(jié)砂塊或落有小塊膠皮的水平井沖砂提供技術(shù)支持。

1技術(shù)分析

1.1技術(shù)要求

在出砂并伴有膠結(jié)砂塊的水平井中，一趟鉆實現(xiàn)旋流沖砂及小件落物打撈，同時保證落物不會上返堵塞井口及地面管線。

1.2工具結(jié)構(gòu)

水平井新型沖撈一體化工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由斜尖部分、撈筒部分、旋流槽部分、中心管部分組成。

1.3工作原理

將水平井新型沖撈一體化工具與作業(yè)油管連接，下入至所探砂面位置，啟動泵車進行反循環(huán)(環(huán)空注入)沖砂洗井，沖砂液經(jīng)油套環(huán)空流過該工具時，在旋流槽的作用下形成高速旋轉(zhuǎn)擾流，可有效旋起沉砂及小件落物，混合物隨沖砂液經(jīng)雙瓣單流閥進入撈筒內(nèi)部，流至任一中心管水眼或中心管上返水眼時，細小砂粒通過水眼隨沖砂液繼續(xù)上返，膠結(jié)砂塊及小件落物則被擋在撈筒內(nèi)部，避免了其中低密度落物上返堵塞井口裝置和地面管線，同時在沖砂結(jié)束起出管柱過程中，中心管倒刺和雙瓣單流閥可有效防止膠結(jié)砂塊和小件落物重新回落到井筒，保證井筒的暢通性。

若膠結(jié)砂較硬，采用反循環(huán)沖砂難以有效破砂，可倒換流程為正循環(huán)(油管注入)沖砂，此時，雙瓣單流閥在液力作用下關(guān)閉，沖砂液只能經(jīng)上、下旋流孔噴射而出，形成強有力的高速旋轉(zhuǎn)流束，可有效破除膠結(jié)砂塊、沖刷井筒內(nèi)壁，改善沖砂效果。

1.4技術(shù)特點

1)工具前端保留了斜尖設計，對水平段砂床具有較強的機械推鏟作用。

2)工具本體采用旋流槽設計，在較大外徑(最大剛體外徑優(yōu)選?114mm)條件下，可以更加有效地形成并發(fā)揮沖砂液旋流作用。

3)工具內(nèi)腔前端采用雙瓣單流閥設計，在保證較大上返通道的前提下，可以有效防止膠結(jié)砂塊等小件落物回落井筒，同時在正循環(huán)沖砂時起到密封阻隔作用。

4)工具內(nèi)腔撈筒中部采用中心管設計，其中中心管水眼保證了較大的過流面積，防止膠結(jié)砂塊或落井膠皮堵塞上返水眼，螺旋分布的中心管倒刺可進一步確保進入撈筒的小件落物不回落井筒，同時均勻分布在撈筒內(nèi)，而不是在撈筒兩端集中堆積，有助于保持液流通道流暢性。

2旋流孔數(shù)值模擬分析

2.1參數(shù)初選

在工具研發(fā)過程中，上、下旋流孔的參數(shù)設計關(guān)系到工具在正循環(huán)狀態(tài)下射流旋流效果的好壞，且難以憑借經(jīng)驗進行設計，主要待定參數(shù)包括旋流孔孔徑及分布；旋流孔軸線與工具軸向夾角α；旋流孔軸線與工具徑向夾角β。如圖2所示。

2.2數(shù)值模擬

應用流體模擬軟件Fluent對旋流孔附近流態(tài)進行數(shù)值模擬[10]，湍流模型選擇圓柱射流精度較高、對旋轉(zhuǎn)流動有很好預測能力的Realizablek-ε模型，基于該模型劃分的流體域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3　旋流孔處流體域模型

以流體在工具端部的速度和分布為判斷射流旋

流效果的依據(jù)，結(jié)合工具設計尺寸，選取旋流孔下游200mm處截面流線圖進行對比分析。

2.2.1旋流孔孔徑及分布對射流旋流效果影響

分別對11.5mm×6個和9mm×8個2種旋流孔均布組合進行模擬分析，如圖4所示。從流線圖可以看出，9mm×8個均布組合形成的湍流更為劇烈，在圓周方向上形成的漩渦也較多，此種分布方式射流旋流效果較優(yōu)。

b　9 mm×8個

2.2.2旋流孔軸向角度α對射流旋流效果影響

保持徑向夾角β不變，改變軸向角α進行模擬分析，如圖5所示。從圖5可以看出，當α=30°時，速度變化幅度大，湍流更為劇烈，此時軸向角射流旋流效果較優(yōu)。

圖5　不同旋流孔軸向夾角下游200 mm處截面流線

2.2.3旋流孔徑向角度β對射流旋流效果影響

保持徑向夾角α不變，改變軸向角β進行模擬分析，如圖6所示。從圖6可以看出，當β=20°時，速度變化幅度大，湍流更為劇烈，此時軸向角射流旋流效果較優(yōu)。

2.3優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上模擬分析，最終確定旋流孔孔徑及分布為9mm×8個均勻分布，旋流孔軸向夾角為30°，旋流孔徑向夾角為20°。

圖6　不同旋流孔徑向夾角下游200 mm處截面流線

3現(xiàn)場試驗及效果分析

2015年在環(huán)江、合水油田進行現(xiàn)場試驗，井下管柱結(jié)構(gòu)為水平井新型沖撈一體化工具+73mmJ55油管+連續(xù)沖砂裝置至井口，施工排量500～700L/min。與前期斜尖沖砂相比，平均單井施工周期縮短2.2d、進尺速度提高17m/h、沖砂液用量減少30 %，每口井可節(jié)約清水費、拉運費、等停費、污水處理費共計￥2.3萬元；措施后平均單井日恢復油量0.85t，取得了較好的實施效果。

4結(jié)論

1)通過大直徑旋流槽、帶倒刺中心管、雙瓣單流閥、上下旋流孔等結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，研發(fā)了一種水平井新型沖撈一體化工具，在小排量上返條件下，一趟鉆實現(xiàn)伴有膠結(jié)砂塊和小件落物的井筒高效沖砂和打撈。

2)利用Fluent軟件對該工具旋流孔進行數(shù)值模擬分析，確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，提高了工具射流旋流沖砂性能。其優(yōu)化結(jié)果和分析方法對同類型工具的設計具有一定的指導意義。

3)現(xiàn)場試驗表明，該工具較好地滿足了設計和施工要求，特別適用于對返出物粒徑有嚴格要求的連續(xù)沖砂工藝，并取得較好實施效果，促進了水平井產(chǎn)能有效發(fā)揮，為下一步的井筒措施作業(yè)提供了良好保證。

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ResearchandApplicationoftheNewWash-fishingToolinHorizontalWell

ZHANGXiongtao1，2，WANGZhiguo1，2，WANGShangwei1，2，LIUJiangbo1，2，LIANGWanyin1，2

(1.Oil & Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710021，China；2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields，Xi’an 710018，China)

Abstract：In order to solve the problem of the existing sand flushing tools：low efficiency，poor effect，easy to jam etc，we design the flush-fishing tool which can jet flow，scrape wellbore and fish the cemented sand at the same time，and we utilize fluent software to make numerical simulation and parameter optimization for the upper and lower swirl holes.And we can use the flush-fishing tool to flush out fine sand and fish up cemented sand with only one drill.Field application shows that the flush-fishing tool has met the design and construction requirements，improved the working efficiency and the level of sand flushing，and avoided cemented sand plugging wellhead equipment and ground pipeline.The flush-fishing tool has good popularization and application prospects.

Keywords：horizontal well；sand washing；wash-fishing tool；numerical simulation

文章編號：1001-3482(2016)06-0089-04

收稿日期：2015-12-03

基金項目：中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術(shù)開發(fā)項目(1402-2)

作者簡介：張雄濤(1990-)，男，工程師，主要從事井下作業(yè)配套技術(shù)研究，E-mail：13468811681@163.com。

中圖分類號：TE934.2

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.020