港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度研究及應(yīng)用

韓岐清，陳　銳，李少甫，孫福山

(大港油田公司 采油工藝研究院，天津　300280)

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港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度研究及應(yīng)用

韓岐清，陳銳，李少甫，孫福山

(大港油田公司 采油工藝研究院，天津300280)

為提高出砂油井同心雙管水力噴射攜砂采油工藝設(shè)計參數(shù)的合理性，有效防止出砂油井在生產(chǎn)過程中砂粒沉積，避免油井出現(xiàn)砂卡、砂埋現(xiàn)象。以砂粒水動力學(xué)為依據(jù)，通過室內(nèi)實驗分析，建立了砂粒等價水動力粒徑與篩析粒徑直線關(guān)系式，并根據(jù)砂粒自由沉降規(guī)律，分析出了不同顆粒直徑砂粒在井筒中的自由沉降速度，然后對比井筒混合液向上流速，判斷出油井是否會出現(xiàn)沉砂。結(jié)果表明：建立的砂粒自由沉降速度模型可用于直井、斜井和水平井的砂粒自由沉降速度分析，能為港西油田出砂油井同心雙管水力噴射攜砂采油工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

出砂油井；等價水動力粒徑；自由沉降速度

油井出砂是影響砂巖油藏油井長效生產(chǎn)的主要原因，尤其是進入油藏開發(fā)中后期，油井出砂情況更為嚴(yán)重，已成為制約油井開發(fā)效率提高的突出難題。解決油井出砂難題的有效方法是將砂粒攜帶至地面，避免在井筒中沉積。李明忠[1-2]等通過研究井筒井液攜砂流動規(guī)律，提出了有桿泵抽油系統(tǒng)攜砂生產(chǎn)舉升工藝參數(shù)設(shè)計方法，本文在此基礎(chǔ)上通過室內(nèi)篩析實驗對港西油田油井砂粒粒徑進行統(tǒng)計分析，建立了等價水動力粒徑與篩析粒徑、砂粒自由沉降速度與等價水動力粒徑關(guān)系式，確定出了港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度計算公式，從而為同心雙管水力噴射攜砂采油工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，保證井筒液體上升速度大于砂粒自由沉降速度，以順利將砂粒攜帶至地面。

1　室內(nèi)實驗分析

1.1油井出砂粒度組成分析

1.1.1砂樣清洗

利用二氯甲烷、酒精等溶劑對港西油田出砂油井產(chǎn)出砂粒進行清洗，經(jīng)清洗處理后的砂樣如圖1所示。

1.1.2油砂篩析粒徑分析

利用振砂機選用尺寸為500 μm、400 μm、300 μm、250 μm、212 μm、180 μm、150 μm、125 μm、75 μm、45 μm的篩子，對經(jīng)過清洗處理后的油砂進行不同粒徑所占質(zhì)量百分比統(tǒng)計分析，建立出油砂篩析粒徑統(tǒng)計頻率分布柱形圖和累計質(zhì)量百分比分布曲線，如圖2所示。

1.2等價水動力粒徑的確定

通過石油大學(xué)(華東)可視化恒溫沉降實驗裝置，對油井出砂沉降速度進行測量，從而求解等價水動力粒徑。每口油井砂樣隨機測量230組進行實驗，在恒定室溫(25 ℃)下將不同篩析粒徑的砂粒置于垂直管道液面以下，使其在管道中心自由沉降，計算砂粒的沉降速度，然后由砂粒在牛頓流體中沉降時的等價水動力粒徑計算公式求解出砂粒等價水動力粒徑，計算公式如下：

de=0.033 7ρlv2(ρs-ρl)-1

(1)

式中：de—砂粒的等價水動力粒徑，mm；ρs—砂粒密度，g/cm3；ρl—流體密度，g/cm3；v—砂粒自由沉降速度，m/s。

對實驗得到的等價水動力粒徑進行分析，得到不同粒徑頻率分布直方圖，并利用Rosin-Rammler模型對累計頻率分布進行擬合，得到油井油砂等價水動力粒徑統(tǒng)計分布曲線，如圖3所示。等價水動力粒徑類似于正態(tài)分布，累計頻率分布擬合精度較高。

根據(jù)上述分析過程，將4口油井油砂分別進行篩析，將其細(xì)分為10種粒徑，然后分別計算每種篩析粒徑對應(yīng)的等價水動力粒徑，結(jié)果如圖4所示。

從圖4分析得出，等價水動力粒徑與篩析粒徑之間具有較好的線性關(guān)系，利用最小二乘法對其擬合得到如公式(2)的關(guān)聯(lián)式，利用該關(guān)聯(lián)式即可將篩析粒徑轉(zhuǎn)換為等價水動力粒徑。

de=0.792 6 d篩+0.095 2

(2)

式中：d篩—砂粒篩析粒徑，mm。

1.3砂粒自由沉降速度的確定[2-3]

砂粒開始下沉?xí)r，固體顆粒的運動速度較小，其沉降的動力大于阻力，固體顆粒以加速度下沉，隨固體顆粒速度的增大，其所受的阻力也不斷加大。經(jīng)過一定距離以后，阻力與動力相平衡，此后固體顆粒即以勻速向下沉降(此時固體顆粒的沉降速度稱為沉降末速)。根據(jù)固體顆粒在牛頓流體中的自由沉降規(guī)律可得到砂粒沉降末速的一般計算公式：

(3)

其中砂粒在流體中沉降時的拖曳力系數(shù)為：

(4)

當(dāng)砂粒勻速向下沉降時，砂粒在紊流區(qū)沉降，根據(jù)顆粒阻力系數(shù)與雷諾數(shù)相關(guān)圖版，紊流沉降時圓球形固體顆粒阻力系數(shù)接近常數(shù)0.45，結(jié)合固體顆粒沉降末速一般計算公式，得出紊流狀態(tài)下的砂粒沉降速度公式為：

(5)

式中：ds—砂粒顆粒粒徑，mm。

結(jié)合(3)、(4)、(5)式即可得出等價水動力粒徑與砂粒自由沉降速度關(guān)系式：

(6)

2　現(xiàn)場實例應(yīng)用

為了驗證砂粒自由沉降速度的可靠性，對港西油田X1井等10余口出砂井砂粒的自由沉降速度進行了計算。其中X1井為直井，砂粒顆粒直徑范圍為0.05～0.5 mm，砂粒粒徑中值為0.27 mm，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)分析油井發(fā)生砂卡、砂埋等事故的可能性較大。為保證油井正常生產(chǎn)，對X1等出砂油井的不同顆粒直徑砂粒的自由沉降速度進行了分析，同時利用井筒多相管流理論計算分析出同心雙管水力噴射攜砂采油工藝井筒混合液流速，對比分析是否有砂粒自由沉降速度大于井筒混合液流速，然后判斷出砂油井生產(chǎn)過程中是否會出現(xiàn)砂卡、砂埋問題，從而為同心雙管水力噴射攜砂采油工藝動力液注入壓力和注入量等工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

通過對分析X1油井不同顆粒直徑砂粒自由沉降速度，同時計算設(shè)計工藝參數(shù)條件下的井筒混合液流速，結(jié)果顯示井筒液體向上流速均大于不同顆粒直徑砂粒的自由沉降速度(如圖5所示)，因此判斷該井生產(chǎn)過程中不會出現(xiàn)砂粒沉積，舉升工藝參數(shù)設(shè)計合理。該井實際生產(chǎn)過程中，油井檢泵作業(yè)時泵筒及沉砂口袋中均未出現(xiàn)沉砂現(xiàn)象，現(xiàn)場實例應(yīng)用表明：砂粒自由沉降速度計算模型準(zhǔn)確可靠，可以用于港西油田出砂油井同心雙管水力噴射攜砂采油工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

3　結(jié)論與認(rèn)識

1)通過室內(nèi)實驗分析研究建立的出砂油井砂粒自由沉降速度的計算方法，可為港西油田出砂油井舉升工藝生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供重要的理論依據(jù)；

2)等價水動力粒徑的精確度取決于實驗得到篩析粒徑值，只有在油井砂粒粒度組成數(shù)據(jù)完整的前提下才能保證砂粒自由沉降速度的準(zhǔn)確性。

[1]李明忠,王衛(wèi)陽,何巖峰,等.垂直井筒攜砂規(guī)律研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2000,24(2):33-35.

[2]李明忠,王衛(wèi)陽,趙國景.垂直井筒井液攜砂流動規(guī)律研究及其在油井生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].實驗力學(xué), 2002, 17(3):385-391.

[3]劉愛萍,鄧金根.垂直井筒低黏度液流最小攜砂速度研究[J].石油鉆采工藝, 2007,29(1):31-33.

Research and Application of Sand Free Settling Velocity in Sand Producing Wells in Gangxi Oilfield

HAN Qi-qing, CHEN Rui, LI Shao-fu, SUN Fu-shan

(Oil Production Technology Institute of Dagang Oilfield, Tianjin 300280, China)

In order to improve the rationality of the design parameters for concentric double hydraulic pump production technology, to prevent sand deposition in the process of production and avoid oil sand and sand burying. This paper, through indoor experimental analysis, established the linear relation of equivalent hydrodynamic diameter and sieve analysis diameter. According to the laws of the sand free settling, the paper analyzed the different particle diameter of free settling velocity of sand in the wellbore, then compared with the mixture upwards velocity in the wellbore, and determined whether the well will be grit. The result shows that this model can be used to analyze sand free settling velocity of oil-producing vertical wells, deviated wells and horizontal wells. It can provide technical support for concentric double hydraulic pump production technology optimization of parameters for sand producing wells in Gangxi oilfield.

sand-producing well; equivalent hydrodynamic diameter; free settling velocity

2016-03-15

陳銳(1987-)，男，天津濱海新區(qū)人，大港油田公司采油工藝研究院工程師，主要從事機械采油新工藝技術(shù)研究工作。

TE35

B

1008-9446(2016)04-0018-04