雙螺旋管柱提高水平井井筒攜砂能力機(jī)理研究

仝少凱，高德利

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.油氣資源與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

引 言

長(zhǎng)慶油田低滲透致密油藏通常采用水平井多級(jí)分簇噴砂射孔體積壓裂工藝進(jìn)行儲(chǔ)層改造、試油、完井一體化作業(yè)，該工藝管柱的主要特點(diǎn)是水平井井筒管柱長(zhǎng)(1 000～2 000 m)、分簇噴射器間距大(≥20 m)、泵壓高、排量大、液量大、砂量大以及施工層段多(一般為8～12段)。近年來(lái)，上述工藝管柱在射孔、壓裂、放噴排液一體化施工過(guò)程中，出現(xiàn)了上、下游水力噴射器非均勻沖蝕現(xiàn)象，以及水平井筒內(nèi)攜砂液砂液分離、支撐劑砂粒沉積現(xiàn)象，降低了進(jìn)入上、下游噴射器處的砂濃度、砂量，因而影響了水力噴射壓裂效果，制約了水平井多級(jí)分簇噴砂射孔體積壓裂管柱的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。目前，針對(duì)水平井水力噴射壓裂技術(shù)及壓裂管柱，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了水力射孔壓裂基礎(chǔ)理論、參數(shù)優(yōu)化、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究、壓裂管柱力學(xué)分析、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等研究，取得了諸多實(shí)用進(jìn)展和成果。Hals KMD等人分析了水力壓裂過(guò)程中孔道注入與巖石的相互作用機(jī)理，闡述了注入液體對(duì)巖石裂縫開(kāi)啟和擴(kuò)張的影響[1]。田守嶒等人介紹了水力噴射射孔和水力射孔裂縫起裂控制機(jī)理，分析了水力噴砂射孔效果的影響因素[2]。牛繼磊和成一等人通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分析了影響水力噴砂射孔能力的參數(shù)關(guān)系，得出了各參數(shù)對(duì)射流破巖能力的影響規(guī)律[3-4]。Rubinstein J.L和李根生等人在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了水力噴砂射孔地面模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)水力噴砂射孔技術(shù)切割套管和近井地層巖石的機(jī)理及影響因素進(jìn)行了分析[5-6]。高德利、竇益華和練章華等人進(jìn)行了壓裂管柱力學(xué)分析，研究了壓裂管柱的屈曲模型、摩阻、臨界載荷及應(yīng)力強(qiáng)度，給出了比較實(shí)用的壓裂管柱力學(xué)分析方法和模型[7-9]。Eastle和韓繼勇等人分析了水力壓裂在水平井完井的厚頁(yè)巖儲(chǔ)層和長(zhǎng)慶低滲透儲(chǔ)層中的成功應(yīng)用案例[10-11]。關(guān)于水平井井筒攜砂方面，李幫民等人基于流體力學(xué)理論，根據(jù)渤海疏松砂巖油藏的基本參數(shù)，利用FLUENT流體力學(xué)軟件對(duì)適度出砂開(kāi)采過(guò)程中水平井筒流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了井筒流速、出砂量、出砂粒徑、稠油黏度等敏感參數(shù)對(duì)攜砂能力和井筒壓降的影響規(guī)律[12]。但上述文獻(xiàn)在水力壓裂過(guò)程中提高水平井筒攜砂能力與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面涉及不多。目前國(guó)內(nèi)各大油田實(shí)施的水力噴射壓裂技術(shù)，大多采用以“清水、胍膠、滑溜水、稠化劑、交聯(lián)劑”等基礎(chǔ)化工料為主的高黏度、高濃度攜砂流體進(jìn)行分簇射孔體積壓裂施工，同樣在部分水平井井筒內(nèi)出現(xiàn)攜砂流體中砂粒沉積與砂液分離現(xiàn)象，導(dǎo)致分簇射孔壓裂效果不理想。此外，由于化工添加劑的大量使用，導(dǎo)致壓裂返排液破膠難度大，液體重復(fù)處理與利用率低，增大了化工料及液體投入成本。因此，本項(xiàng)研究在減少攜砂流體中化工料添加劑使用量和種類，以及保持高效分簇噴射壓裂效果的前提下，提出了采用“雙螺旋管柱”解決以上問(wèn)題。通過(guò)室內(nèi)可視化攜砂流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性和可靠性，并進(jìn)行了管柱內(nèi)攜砂流動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于提高水平井井筒攜砂流動(dòng)能力具有現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

1 雙螺旋管柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為均衡水平井雙簇水力噴射器上、下游噴嘴及本體周圍的非均勻沖蝕，提高水平井井筒攜砂流動(dòng)性能，提出在上游水力噴射器入口處的常規(guī)等直管柱中不連續(xù)增加“雙螺旋管柱”。其技術(shù)原理是利用攜砂流體流經(jīng)雙螺旋管柱產(chǎn)生的螺旋旋流作用改變攜砂流體在管柱內(nèi)的流態(tài)，由直線流變?yōu)槁菪郎u流，將管柱壁面層流向紊流流態(tài)轉(zhuǎn)變，以提高水平井井筒攜砂流體中砂粒的懸浮性，減小砂粒由于慣性向下游堆積，保證雙簇噴砂射孔上、下游水力噴射器噴嘴處砂濃度、流量、壓力均衡，從而降低雙簇水力噴射器的非均勻沖蝕，提高雙簇水力噴射壓裂均衡效果。

結(jié)合目前水力噴砂射孔壓裂管柱結(jié)構(gòu)，在滿足射孔壓裂管柱內(nèi)徑和與套管間有效間隙的要求及加工可行性的前提下，以阿基米德雙螺旋線方程R(θ)= 22θ+20設(shè)計(jì)了阿基米德雙螺旋管柱。該雙螺旋管柱的雙螺旋流道立體形狀為梯形槽，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 阿基米德雙螺旋管柱主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the Archimedes double helix tube string

2 雙螺旋管柱和等直管柱內(nèi)攜砂流動(dòng)可視化評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)提出的阿基米德雙螺旋管柱的實(shí)際效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，根據(jù)表1的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)了有機(jī)玻璃透明雙螺旋管柱，如圖1所示。

采用大型環(huán)路式液固兩相流體流動(dòng)與沖蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了雙螺旋管柱與等直管攜砂流動(dòng)對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流體為胍膠粉、交聯(lián)劑、石英砂(20/40目，粒徑0.425～0.850 mm)及清水按一定比例配置的液固兩相流體，其中流體砂濃度75～200 kg/m3，2-7/8″管柱內(nèi)流體流速3.4～21 m/s(由泵排量控制)。圖2為等直管內(nèi)流速v=10.0 m/s和v=5.0 m/s的攜砂流體中砂粒分布圖。由圖2可以看出，流速v=10.0 m/s時(shí)，流體較高的黏度使得砂粒均勻懸浮在管柱內(nèi)。由于靠近管壁處流體剪切速率較高，砂粒在較高的剪切速率作用下產(chǎn)生垂直于管壁方向的拖拽力，在拖拽力作用下砂粒群會(huì)向管柱中心部位遷移。當(dāng)v=5.0 m/s時(shí)，顆粒所受的拖拽力減小，在重力作用下出現(xiàn)了較明顯的沉降。

圖1 阿基米德雙螺旋有機(jī)玻璃透明管柱Fig.1 Organic glass Archimedes double helix tube string

圖2 等直管柱攜砂流動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.2 Dynamic process of carrying sand flow in straight pipe

圖3所示為雙螺旋管內(nèi)流速v=10.0 m/s和v=5.0 m/s的攜砂流體中砂粒分布圖。由圖3可以看出，流速v=10.0 m/s時(shí)，砂粒和流體均呈現(xiàn)出明顯的螺旋流動(dòng)。由于砂粒和流體之間存在密度差，砂粒產(chǎn)生更大的離心力，會(huì)向管壁遷移。當(dāng)v=5.0 m/s時(shí)，砂粒在螺旋流中并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的沉降。因此，增加螺旋結(jié)構(gòu)后，可以顯著改善砂粒的懸浮性，使更多的砂粒沿著管壁的螺旋槽呈現(xiàn)螺旋流動(dòng)，從而增加上游水力噴射器的砂濃度。

圖3 雙螺旋管柱攜砂流動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.3 Dynamic process of carrying sand flow in double helix pipe

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在等直管中，砂粒大多均勻懸浮在管柱內(nèi)部，在慣性力作用下砂粒群向下游聚集，實(shí)際進(jìn)入噴射器上游噴嘴的砂含量明顯減小。而采用雙螺旋管后，砂粒群在離心力作用下向管壁聚集，可以明顯改善砂粒的懸浮性，隨著流速的增大，更多的砂粒在離心力的作用下貼近管壁呈螺旋狀流動(dòng)，從而增加進(jìn)入上游噴射器噴嘴的砂含量，改善上下游噴嘴處砂粒的不均勻性，防止砂粒群在下游噴射器底部堆積而堵塞噴嘴，使上下游噴射器噴嘴及本體周圍的沖蝕更加均勻，延長(zhǎng)雙簇噴射器的使用壽命。上述實(shí)驗(yàn)證明阿基米德雙螺旋水力噴射壓裂管柱的設(shè)計(jì)是可行、有效的，可以顯著提高水平井多級(jí)分簇射孔體積壓裂井筒的攜砂能力和射孔壓裂效果。

3 雙螺旋管柱和等直管柱內(nèi)流體攜砂流動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 兩種管內(nèi)攜砂流體中砂粒運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的建立

觀察上述雙螺旋管柱和等直管攜砂流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，要建立管內(nèi)攜砂流體中固體砂粒的動(dòng)力學(xué)方程，需要分析攜砂流體中砂粒的受力情況。從實(shí)驗(yàn)來(lái)看，在等直管高、低流速狀態(tài)下，攜砂流體中的砂粒在管柱內(nèi)受4個(gè)力作用：流體拖拽力、水平壓力差產(chǎn)生的水平推力、虛擬質(zhì)量力、重力。在雙螺旋管高、低流速狀態(tài)下，攜砂流體中砂粒的受力項(xiàng)比等直管內(nèi)多增加一項(xiàng)離心力。砂粒在管內(nèi)攜砂流體的作用下，始終處于加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，所以在上述5個(gè)力的作用下，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，每一瞬時(shí)雙螺旋管柱和等直管內(nèi)攜砂流體中砂粒的受力平衡方程為：

(1)

(2)

(1)砂粒所受流體拖拽力

管內(nèi)攜砂流體中砂粒受到流體作用的拖拽力為[13]：

(3)

式中：Cd為流體拽力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出Cd≈0.44；dp為砂粒的當(dāng)量直徑，mm；ρp為砂粒的視密度，g/cm3；Rep為攜砂流體的雷諾數(shù)；μ為攜砂流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

由流體力學(xué)得雷諾數(shù)

(4)

式中：ρf為攜砂流體密度，g/cm3；ug為攜砂流體流速，m/s；dt為管柱內(nèi)徑，m。

由式(3)和式(4)得：

(5)

(2)水平推力

由于攜砂流體中砂粒所處的流場(chǎng)中存在水平壓力差，砂粒會(huì)受到一個(gè)因壓力差引起的力的作用。沿管柱長(zhǎng)度方向的水平壓力差產(chǎn)生的水平推力定義如下[14]：

(6)

如果流場(chǎng)中的壓力差僅僅是由流體水平流速變化引起的，則與之對(duì)應(yīng)的壓力差產(chǎn)生的力即為流體對(duì)砂粒的水平推力。

根據(jù)伯努利能量方程建立攜砂流體在管柱截面A1-A1和A2-A2間的總流方程為：

(7)

式(7)需要說(shuō)明的是，由于攜砂流體中砂粒的速度與流體的速度相差很小，所以在伯努利方程中用砂粒的速度代替流體的流速。

為了便于分析，不考慮管柱2個(gè)截面間的沿程能量損失，由式(7)可得等直管和雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒從截面A1-A1運(yùn)移至截面A2-A2時(shí)攜砂流體的壓力降分別為：

(8)

(9)

等直管和雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒在δtd時(shí)間內(nèi)從截面A1-A1運(yùn)移至截面A2-A2時(shí)的運(yùn)動(dòng)位移分別為：

(10)

(11)

聯(lián)立式(6)和式(8)～式(11)得等直管和雙螺旋管柱中砂粒由于水平壓力差所產(chǎn)生的水平推力分別為：

(12)

(13)

(3)虛擬質(zhì)量力

當(dāng)砂粒相對(duì)于流體作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，不但砂粒的速度越來(lái)越大，而且在砂粒周圍的流體速度亦會(huì)增大，推動(dòng)砂粒運(yùn)動(dòng)的力不但增加砂粒本身的動(dòng)能，而且也增加了流體的動(dòng)能，故這個(gè)力大于加速砂粒所需的力，這好像是砂粒質(zhì)量增加了，所以加速這部分增加質(zhì)量的力就成為砂粒虛假質(zhì)量力[15]。該虛擬質(zhì)量力可采用下式計(jì)算：

(14)

式中：uslip是砂粒對(duì)連續(xù)相流體的滑移速度，m/s；Vp為砂粒體積，m3；Cv為虛擬質(zhì)量力系數(shù)。

將等直管和雙螺旋管柱中滑移速度用相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度替換，可得等直管和雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的虛擬質(zhì)量力分別為

(15)

(16)

(4)砂粒的重力

管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的重力為

(17)

(5)螺旋離心力

根據(jù)理論物理知識(shí)得雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒所受的離心力為

(18)

式中：R(θ)=R0+k·θ為阿基米德雙螺旋極坐標(biāo)方程，k為阿基米德雙螺旋線系數(shù)，mm/°,一般為常數(shù)，每旋轉(zhuǎn)1°時(shí)極徑的增加(或減小)量；θ為極角，(°)，為阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過(guò)的總度數(shù)；R0為當(dāng)θ=0°時(shí)的極徑，即阿基米德螺旋線的初始半徑，一般為常數(shù)，mm；T為砂粒沿雙螺旋管壁圓周運(yùn)動(dòng)的周期，s。

3.2 兩種管內(nèi)攜砂流體中砂粒運(yùn)動(dòng)速度的求解及分析

將式(15)～式(18)、式(12)～式(13)及式(5)分別代入動(dòng)力學(xué)方程(2)和(1)，得等直管和雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)速度分布分別為

(19)

(20)

(21)

(22)

其中：

(23)

(24)

由式(19)～式(24)對(duì)比可以看出，等直管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)速度分布滿足恒定加速度加速運(yùn)動(dòng)方程，其水平加速度為系數(shù)A(恒定值)，等效初始速度為系數(shù)B；雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)速度分布符合變加速度加速運(yùn)動(dòng)方程，其水平加速度為系數(shù)K，其值隨砂粒的直徑及密度、流體的密度及流速、管柱內(nèi)徑等參數(shù)變化，等效初始速度為系數(shù)D，與等直管等效初始速度B相同。這表明，在管柱尺寸、流體密度及黏度、砂粒尺寸及密度、流體流速等參數(shù)不變的條件下，增加雙螺旋結(jié)構(gòu)后，對(duì)管柱內(nèi)砂粒的等效初始速度沒(méi)有影響，但對(duì)砂粒的水平加速度影響較大，由于砂粒沿雙螺旋槽作螺旋流動(dòng)，致使砂粒運(yùn)動(dòng)軌跡的螺旋角度瞬時(shí)交替變化，顯著增大了管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的水平加速度，從而提高了管柱內(nèi)砂粒的運(yùn)動(dòng)速度，使其能快速通過(guò)水平井筒沿射孔孔道進(jìn)入地層， 防止了水平井筒內(nèi)攜砂流體砂粒的沉積以及砂粒向下游噴射器的堆積，提高了水力噴射體積壓裂效果和水平井筒攜砂能力。

4 施工參數(shù)及管柱結(jié)構(gòu)對(duì)管柱攜砂流動(dòng)性能的影響

為了定量分析施工參數(shù)及管柱結(jié)構(gòu)對(duì)雙螺旋管和等直管柱攜砂水平加速度分布的影響，結(jié)合表2基礎(chǔ)參數(shù)和表1設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)式(20)～式(21)和式(23)～式(24)計(jì)算得到攜砂液流體密度與流速、管柱內(nèi)徑及螺旋角對(duì)雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒運(yùn)動(dòng)加速度和等效初始速度分布規(guī)律的影響，見(jiàn)表3—表6及圖5。

表2 施工及管柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)參數(shù)Tab.2 Operation parameters and structural parameters of double helix and straight tube strings

表3 攜砂流體密度對(duì)等直管和雙螺旋管內(nèi)砂粒水平加速度影響的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Influence of sand carrying fluid density on horizontal acceleration of sands in straight and double helix pipe

表4 攜砂流體流速對(duì)等直管和雙螺旋管內(nèi)砂粒水平加速度影響的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Influence of sand carrying fluid flow rate on horizontal acceleration of sands in straight and double helix pipe

表5 管柱內(nèi)徑對(duì)等直管和雙螺旋管內(nèi)砂粒水平加速度影響的計(jì)算結(jié)果Tab.5 Influence of tube diameter on horizontal acceleration of sands in straight and double helix pipe

表6 攜砂流體流速對(duì)等直管和雙螺旋管等效初始速度影響的計(jì)算結(jié)果Tab.6 Influence of sand carrying fluid flow rate on equivalent initial velocity of sand in double helix and straight tube strings

圖5 雙螺旋管內(nèi)砂粒螺旋向心加速度隨螺旋極角變化曲線Fig.5 Varying curve of helical centripetal acceleration of sand in double helix pipe with helix angle

經(jīng)對(duì)表3數(shù)據(jù)回歸發(fā)現(xiàn)，水平井筒雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒的水平加速度隨攜砂流體密度呈二次多項(xiàng)式下降，且相關(guān)系數(shù)為0.996 3，攜砂流體密度越大，管柱內(nèi)砂粒的水平加速度越小，這說(shuō)明在攜砂流體體積不變的條件下，攜砂液密度增大，使管柱內(nèi)攜砂液中砂粒的質(zhì)量隨之增加，在相同水平合力作用下，管柱內(nèi)砂粒的水平加速度顯著降低；與等直管相比，相同攜砂流體密度條件下，雙螺旋管柱內(nèi)砂粒的水平加速度較大，比1.5 g/cm3流體密度下等直管砂粒的水平加速度增加0.78%。

經(jīng)對(duì)表4數(shù)據(jù)回歸發(fā)現(xiàn)，水平井筒雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒的水平加速度隨攜砂流體流速呈線性增加，且相關(guān)系數(shù)為1.0，在攜砂流體流速作用下砂粒始終處于不斷加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且水平加速度增大；相同攜砂流體流速條件下，雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒的水平加速度差值較小，相對(duì)變化幅度范圍在0.52%以內(nèi)。

經(jīng)對(duì)表5數(shù)據(jù)回歸發(fā)現(xiàn)，水平井筒雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒的水平加速度隨管柱內(nèi)徑呈線性增加，且相關(guān)系數(shù)為1.0，增加幅度較大。這是由于隨著管柱內(nèi)徑的增大，攜砂流體在管柱內(nèi)的流態(tài)從紊流狀態(tài)逐漸向臨界流過(guò)渡，攜砂流體中砂粒流經(jīng)管柱截面時(shí)能快速流暢通過(guò)管柱，防止了離散砂粒在管柱內(nèi)截面處堆積，這樣就增加了砂粒通過(guò)管柱內(nèi)截面時(shí)的水平運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而增大了砂粒的水平加速度；與等直管相比，相同管柱內(nèi)徑40 mm條件下，雙螺旋管柱內(nèi)砂粒的水平加速度增加0.67%。上述分析結(jié)果表明，攜砂流體密度、流速及管柱內(nèi)徑對(duì)管柱內(nèi)砂粒的水平加速度具有顯著的影響。

經(jīng)對(duì)表6數(shù)據(jù)回歸發(fā)現(xiàn)，水平井筒雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒等效初始速度隨攜砂流體流速呈負(fù)線性增加，且相關(guān)系數(shù)為1.0，其等效初始速度絕對(duì)值增加幅度較大。

由圖5可以看出，水平井筒雙螺旋管柱內(nèi)砂粒螺旋向心加速度隨螺旋極角呈線性增加，且相關(guān)系數(shù)為1.0，其砂粒螺旋向心加速度數(shù)值較大。這說(shuō)明在水平井筒雙螺旋管柱內(nèi)，砂粒螺旋向心加速度的增大，使攜砂流體中砂粒的螺旋流動(dòng)頻率加快，增加了砂粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，從而增加了攜砂流體中砂粒的懸浮性。這表明雙螺旋管柱對(duì)提高水平井筒攜砂能力具有顯著作用。

綜上所述，水平井筒雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒的水平加速度分布受攜砂流體密度及流速、管柱內(nèi)徑影響各不相同，此外，雙螺旋管柱內(nèi)砂粒的水平加速度還受螺旋角影響，均呈現(xiàn)一定的數(shù)學(xué)規(guī)律，其中攜砂流體流速、雙螺旋管柱螺旋角及管柱內(nèi)徑影響較大。應(yīng)結(jié)合上述分析結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化雙螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)，以最大限度地提高水平井筒攜砂能力。

5 雙螺旋管柱現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)阿基米德雙螺旋水力噴射壓裂管柱的真實(shí)效果，2017年10月在長(zhǎng)慶油田固平65-6X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。固平65-6X井是一口鄂爾多斯盆地伊陜斜坡采油水平井，完鉆井深3 215 m，造斜點(diǎn)498.36 m，入窗點(diǎn)1 920.74 m，水平段長(zhǎng)1 294.5 m，采用Φ139.7 mm×7.72 mm P110套管完井。該井?dāng)M采用水力噴射分段多簇體積壓裂方式進(jìn)行長(zhǎng)6儲(chǔ)層改造，設(shè)計(jì)壓裂改造10段，每段設(shè)計(jì)2簇。該井噴射壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)(由上至下)為：Φ73 mm外加厚油管+第1級(jí)雙螺旋管+Φ73 mm加厚油管+第2級(jí)雙螺旋管+Φ73 mm外加厚油管+…+第n級(jí)雙螺旋管+Φ73 mm外加厚油管+安全接頭+Φ73 mm調(diào)整短節(jié)+雙螺旋水力噴射器(4×6.3 mm)+Φ73 mm外加厚油管+常規(guī)水力噴射器(4×6.3 mm)+單流閥+伸縮補(bǔ)償器+TDY壓裂封隔器。

在施工排量6.0 m3/min條件下，該井一趟鉆完成射孔壓裂10段改造試驗(yàn)，歷經(jīng)射孔、壓裂、放噴一體化作業(yè)有效時(shí)間約260 h，入地總液量4 457.5 m3，入地總砂量476 m3，放噴出砂量約18 m3，出砂率3.78%，每段全程壓裂液和攜砂液(EM30S)中化工料稠化劑和調(diào)節(jié)劑使用量減少為設(shè)計(jì)要求量的1/2，每段設(shè)計(jì)砂量51.2 m3保持不變，試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)水平井筒砂堵現(xiàn)象，每段射孔、壓裂過(guò)程中泵壓基本平穩(wěn)，這說(shuō)明在化工料稠化劑和調(diào)節(jié)劑減半的條件下，該雙螺旋噴射壓裂管柱在水平井筒內(nèi)真正起到了螺旋攜砂作用(如圖6)，加速了水平井筒內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)速度，始終保持水平井筒內(nèi)攜砂流體處于不斷螺旋加速狀態(tài)，使高濃度攜砂流體能快速沿射孔孔道進(jìn)入地層，防止了水平井筒內(nèi)砂粒的沉積以及向下游噴射器處的堆積，同時(shí)由于減少了化工料稠化劑和調(diào)節(jié)劑的使用量，更有利于安全環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

圖6 阿基米德雙螺旋管柱雙螺旋照片F(xiàn)ig.6 Picture of double helix slot inside Archimedes double helix tube string

6 結(jié) 論

(1)兩種管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)速度分布規(guī)律：雙螺旋管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)符合變加速度加速運(yùn)動(dòng)方程，等直管柱內(nèi)攜砂流體中砂粒的運(yùn)動(dòng)滿足恒定加速度加速運(yùn)動(dòng)方程。

(2)水平井筒雙螺旋管柱和等直管內(nèi)砂粒的水平加速度分布受攜砂流體密度及流速、雙螺旋管柱螺旋角、管柱內(nèi)徑影響各不相同，均呈現(xiàn)一定的數(shù)學(xué)規(guī)律：砂粒的水平加速度隨攜砂流體密度呈二次多項(xiàng)式下降，隨攜砂流體流速呈線性增加，隨螺旋極角呈線性增加，隨管柱內(nèi)徑呈線性增加；砂粒的等效初始速度隨攜砂流體流速呈負(fù)線性增加。

(3)可視化液固兩相流動(dòng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，阿基米德雙螺旋管柱可以顯著改善水平井筒內(nèi)攜砂流體中砂粒的懸浮性。隨著攜砂流體流速的增大，幾乎所有攜砂流體中的砂粒在螺旋離心力作用下貼近管壁呈螺旋狀流動(dòng)，流經(jīng)上游噴射器處時(shí)可以增加進(jìn)入上游噴射器噴嘴的砂濃度和砂量，改善上下游噴嘴處砂粒分布的不均勻性，使上下游噴射器噴嘴及本體周圍的沖蝕更加均勻。

(4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的阿基米德雙螺旋水力噴射體積壓裂管柱能夠起到螺旋旋流作用，可將這項(xiàng)新管柱工藝在國(guó)內(nèi)各油田水平井水力噴射體積壓裂工藝中推廣應(yīng)用。

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