井下局部反循環(huán)清砂系統(tǒng)研究

張 帥，顏廷俊，朱慶利，吳艷華

(1. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.中石化勝利石油工程有限公司 井下作業(yè)公司，山東 東營(yíng)257000)

油井出砂會(huì)導(dǎo)致卡泵、砂埋油層、不出液等問(wèn)題，不但影響油井正常生產(chǎn)時(shí)率，還會(huì)增加檢泵作業(yè)成本[1]。油井出砂主要與其所處區(qū)塊的地質(zhì)狀況和鉆采作業(yè)技術(shù)有關(guān)，填砂壓裂、聚合物驅(qū)油等技術(shù)的普遍使用易導(dǎo)致油井出砂。很多油井進(jìn)入高含水期后，長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)會(huì)導(dǎo)致地層膠結(jié)變差，也加劇了油井出砂問(wèn)題[2]?，F(xiàn)場(chǎng)常用的清砂方法多是向井下下入油管或鉆桿，使用沖砂液進(jìn)行正循環(huán)或反循環(huán)沖砂，將井底沉砂都沖至地面[3]。這類傳統(tǒng)工藝在漏失井中的作業(yè)成本很高，尤其對(duì)于很多裸眼完井的深井，由于其地層壓力低，導(dǎo)致漏失嚴(yán)重，甚至沖砂液失返，難以形成整體循環(huán)進(jìn)行清砂。因此亟需針對(duì)漏失井高效清砂的方法或工藝進(jìn)行研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，在對(duì)比多種常用清砂工藝后[4-11]，提出一種利用射流泵在井下形成局部反循環(huán)的清砂工藝，并使用集砂器進(jìn)行多級(jí)沉砂，提高了漏失井和深井的清砂作業(yè)效率，具有很好的應(yīng)用前景。

1 清砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清砂管柱主要由清砂用射流泵、集砂器、鉆桿、鉆鋌、磨砂器等組成，如圖1所示。針對(duì)不同的井況、不同的清砂需求，可以連接不同尺寸規(guī)格和數(shù)量的鉆桿和集砂器。磨砂器將大塊砂粒鉆磨成小顆粒砂粒，同時(shí)將砂粒和沖砂液充分?jǐn)噭?dòng)混合，便于井底砂粒被沖砂液攜帶進(jìn)入工具內(nèi)。集砂器是內(nèi)外筒雙層結(jié)構(gòu)，外層環(huán)形空間用于收集沉砂。清砂用射流泵是為從井底到射流泵之間的局部循環(huán)提供動(dòng)力的核心工具，從鉆桿內(nèi)抽吸混砂液，同時(shí)通過(guò)混砂液噴射起到?jīng)_砂作用，建立起井下局部反循環(huán)。鉆桿和鉆鋌主要提供液體通道，并連接其他主要清砂工具，傳遞壓力和轉(zhuǎn)矩，其中鉆鋌可以穩(wěn)定管串，并加強(qiáng)鉆磨力，為磨砂器傳遞鉆壓和動(dòng)力。

井下局部反循環(huán)和多級(jí)沉砂的清砂系統(tǒng)運(yùn)行主要分為局部反循環(huán)階段、沉砂階段2個(gè)過(guò)程。

如圖1所示，在局部反循環(huán)階段，地面供給的高壓動(dòng)力液從鉆桿進(jìn)入，通過(guò)射流泵的噴嘴后形成高速低壓區(qū)，混砂液在壓差的作用下通過(guò)磨砂器的水眼被抽汲向上流動(dòng)。同時(shí)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)清砂管柱進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，磨砂器鉆磨并攪動(dòng)井底沉砂與沖砂液混合，混砂液攜帶砂粒進(jìn)入鉆桿內(nèi)。

圖1 清砂管柱組成(2級(jí)沉砂)

當(dāng)混砂液沿著鉆鋌內(nèi)部上行至第1級(jí)集砂器時(shí)，從集砂器的內(nèi)筒上行，通過(guò)內(nèi)筒上接頭的出砂孔流入集砂器環(huán)空。集砂器環(huán)空流道截面積大于內(nèi)筒流道截面積，環(huán)空中混砂液中的大顆粒砂粒由于流速降低而沉降在集砂器環(huán)形空間內(nèi)，小顆粒砂粒隨著混砂液繼續(xù)上行。直至混砂液上行至射流泵內(nèi)，與地面供給的動(dòng)力液混合，排到油套環(huán)空中，再攜帶井底砂粒進(jìn)入工具，形成井下局部反循環(huán)沖砂。

局部反循環(huán)沖砂階段結(jié)束后，停泵，此時(shí)進(jìn)入管柱內(nèi)腔中混砂液中的砂粒在重力作用下開(kāi)始沉降，落入集砂器環(huán)空儲(chǔ)存。集砂器的數(shù)量是根據(jù)井底砂量確定，可進(jìn)行多級(jí)沉砂設(shè)計(jì)，防止沉砂造成堵塞，提高沉砂效率。圖1是2級(jí)沉砂管柱結(jié)構(gòu)示意，局部反循環(huán)沖砂、沉砂的過(guò)程可循環(huán)重復(fù)進(jìn)行若干次，直至完成清砂目標(biāo)。

2 清砂用射流泵設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

井下射流泵的結(jié)構(gòu)以其不同的用途有多種結(jié)構(gòu)型式[12]?；谇迳肮に嚨男枰?，清砂用射流泵選用正循環(huán)式結(jié)構(gòu)和固定式結(jié)構(gòu)，兩端接頭可與對(duì)應(yīng)規(guī)格尺寸的鉆桿或油管連接。清砂用射流泵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-上接頭；2-過(guò)濾管；3-上中間接頭；4-引進(jìn)接頭；5-外筒；6-噴嘴；7-喉管總成；8-內(nèi)筒；9-擴(kuò)散管；10-出水接頭；11-下中間接頭；12-堵頭；13-下接頭。

清砂用射流泵的結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外層雙約束設(shè)計(jì)思路，內(nèi)外層零件之間通過(guò)中間接頭以螺紋緊固，出水接頭和引進(jìn)接頭分別與內(nèi)筒以螺紋連接緊固，絲堵與出水接頭以螺紋連接，并通過(guò)臺(tái)階壓緊下中間接頭，從而將整個(gè)射流泵內(nèi)外層緊緊連接為一體，防止在鉆磨沖砂時(shí)因連接不牢固而發(fā)生工具脫落。

2.2 射流泵基本參數(shù)設(shè)計(jì)

射流泵性能特性基本方程的簡(jiǎn)化式為

(1)

式中：H0和M0是性能系數(shù)，與面積比R和吸入液密度γs有關(guān)；φ1為噴嘴處流速系數(shù)，取0.950～0.975；H為壓力比，M為流量比。

式(1)表達(dá)了射流泵的壓力、流量和幾何尺寸之間的關(guān)系，反映了泵內(nèi)能量變化及各主要部件(噴嘴、喉管等)對(duì)性能的影響，它是設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)用射流泵的理論依據(jù)[13]。 面積比R為

(2)

式中：d1為噴嘴出口直徑；d2為喉管直徑。

壓力比H為

(3)

式中：p1為動(dòng)力液壓力；p2為吸入液壓力；p3為排出液壓力。

流量比M為

(4)

式中：Q1為動(dòng)力液流量；Q2為吸入液流量。

效率η為

η=H·M

(5)

結(jié)合某油田N**5井的清砂工藝方案，根據(jù)上述性能參數(shù)以及相關(guān)射流泵理論和設(shè)計(jì)方法[13]，設(shè)計(jì)清砂用射流泵的噴嘴出口直徑d1=4.4 mm，喉管直徑d2=7.7 mm，泵體總長(zhǎng)為1.4 m，泵體外徑為?114 mm。

3 清砂用射流泵仿真優(yōu)化分析

由于射流泵設(shè)計(jì)理論的局限，對(duì)于喉嘴距等個(gè)別結(jié)構(gòu)參數(shù)只能給出經(jīng)驗(yàn)性的范圍值，其最優(yōu)值需通過(guò)仿真分析來(lái)進(jìn)一步確定。

根據(jù)上述給定初步結(jié)構(gòu)尺寸，建立清砂用射流泵內(nèi)部流場(chǎng)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。在設(shè)計(jì)工況下，動(dòng)力液入口壓力為地面泵供液壓力和清砂用射流泵下泵深度的液柱壓力之和，取20 MPa；吸入液入口壓力為射流泵沉沒(méi)度的液柱壓力，取6 MPa；排出液出口壓力為即為射流泵的舉升壓力，取10 MPa。射流泵流場(chǎng)的仿真選Standard k-epsilon湍流模型，穩(wěn)態(tài)模擬，介質(zhì)為常溫清水。

1-動(dòng)力液入口；2-吸入液入口；3-排出液出口。圖3 清砂用射流泵內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算域

通過(guò)對(duì)粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格3種計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析[14]，選用中等網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬，在節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源的同時(shí)，保證計(jì)算精度。

3.1 喉嘴距優(yōu)選

喉嘴距Lc是噴嘴出口端面到喉管入口端面之間的軸向距離。依據(jù)目前射流泵設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)[13, 15]，射流泵喉嘴距LC與喉管直徑d2的關(guān)系為

LC=(0.5～1.5)d2

(6)

在固定其他尺寸不變的前提下，分別取喉嘴距為0.75d2、1.0d2、1.25d2、1.5d2和1.75d2，在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行數(shù)值仿真的對(duì)比研究。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)求得不同喉嘴距下的效率，繪制變化曲線如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)工況下不同喉嘴距的效率對(duì)比

由于在清砂用射流泵的吸入液中可能會(huì)含有井底砂粒，喉嘴距的取值不能太小，以防發(fā)生堵塞。因此綜合以上分析，本文選用1.0d2的喉嘴距，即，Lc=7.7 mm。

3.2 喉管長(zhǎng)度優(yōu)選

喉管是動(dòng)力液和吸入液進(jìn)行混合和能量交換的主要場(chǎng)所，是射流泵最重要的零件之一。依據(jù)目前射流泵設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)[13, 16]，射流泵喉管長(zhǎng)度L2與喉管直徑d2的關(guān)系為：L2=(5～7)d2。

為了確定最佳的清砂用射流泵喉管長(zhǎng)度，分別取5.0d2、6.3d2、6.5d2、7.0d2和7.5d2，5個(gè)喉管長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比研究。

在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行仿真分析，出口壓力為10 MPa，根據(jù)仿真結(jié)果繪制喉管長(zhǎng)度L2與射流泵工作效率η的關(guān)系曲線如圖5所示，由圖5可以得出，射流泵效率隨喉管長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。其中6.3d2喉管長(zhǎng)度的射流泵效率最高，7.5d2喉管長(zhǎng)度的效率最低。

圖5 不同喉管長(zhǎng)度的射流泵效率對(duì)比

圖6為其中5.0d2、6.3d2、7.5d2喉管長(zhǎng)度的射流泵速度分布云圖。從速度數(shù)值上看，喉管長(zhǎng)度越短，高速射流的流速越高，其湍動(dòng)能也是增大的。其中，7.5d2喉管長(zhǎng)度下速度云圖中高速射流核心區(qū)最短，已經(jīng)超出了喉管出口，5.0d2喉管長(zhǎng)度的最長(zhǎng)。6.3d2～7.0d2的喉管能夠給高速射流核心區(qū)提供一定的發(fā)展混合空間，2股流體可以進(jìn)行較為充分的能量傳遞，但太長(zhǎng)的喉管會(huì)提高流體在其中的摩阻損失，降低射流泵的效率。綜合以上分析，選擇清砂用射流泵的最佳喉管長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=6.3d2=48 mm。

a 5.0d2

b 6.3d2

c 7.5d2

4 集砂器設(shè)計(jì)

在井下局部反循環(huán)清砂工藝中，為防止在鉆磨沖砂時(shí)發(fā)生工具脫落，集砂器結(jié)構(gòu)采用與射流泵相同的內(nèi)外層雙約束結(jié)構(gòu)，如圖7。中間的內(nèi)筒通道為混砂液上行通道，內(nèi)筒上接頭上端均布4個(gè)出砂孔，外層環(huán)空用于存放沉砂，環(huán)空流道面積大于中間通道，混砂液流出出砂孔后流速減慢，便于沉砂。

1-上接頭；2-傘形帽；3-上轉(zhuǎn)接接頭；4-內(nèi)筒上接頭；5-外筒；6-內(nèi)筒；7-內(nèi)筒下接頭；8-下轉(zhuǎn)接接頭；9-絲堵；10-下接頭。圖7 集砂器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

針對(duì)油田常用的?127 mm(5英寸)、?139.7 mm(5英寸)、?177.8 mm( 7英寸)套管設(shè)計(jì)的集砂器結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 集砂器結(jié)構(gòu)尺寸

5 下井清砂試驗(yàn)

5.1 清砂方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過(guò)程

某油田砂巖油氣藏已進(jìn)入高含水期，地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜，油層吐砂較為嚴(yán)重。對(duì)該油田N**5井防砂情況調(diào)查，估算其砂面位置大約1 680 m處，清砂目標(biāo)主要是檢驗(yàn)該工藝的可行性。

依據(jù)圖1所示思路針對(duì)該油井進(jìn)行清砂工具方案設(shè)計(jì)，清砂管柱下井后，清砂用射流泵位置在約900 m位置。清砂管柱使用6級(jí)沉砂組合，接入6根集砂器，選用外筒外徑為?110 mm的集砂器。

該油井使用了2種尺寸的套管，分別為?139.7 mm×9.17 mm×1 773.85 m、?101.6 mm×6.65 mm×(1 605.04～1 752.24 m)，即上半段使用的套管為?139.7 mm(5英寸)，下半段使用的套管為?101.6 mm (4英寸)。由于所加工的集砂器外徑?110 mm大于下半段套管內(nèi)徑?88.3 mm，所以集砂器在沖砂后下放到的最低位置須保證在1 605 m以上，不與?101.6 mm (4英寸)套管沖突，因此最下一級(jí)集砂器以下使用外徑更小的?60.3 mm(2英寸)油管連接。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，管柱末端使用筆尖直接抽吸混砂液，不進(jìn)行鉆磨。

下入清砂工具后，供液的泵車開(kāi)始向井下供液，泵車壓力最初穩(wěn)定在21 MPa，符合設(shè)計(jì)施工工況。一段時(shí)間后泵車壓力出現(xiàn)異常變動(dòng)，最高達(dá)到25 MPa，為了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全關(guān)泵沉砂。

最后起出管柱，清理工具，并對(duì)清砂用射流泵等進(jìn)行拆解檢查。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)清砂用射流泵進(jìn)行拆解檢查，在下中間接頭的混砂液上行通道處，以及排出口處都發(fā)現(xiàn)了油砂混合物，如圖8所示。根據(jù)液流方向分析，油砂混合物應(yīng)是來(lái)自于井底。在后期針對(duì)集砂器的拆解中發(fā)現(xiàn)，在前2級(jí)集砂器中發(fā)現(xiàn)了砂粒。綜合上述分析，此次試驗(yàn)在井下液流形成了局部反循環(huán)，能夠?qū)⒉糠志咨傲y帶上來(lái)，驗(yàn)證了該清砂工藝的可行性。

依據(jù)N**5井的井史調(diào)查，在前期的清砂防砂作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，該井出砂中以小顆粒砂粒為主，但大塊砂粒較多，部分砂粒粒徑達(dá)到10 mm以上。此次試驗(yàn)由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，只使用筆尖抽吸混砂液，未使用轉(zhuǎn)盤和磨砂器對(duì)大顆粒砂進(jìn)行鉆磨和攪動(dòng)，大塊砂粒會(huì)對(duì)沖砂液循環(huán)形成一定的阻礙，因此此次收集到工具中的砂粒較少。

圖8 下中間接頭及排出口油砂混合物

如圖9～10所示，在清砂用射流泵的上接頭內(nèi)側(cè)、過(guò)濾筒外表面發(fā)現(xiàn)較多雜質(zhì)，根據(jù)液體流向分析，雜質(zhì)來(lái)源于地面供水池。因此泵車壓力的異常變動(dòng)應(yīng)是由于雜質(zhì)在過(guò)濾筒處造成堵塞，導(dǎo)致沖砂液管路負(fù)載升高。這會(huì)阻礙沖砂液的流通和在噴嘴處形成低壓區(qū)，所以在后續(xù)清砂作業(yè)中需降低沖砂液雜質(zhì)的含量和粒徑。

圖9 上接頭內(nèi)的雜質(zhì)

圖10 過(guò)濾筒外的雜質(zhì)

此次下井試驗(yàn)前，N**5井的液位未探明，依據(jù)歷史液位數(shù)據(jù)確定了清砂用射流泵的下泵深度。該井是漏失井，液位會(huì)有所下降，清砂用射流泵的沉沒(méi)度不足會(huì)造成吸入液壓力較低，因此在后續(xù)清砂作業(yè)中，應(yīng)依據(jù)明確的井下液位設(shè)計(jì)清砂管柱方案，提高清砂效率。

6 結(jié)論

1) 根據(jù)射流泵的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以清砂用射流泵為核心的井下局部反循環(huán)和多級(jí)沉砂的清砂工藝和系統(tǒng)。

2) 以某油田的N**5井為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了清砂用射流泵，選用固定式、正循環(huán)式的射流泵結(jié)構(gòu)，泵體軸向總長(zhǎng)1.4 m，泵體外徑為?114 mm。清砂用射流泵噴嘴出口的直徑d1=4.4 mm，喉管的直徑d2=7.7 mm。

3) 使用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)清砂用射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到喉嘴距Lc=7.7 mm、喉管長(zhǎng)度L2=48 mm。

4) 對(duì)配套的清砂工具集砂器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)?127 mm(5英寸)、?139.7 mm(5英寸)、?177.8 mm( 7英寸)套管，選用內(nèi)外筒雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)規(guī)格的集砂器尺寸設(shè)計(jì)。

5) 在N**5井進(jìn)行下井清砂試驗(yàn)，為后續(xù)清砂作業(yè)的改進(jìn)提供參考依據(jù)。