長水平井旋流沖砂工具設(shè)計(jì)與仿真分析

針對長水平井疏松砂巖油氣藏井底出砂以及沖砂液攜砂上返時(shí)，砂粒受重力影響容易二次沉積，造成卡鉆、砂堵等問題，設(shè)計(jì)了一種可前沖和后沖的旋流沖砂工具。對工具的結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了介紹，結(jié)合工具原理，建立了旋流沖砂工具沖砂作業(yè)三維仿真模型，確定了沖砂邊界條件，開展了沖砂效果數(shù)值仿真分析；通過改變前后、后向噴嘴的傾角和直徑，并結(jié)合仿真分析對工具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：前向噴嘴傾角為45°、后向噴嘴傾角為135°、前向噴嘴和后向噴嘴直徑均為8 mm的條件下，砂粒的懸浮效果最好，懸浮的大部分砂粒可以由沖砂液攜帶至較遠(yuǎn)距離，沖砂作業(yè)效率較高，沖砂效果較好。研究結(jié)果可為長水平井沖砂洗井作業(yè)效率的提高提供參考。

長水平井；旋流沖砂工具；仿真分析；噴嘴結(jié)構(gòu)；參數(shù)優(yōu)選

TE934

A

DOI： 10.12473/CPM.202401085

Design and Simulation Analysis of Cyclone Sand

Flushing Tool for Long Horizontal Wells

Luo Yougang1，2" Xie Yonggang1，2" Wang Shangwei1，2" Feng Ding3" Sun Qiaolei3" Chen Xiaoshun1，2

（1.Oil amp; Gas Technology Research Institute， PetroChina Changqing Oilfield Company;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil amp; Gas Fields;3.School of Mechanical Engineering， Yangtze University）

Sand particles are prone to secondary sedimentation under the gravity when sands flow out of bottom hole and sand flushing fluid returns with sands in long horizontal well in unconsolidated sandstone reservoirs. This phenomenon often causes some problems such as sticking and sand bridge. To solve these problems， a cyclone sand flushing tool that can be used for forward and backward flushing was designed. Then， the structural composition and principle of the tool were introduced. Based on the tool principle， a 3D simulation model for sand flushing operation of the cyclone sand flushing tool was built， the sand flushing boundary conditions were determined， and the sand flushing effect was analyzed through numerical simulation. Finally， the structural parameters of the tool were optimized through simulation analysis and by changing the inclination angle and diameter of the forward and backward nozzles. The research results show that when the inclination angle of forward and backward nozzles is 45° and 135°， respectively， and the diameter of forward and backward nozzles is all 8 mm， the suspension effect of sand particles is the best. Most of the suspended sand particles can be carried to a long distance by the sand flushing fluid， resulting in higher sand flushing efficiency and better sand flushing effect. The research results provide reference for improving the sand flushing and well cleanout efficiency of long horizontal wells.

long horizontal well;cyclone sand flushing tool;simulation analysis;nozzle structure;parameter optimization

基金項(xiàng)目：國家采油裝備工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目“自動(dòng)化管柱運(yùn)移系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（ZBKJ 2021-A-03）；中國石油天然氣股份有限公司攻關(guān)性應(yīng)用性科技專項(xiàng)“低滲/致密油藏大幅度提高采收率關(guān)鍵技術(shù)研究”（2023ZZ17）；湖北省高價(jià)值知識(shí)產(chǎn)權(quán)培育工程（專利類）項(xiàng)目“海洋油氣鉆完井關(guān)鍵工具研制及應(yīng)用研究”（20210101）。

0" 引" 言

羅有剛，等：長水平井旋流沖砂工具設(shè)計(jì)與仿真分析

水平井開采技術(shù)可大幅提高單井產(chǎn)量和原油采收率，近年來隨著鉆完井及儲(chǔ)層改造技術(shù)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用規(guī)模迅速擴(kuò)大［1］。據(jù)估計(jì)，世界上90%的油氣井都位于砂巖儲(chǔ)層中，其中多達(dá)35%的油井存在出砂問題［2］。地層出砂與壓裂砂滯留均會(huì)在井筒內(nèi)形成砂橋，沉積砂床不僅成為井底流體流動(dòng)的阻力，嚴(yán)重時(shí)將影響油氣井的正常生產(chǎn)［3］。水平井沖砂洗井是解決井筒砂堵的有效手段，但沖砂液攜帶砂粒上返至斜井段，受重力影響容易二次沉積，易造成作業(yè)管柱砂卡，尤其是長水平段水平井沖砂還面臨砂垢膠結(jié)、井筒漏失等挑戰(zhàn)［4］。

目前國外提供井筒清理及沖砂工具的公司主要有Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger等。其中CoilSweep沖砂洗井工具［5］旨在解決大直徑、斜井或水平井井筒中的出砂問題；Jet Blaster高壓噴射沖砂洗井工具［6］可用于沖砂、油管除垢、防砂篩管清洗以及近井筒表皮去除作業(yè)，具有快速、經(jīng)濟(jì)、高效等特點(diǎn)。針對井底靜壓過低，導(dǎo)致的循環(huán)漏失問題，L.PERDOMO等［7］采用了一種特殊沖程泵達(dá)到了較好的沖砂效果。S.S.RAO等［8］建立了泡沫水力學(xué)模型以確定井底壓力過低時(shí)采用泡沫流體沖砂作業(yè)的可行性，并使洗砂率最大化。H.ALMAJID等［9］設(shè)計(jì)了一種可以在低儲(chǔ)層壓力井底沖砂的微真空噴射泵。國內(nèi)學(xué)者對沖砂工具也進(jìn)行了相關(guān)研究。馮治鋒等［10］設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)負(fù)壓清砂工具。馮定等［11-14］設(shè)計(jì)了多種沖砂洗井工具，如自適應(yīng)水力旋流沖洗工具、轉(zhuǎn)速可控的旋流沖洗工具、振蕩式水平井沖洗工具和反循環(huán)正沖砂式水平井旋流沖砂工具。高森等［15］為優(yōu)化連續(xù)管水平段套管內(nèi)沖砂的主要參數(shù)，驗(yàn)證了不同工況下水平段的沖砂效果，采用連續(xù)管帶沖砂工具在水平段透明套管內(nèi)進(jìn)行沖砂試驗(yàn)。胡強(qiáng)法等［16］開展了旋轉(zhuǎn)噴頭射流工具水力參數(shù)優(yōu)化，并利用計(jì)算流體力學(xué)方法對工具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。

隨著頁巖油氣、致密氣等非常規(guī)油藏的開發(fā)，長水平井?dāng)?shù)量越來越多，水平段長度不斷延長，現(xiàn)有常規(guī)沖砂工具未考慮砂粒二次沉積的影響，其性能和效率有待提高。因此有必要設(shè)計(jì)一種適用于長水平井的高效沖砂工具并優(yōu)選工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為提高長水平井沖砂作業(yè)效率提供參考。

1" 旋流射流沖砂工具設(shè)計(jì)

基于長慶油田頁巖油長水平井沖砂作業(yè)需求，設(shè)計(jì)的水平井旋流沖砂工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該工具主要由換向結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和沖洗結(jié)構(gòu)3大部分組成。換向結(jié)構(gòu)的作用是調(diào)整沖砂液的流動(dòng)方向，使沖砂工具能夠向前噴射沖砂液沖擊砂床，完成旋流沖砂作業(yè)，也能夠向后噴射沖砂液沖洗二次沉積的砂粒，完成沉砂清除作業(yè)；旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為沖洗頭的旋轉(zhuǎn)射流作業(yè)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，沖砂液經(jīng)沖洗頭噴出形成旋轉(zhuǎn)射流沖擊井底的沉積砂床；沖洗結(jié)構(gòu)能夠通過沖擊、攪拌懸浮后移的混砂液，使沉積砂床分散呈懸浮狀態(tài)在沖砂液中形成混砂液，并隨沖砂液一起運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)沖砂作業(yè)，同時(shí)反向沖砂作業(yè)能夠減緩懸浮砂粒二次沉積，增強(qiáng)沖砂效果。工具設(shè)計(jì)最大外徑為88.9 mm，施工壓力15～30 MPa，施工排量500～1 000 L/min，主要適用于139.7 mm（51/2 in）套管內(nèi)沖砂作業(yè)。

該工具的主要工作原理為：沖砂作業(yè)時(shí)，首先采用前向沖砂將沉積的砂床沖散、沖碎，由于長水平井水平段較長，沖散的砂粒向后運(yùn)移一段距離后會(huì)二次沉積，導(dǎo)致上返到地面的沖砂液含砂率越來越?。贿_(dá)到設(shè)定閾值后，增大排量，此時(shí)將進(jìn)行后向沖砂，后向沖砂時(shí)上提管柱進(jìn)而把二次沉積的砂粒全部上返到地面。

前向沖砂時(shí)主要依靠旋流結(jié)構(gòu)帶動(dòng)沖洗頭旋轉(zhuǎn)作業(yè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋流沖砂。沖洗頭上前向噴嘴的主要作用是沖擊破碎井底的沉積砂床，需要有較強(qiáng)的沖擊力，使沉積砂床分散呈砂粒懸浮在沖砂液中形成混砂液，并隨沖砂液一起運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)沖砂作業(yè)。沖洗頭上徑向噴嘴和后向噴嘴的主要作用是沖擊并攪拌懸浮后移的混砂液，為其增加向后運(yùn)移動(dòng)力，減緩懸浮砂粒二次沉積。沖砂效果主要與旋轉(zhuǎn)沖洗頭上的噴嘴直徑及噴嘴傾角的選取有關(guān)。

后向沖砂時(shí)借助換向結(jié)構(gòu)改變流體流向，通過增大沖砂排量推動(dòng)鋼球向前移動(dòng)使球閥處于打開狀態(tài)，沖砂液進(jìn)入球閥腔體后從分流套筒內(nèi)部的后向均布噴嘴噴出，對沉積的砂粒進(jìn)行二次清洗，實(shí)現(xiàn)反向沖砂作業(yè)。

2" 沖砂工具噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

流體流動(dòng)要遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律；如果流動(dòng)包含不同成分的混合或相互作用，系統(tǒng)還要遵守組分守恒定律；如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加湍流輸運(yùn)方程。

基于高精度和時(shí)間成本，并結(jié)合工程實(shí)際、通用性強(qiáng)等前提條件，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。k和ε的輸運(yùn)方程為：

tρlk+xiρlkνl=

xjμ+μtσkkxj+Gk－ρlε－YM（1）

tρlε+xiρlενl=xjμ+μtσkεxj+

C1sεkGk+C3sGb－C2sρlε2k（2）

式中：k為湍動(dòng)能，m2/s2；t為流體流動(dòng)時(shí)間，s；xi、xj為笛卡爾坐標(biāo)的方向位移，m；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；ε為湍流耗散率，m2/s3；ρl為液相密度，kg/m3；νl為液相速度，m/s；C1s、C2s、C3s為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無量綱；σk為k的湍流朗普數(shù)，σk=1.0；Gb為由浮力引起的k的附加量，Pa/s2；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Pa/s;Gk=－ρlu′iu′j———ujxi；u′iu′j———為脈動(dòng)速度二階相關(guān)項(xiàng)，m2/s2；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對整體耗散率的影響，Pa/s，YM=2ρlεMa2；Ma為湍流馬赫數(shù)；μt為湍流黏度系數(shù)，Pa·s;μt=ρlCμk2ε，Cμ=0.09。

2.1" 數(shù)值模型及邊界條件

結(jié)合現(xiàn)場水平井井眼軌跡及實(shí)際工況，設(shè)置沖砂作業(yè)管柱外徑為60.3 mm，旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井工具外徑為88.9 mm，井眼環(huán)空直徑為124.26 mm，砂柱長度為500 mm，模型總長度為3 000 mm。模型采用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格相結(jié)合進(jìn)行劃分，并在沖砂洗井工具射流噴嘴處對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以提高數(shù)值計(jì)算精度。建立了水平井旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井?dāng)?shù)值計(jì)算簡化模型，簡化模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，局部網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井模型初始化云圖如圖4所示。

設(shè)置沖砂液初始密度為1 000 kg/m3，初始黏度為40 mPa·s，初始砂粒直徑為0.425 mm，砂粒密度為2 600 kg/m3。采用Eulerian多相流模型計(jì)算沖砂液-砂粒兩相流，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，井眼邊界和沖砂作業(yè)管柱設(shè)定為固定壁面無滑移，旋轉(zhuǎn)射流沖砂工具的沖洗頭壁面設(shè)置為滑移網(wǎng)格；入口邊界條件為速度入口，針對不同排量沖砂作業(yè)，將排量轉(zhuǎn)化為速度入口，設(shè)定速度初始值;出口邊界條件為壓力出口。出口壓力結(jié)合作業(yè)井深2 800 m進(jìn)行預(yù)算，得到其工作壓力為27.44 MPa。分析時(shí)沖砂工具結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2" 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1" 噴嘴傾角對沖砂效果的影響

圖5和圖6分別是沖砂時(shí)間為6 s，采用前向、后向噴嘴不同傾角沖砂工具作業(yè)時(shí)的砂粒運(yùn)移情況。

由圖5和圖6對比分析可知，前向噴嘴傾角為45°和后向噴嘴傾角為135°時(shí)的砂粒沖散較多且砂床運(yùn)移距離最遠(yuǎn)，說明此種條件下砂粒的懸浮效果最好、沖砂液攜砂運(yùn)移能力最強(qiáng)，懸浮的大部分砂?？捎蓻_砂液攜帶至較遠(yuǎn)距離。圖7和圖8為噴嘴不同傾角時(shí)的含砂體積分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖7和圖8對比分析可知，前向噴嘴傾角45°和后向噴嘴傾角為135°時(shí)，在3 s附近隨時(shí)間增加環(huán)空內(nèi)砂粒的體積分?jǐn)?shù)降低最明顯，相同沖砂作業(yè)條件下，沖砂作業(yè)效率最高，獲得的沖砂效果最好，沖砂施工作業(yè)的成本低?？傮w而言，噴嘴傾角與水平線夾角越小，隨時(shí)間延長環(huán)空內(nèi)砂粒的體積分?jǐn)?shù)降低越明顯，同時(shí)砂粒運(yùn)移距離越長。

2.2.2" 噴嘴直徑對沖砂效果的影響

圖9和圖10分別是沖砂時(shí)間為6 s，采用前向、后向噴嘴不同直徑?jīng)_砂工具作業(yè)時(shí)砂粒的運(yùn)移情況。

由圖9和圖10對比分析可知，前向噴嘴和后向噴嘴直徑均為8 mm時(shí)砂粒被沖散的最多且砂粒向后運(yùn)移的效果最好，而其他條件下均出現(xiàn)砂粒在噴頭后端周向旋轉(zhuǎn)不向后運(yùn)移的情況。說明前向、后向噴嘴直徑為8 mm時(shí)，懸浮的大部分砂?？梢杂蓻_砂液攜帶至較遠(yuǎn)距離，沖砂液的砂粒運(yùn)移能力較強(qiáng)，沖砂作業(yè)效率較高，沖砂效果較好。圖11和圖12為噴嘴不同直徑時(shí)的含砂體積分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖11和圖12對比分析可知：前向噴嘴和后向噴嘴直徑均為8 mm時(shí)，含砂體積分?jǐn)?shù)最低且含砂體積分?jǐn)?shù)降低得最快；含砂體積分?jǐn)?shù)在2 s左右時(shí)開始降低，4.5 s以后含砂體積分?jǐn)?shù)明顯比其他噴嘴低，說明此條件下沖砂作業(yè)效率較高，沖砂效果較好?？傮w而言，噴嘴直徑較小時(shí)，不利于沖砂液攜砂；噴嘴直徑較大時(shí)，不利于砂粒運(yùn)移。

3" 現(xiàn)場試驗(yàn)

2023年，旋流沖砂工具在長慶油田開展了5口井的現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)效果。相比常規(guī)沖洗頭只能前向沖砂，使用該工具能夠?qū)崿F(xiàn)反向沖砂，從而沖擊攪動(dòng)二次沉積砂粒返出地面，減少了卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。對比同區(qū)域、同水平段長度采用連續(xù)管+普通沖洗頭的水平井沖砂作業(yè)，平均純沖砂作業(yè)時(shí)間由144 h縮短至108 h，作業(yè)效率提升25%，驗(yàn)證了該工具可有效提高作業(yè)效率。

以CHXX-27井為例，該井為頁巖油水平井，采用124.6 mm套管完井，完鉆井深4 327 m，水平段長1 980 m；采用連續(xù)管底封拖動(dòng)壓裂，壓裂45段，入地總砂量3 066 m3，入地總液量26 131 m3。壓裂后悶井41 d，悶井結(jié)束放噴排液，對井筒進(jìn)行清理后下泵完井。

井筒清理作業(yè)采用連續(xù)管+旋流沖砂工具。鉆具組合：60.3 mm連續(xù)管+73.0 mm連接頭+73.0 mm雙活瓣式單向閥+73.0 mm安全接頭+88.9 mm旋流沖砂工具。沖砂井段1 895～4 320 m，施工排量500～700 L/min，泵壓20.9～21.7 MPa，歷時(shí)102 h完成沖砂作業(yè)，順利沖洗至4 320 m，通過所有改造段，返出砂量11.3 m3，保障了井筒清潔。

4" 結(jié)" 論

（1）相同沖砂作業(yè)時(shí)間下，長水平井旋流沖砂工具結(jié)構(gòu)參數(shù)與砂粒運(yùn)移關(guān)系密切。噴嘴直徑不宜太大或太小，當(dāng)噴嘴直徑太大時(shí)，不利于砂粒運(yùn)移；當(dāng)噴嘴直徑太小時(shí)，不利于沖砂液攜砂。噴嘴傾角與水平線夾角不宜太大，否則會(huì)出現(xiàn)砂粒在噴頭后端周向旋轉(zhuǎn)而不向后運(yùn)移的情況。

（2）獲得了提高沖砂作業(yè)效率的旋流沖砂工具結(jié)構(gòu)參數(shù)：前向噴嘴傾角為45°、后向噴嘴傾角為135°、前向噴嘴直徑和后向噴嘴直徑均為8 mm。

（3）新型長水平井旋流沖砂工具具有正反向沖砂作用，能攪動(dòng)沉積砂粒，減緩懸浮砂粒二次沉積?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)沖洗頭相比，平均沖砂作業(yè)時(shí)間由144 h縮短至108 h，作業(yè)效率提升25%。

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第一羅有剛，高級工程師，生于1982年，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)井下作業(yè)技術(shù)及配套工具研究工作。地址：（710021）陜西省西安市。電話：（029）86590725。email：luoyg_cq@petrochina.com.cn。

2024-01-28" 修改稿收到日期：2024-10-28

任武