连续油管旋转冲砂技术在水平井中的应用

汪国庆,周承富,吕选鹏,陈田勇,田东彬,刘麦珍

(1.渤海钻探工程井下技术服务分公司,天津300283;2.渤海装备中成机械钻头厂,天津300283) *

连续油管旋转冲砂技术在水平井中的应用

汪国庆1,周承富1,吕选鹏1,陈田勇1,田东彬2,刘麦珍1

(1.渤海钻探工程井下技术服务分公司,天津300283;2.渤海装备中成机械钻头厂,天津300283)*

采用常规方法对水平井进行冲砂作业,风险高,且冲砂效果不好。通过对冲砂机理理论研究,配套了连续油管旋转冲砂工艺管柱。经室内试验和现场作业证明:连续油管旋转冲砂技术解决了小排量地面设备在水平井段的冲砂难题;实现了水力自进、限速旋转、紊流携砂、深层解堵功能,解决了水平井冲砂作业沉砂、携砂、钻压传递、砂堵管柱的技术难题,取得了良好的经济效益和社会效益。

水平井;连续油管;旋转冲砂

连续油管技术现已扩展到修井、完井、测井、增产措施、钻井、管道集输等多个领域[1-7],在石油工业领域被誉为“万能作业设备”。随着大港油田滩海油田水平井的增多,水平段油层出砂现象也日益严重,已严重影响正常的生产。用普通油管冲砂作业劳动强度大,费时费力,特别是对水平井进行冲砂,风险高,且冲砂效果不好,对储层不能有效地保护。利用连续油管在水平井配套专用工具进行冲砂作业将成为一种常规、高效的作业技术在世界范围内普及。国内运用连续油管对水平井进行冲砂作业研究较少,特别是在小排量下没有配套有效的工具,进行的水平段冲砂作业效果不好。

1 冲砂参数理论计算

1.1 砂粒的沉降末速度

为了能确保冲砂液将井底砂子带至地面,必要的条件是冲砂液在井内的上升速度必须大于最大直径砂粒的沉降末速度[8-9]。冲砂作业是油气井井筒中的固液两相流动,通常属于稀疏固体流动,因此附加质量力、Basset力、Magnus力、Safman力等忽略不计,只考虑重力、浮力和表面阻力。

假设砂粒为球形,在液体中的沉降末速度与砂粒在液体中所受的重力、浮力、阻力有关。当砂粒的沉降速度稳定后,砂粒所受阻力为重力减去浮力[10],即

式中,d为砂粒直径,m;ρs、ρl为砂和冲砂液的密度, kg/m3;g为重力加速度,9.8 m/s2;vt为静止液体中砂粒沉降末速度,m/s;ψ为砂粒移动的阻力系数,无因次。

经学者研究表明[9],要保证冲砂成功,冲砂液流态必须为紊流(1×103≤Re≤2×105),ψ=,由式(1)得

式中,CD为阻力系数,无因次,对于冲砂液可视为牛顿流体,在紊流情况下,CD=0.44～0.50。

据调查研究,通常地层砂粒径<0.2 mm,考虑到原油的存在,砂粒可能会粘连到一起,因此在进行水力学计算时考虑3粒地层砂被原油包裹到一起的情况,此时砂粒的当量直径为0.5 mm,砂粒的密度为1.6～1.7 g/cm3,取最大值1.7 g/cm3,vt=0.10 m/s。

1.2 连续油管与油管小环空携砂液返速

用连续油管对水平井段进行冲砂,冲砂液携砂通过«73 mm油管和连续油管之间的小环空返流到地面。小环空携砂液返速计算式为

式中,vf为小环空携砂液返速,m/s;Q为连续油管排量,m3/s;Ah为连续油管小环空面积,m2;Di为油管内径,m;do为连续油管外径,m。

«73 mm油管内径为0.062 m,«50.8 mm连续油管外径为 0.050 8 m,排量通常为 200～400 L/min,取最小值带入式(3),得

2 冲砂管柱及专用工具

2.1 管柱组成

连续油管高压旋转水射流冲砂工艺管柱是针对水平井水平段长、上部井眼尺寸大等实际情况所引发的冲砂难、产层易受污染堵塞等问题而设计的。结合目前国内连续油管现状,设计了正向旋转冲砂工艺。该工艺管柱由喷头总成、旋转控制器[11]、扶正器、安全接头、回压阀5部分组成,如图1。

图1 水平井冲砂工艺管柱

2.2 工艺原理及特点

该工艺管柱提供了一种水力自进式可调速旋转冲砂解堵装置,它是改变冲砂喷头在井底的受力状态,由连续油管被动送进改为水动力主动牵引,降低摩擦力,解决连续油管钻压传递及地面有效控制问题;改变冲砂喷头在井底的运动状态,由纯滑动改为水力旋转与滑动复合型;应用高压喷射局部形成负压解除近井地带堵塞[12]。通过上述措施实现了水力自进、限速旋转、紊流携砂,深层解堵等功能,解决了复杂结构井冲砂作业沉砂、携砂、钻压传递、砂堵管柱的问题。

该工艺管柱结构新颖,冲砂解堵同时进行,可大幅度降低成本,可减少油层二次损害和污染;喷头旋转及锥壳旋转射流使得井底流场呈螺纹状上升,达到高效清砂解堵;作业液经喷嘴节流加速,喷射速度大幅度提高,形成紊流,使得液体上返速度超过砂粒滑脱速度10倍以上,解决了在地面设备排量小的情况下水平段沉砂问题。实现了水力自进、限速旋转、紊流携砂、深层解堵功能,能够解决水平井冲砂作业沉砂、携砂、钻压传递、砂堵管柱的技术难题。工具外径尺寸较小,可通过«73 mm油管进行作业。

3 室内试验

3.1 喷头试验

1) 按照试验管柱图将油管和工具串在试验基地的大院里连接好,管柱总长约3 m。

2) 将连接好的管串放置在管柱托架上,连接好水泥车与管串,启动泵车分别升压,各稳压5 min,同时观察整个管串的密封和工作情况,重点观测喷头单个喷嘴的扬程和旋转控制器的转速。

喷嘴布置如图2,室内试验效果如图3。由表1的试验数据可知,喷头的转速和节流压力完全符合设计要求。

图2 喷头结构

图3 室内试验效果

表1 喷头试验数据

3.2 旋转冲砂试验

3.2.1 试验流程(如图4)

图4 试验流程

3.2.2 试验步骤

1) 按照图4将油管和各工具连接好,安装到地面模拟的«88.9 mm(英寸)水平井井筒内,管柱总长约10 m。随后将地面模拟水平井井筒提离地面一定倾斜度,开始人工填砂,使整个井筒内填砂约100 kg(粒径0.5 mm),再将井筒置于水平位置,连接泵车开始冲砂。

2) 记录泵车冲砂时的压力和排量,同时观察反出砂的情况,并详细记录相关数据,如表2。

3) 用小吊车将«88.9 mm(312英寸)套管倾斜,与水平方向倾斜角为20°,重复上述试验。

表2 不同倾角套管内冲砂试验数据

清水可以将水平段砂粒顺利冲出,但当套管倾斜一定角度后,清水的携砂能力有一定的下降。砂粒若要达到相同的冲出率,可通过增加冲砂时间来补偿,或者选取带一定粘度的冲砂液。

4 现场应用

采用配套专用工具的连续油管对水平井段进行旋转冲砂,现场作业28井次,成功率100%,现以LQ2-10-1井为例。

LQ2-10-1井位于港东油田二区七断块,最大井斜89.3°,水平井段长450 m,由于出砂严重,砂埋油层,影响正常生产,必须冲砂。

4.1 施工过程

下连续油管带旋转喷头硬探砂面,用清水50 m3正循环冲砂,泵压6 MPa,排量20 m3/h,无漏失,返地层砂3.8 m3,用时8 h。提出旋转喷头。

4.2 现场试验效果

该井冲砂过程基本顺利,在排量20 m3/h(小环空液体流速0.6 m/s)的情况下,虽然该井水平井段长达450 m,清水仍可以将0.3 mm左右的砂粒全部冲出,说明连续油管旋转冲砂工艺效果良好。

5 结语

通过对冲砂机理理论研究、室内模拟试验和现场应用表明,连续油管配套专用旋转冲砂工具对水平井冲砂作业,解决了在地面设备排量小情况下水平井段的冲砂问题,实现了水力自进、限速旋转、紊流携砂、深层解堵功能,解决了水平井冲砂作业中沉砂、携砂、钻压传递、砂堵管柱的技术难题,取得了良好的经济效益和社会效益。

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Applications of Horizontal Wells Rotating Sand-Washing Process With CT

WAN G Guo-qing1,ZHOU Cheng-fu1,LV Xuan-peng1,CHEN Tian-yong1, TIAN Dong-bin2,LIU Mai-zhen1
(1.Downhole Technology Service Company,B HDC,Tianjin300283,China;2.Drilling Bit Manuf cturing Plant,Zhongcheng Machinery Manuf acturing Co.,Ltd.,B H PE,Tianjin300283,China)

The conventional method of horizontal wells for sand washing operation,high risks,and is not effective.Sand through the mechanism of hedging theory,supporting the formation of a coiled tubing string rotating sand washing process,the laboratory experiments and field operations inspection,study of the formation of the coiled tubing rotary sand washing technology to solve the displacement of ground equipment,the case of small red horizontal section sand issue and realization of the self into the water,speed rotation,turbulent carrying sand,deep plugging,solve the grit sand washing operation of horizontal wells,carrying sand,drill press pass,sand plug string of technical problems,made good economic and social benefits.

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1001-3482(2011)05-0070-04

TE935

A

2010-11-23

汪国庆(1969-),男,天津人,高级工程师,1994年毕业于中国地质大学石油地质专业,E-mail:zhouchengfu11 @163.com。