同心双管水力喷射携砂采油工艺诊断与优化系统设计及在孔店油田的应用

2017-03-02陈锐

石油地质与工程 2017年1期

关键词：喷射泵沉降速度砂粒

陈锐

(中国石油大港油田公司采油工艺研究院，天津大港 300280)

同心双管水力喷射携砂采油工艺诊断与优化系统设计及在孔店油田的应用

陈锐

(中国石油大港油田公司采油工艺研究院，天津大港 300280)

为提高出砂油井同心双管水力喷射携砂采油工艺方案设计的合理性，有效防止出砂油井砂粒沉积，提高油井开发效率，对同心双管水力喷射携砂采油工艺诊断与优化系统进行了探讨，通过对出砂油井生产数据、工艺设计参数进行处理分析，对油井生产工况进行诊断分析和优化设计。主要介绍了该工艺诊断与优化系统的工艺流程和关键技术，并对其在孔店油田的应用进行了介绍。应用结果表明，该系统以实现工况诊断分析和工艺参数优化的目的。

同心双管水力喷射；携砂采油；工况诊断；优化设计；孔店油田

由于疏松砂岩油藏出砂严重，水平井、大斜度井及小井眼侧钻井的防砂效果不稳定，致使油井砂卡、砂埋频繁发生，开发效率受到严重影响。高兰[1-3]等研究的水力喷射泵排砂采油技术能在一定程度上缓解油井出砂问题，但该技术仅采用单管生产，在井筒液流上升速度和携砂能力提高幅度方面具有一定的局限性，无法满足大直径砂粒和含砂量高的出砂油井的正常生产。

同心双管水力喷射携砂采油工艺优化与诊断系统以出砂油井实际生产数据为分析依据，针对同心双管管柱结构，优选合适的油井出砂量预测模型，建立砂粒自由沉降速度分析模型，同时结合井筒多相流理论，对生产工况进行诊断分析，并根据诊断结果优化设计生产参数，能够满足携砂采油的生产需要。

1 工艺流程及参数分析

依据油井生产数据、工艺设计数据，结合优选的油井出砂量预测模型、砂粒自由沉降速度计算模型及井筒多相流计算模型，对油井携砂能力、水力泵喷喉比、泵效等工况指标进行诊断分析；并依据油井诊断结果对管柱结构、喷喉比、泵挂深度、地面动力系统等工艺参数进行优化设计(图1)。

1.1 油井出砂量预测分析[4-5]

通过对比Papamichos E及罗艳艳等建立的油井出砂量与生产时间关系模型，结合孔店油田油井出砂量拟合情况，优选Papamichos E建立的出砂量预测公式作为该系统出砂量预测模型。

初始出砂量预测公式为：

(1)

稳定期出砂量预测公式为：

(2)

1.2 砂粒自由沉降速度分析

通过筛析实验，对出砂油井砂粒粒径进行统计分析，建立了等价水动力粒径与筛析粒径、砂粒自由沉降速度关系式，确定了砂粒自由沉降速度计算公式，为同心双管水力喷射携砂采油工艺参数的诊断分析和优化设计提供理论依据，保证井筒液体上升速度大于砂粒自由沉降速度，以顺利将砂粒携至地面。

1.2.1 等价水动力粒径分析

通过可视化恒温沉降实验装置，对不同粒径砂粒沉降速度进行测量，从而求解等价水动力粒径。在恒定室温(25 ℃)下，将不同筛析粒径的砂粒置于垂直管道液面以下，使其在管道中心自由沉降，分析砂粒的沉降速度；然后由砂粒在牛顿流体中沉降时的等价水动力粒径计算公式求解砂粒等价水动力粒径。

图1 工艺设计流程

de=0.7926d筛+0.0952

(3)

式中：d筛——砂粒筛析粒径，mm。

1.2.2 砂粒自由沉降速度的确定[6-8]

砂粒开始下沉时，固体颗粒的运动速度较小，其沉降的动力大于阻力，固体颗粒以加速度下沉，随固体颗粒下降速度增加，所受的阻力也不断加大。经过一定距离后，阻力与动力相平衡，此后固体颗粒以匀速向下沉降。根据固体颗粒在牛顿流体中的自由沉降规律及砂粒在紊流区沉降过程中颗粒阻力系数与雷诺数相关图版，得出等价水动力粒径与砂粒自由沉降速度关系：

(4)

其中：

式中：de——砂粒的等价水动力粒径，mm；ds——砂粒粒径，mm；ρs——砂粒密度，g/cm3；ρl——流体密度，g/cm3；v——砂粒自由沉降速度，m/s；Cd——拖拽力系数。

1.3 工况诊断分析

工况诊断分析是对同心双管水力喷射携砂采油工艺生产工况进行分析。通过油井水力喷射泵特性曲线，计算出井筒流体携砂能力及泵效、无因次质量流量比、无因次压力比等工况指标，判断油井工况的合理性及工况调整的必要性[9-10]。

工况诊断的主要方法是通过分析水力喷射泵特性曲线，结合油井下泵深度确定动力液排量，再采用多相垂直管流的计算方法，由地面测试数据(动力液和混合液的压力、流量、温度等)得到井下动力液泵入口处和混合液泵出口处的流量、压力和温度，从而分析诊断出同心双管水力喷射携砂采油技术工况所需要的井筒临界携砂速度及喷喉比、无量纲质量流量比、无量纲压力比、泵效等工况参数。

1.4 生产参数优化设计

依据油井工况诊断分析结果，结合地层产液量和不同粒径砂粒自由沉降速度，对管柱结构、喷嘴与喉管直径组合、泵挂深度、地面动力系统等工艺参数进行优化设计[11-12]。

生产参数优化设计的主要方法是根据地层产液量、泵挂深度、动力液参数(压力、温度、密度)、井口回压以及携砂界限参数(粒径中值、最大砂粒粒径、泵下最小流速、环空最小流速)，选择多种喷嘴、喉管直径及内外管柱直径组合，计算分析多种组合条件下对应的最大产液量和泵效；然后在保证井筒不同粒径砂粒被顺利携带至地面和满足油井产液量的条件下，优选出最大泵效时的工艺参数组合作为油井生产参数。