连续油管冲砂洗井技术在水平井中的应用

2018-11-15王方祥刘德正倪庆怀

石油化工应用 2018年10期

张朔，王方祥，刘德正，倪庆怀

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津 300283）

随着连续油管作业技术的进步和发展，由于其本身的便捷性，越来越广泛应用于油田生产过程中的钻井，测井，冲砂洗井，修井等作业过程中[1-4]。由于水平井的特殊性，随着油田的生产，地层出砂往往容易在水平段沉淀、固化而形成坚固的砂床[5，6]。为了提高水平井冲砂效率，在连续油管冲砂作业技术的基础上，结合高压水射流技术，在保证连续冲砂作业的基础上，提高射流冲击面积和冲砂效率。由于连续油管可以连续作业，因此旋转喷射作业和冲砂液上返不会间断，砂床会被不停的冲散，冲砂效果较传统的冲砂工艺效果更佳。

1 喷嘴的设计

喷嘴的结构在旋转喷头的设计中占有重要的地位，结构（见图 1）。

喷嘴是喷射结构设计的关键，液体通过喷嘴可以产生高速射流，喷嘴由柱形内腔、收缩加速段和出口段三部分组成。经验表明，出口段长度在1～1.5倍的喷嘴直径时效果最好，这里取出口段长度与喷嘴直径相等。

2 作业参数的优化计算

2.1 冲砂液密度的确定

冲砂液的密度按公式（1）计算：

式中：γ－流体密度，103kg/m3；p－油井压力，MPa；H－油层中深，m；k－常数，一般取0%～15%。

2.2 冲砂液黏度的确定

冲砂液的黏度通常按下式计算：

式中：η－冲砂液黏度，Pa·s；r－砂粒半径，mm；ρ－砂粒密度，103kg/m3；ρ＇－冲砂液密度，103kg/m3；g－重力加速度，9.8 m/s2；v-冲砂液中砂粒的沉降速度，m/s。

2.3 砂粒的沉降速度及最小排量

在冲砂作业中，液体保持紊流状态，冲砂液流速要大于最大砂粒的下沉速度。这里采用牛顿－雷廷格计算法：

式中：vs－砂粒的沉降速度；ds－砂粒直径，mm；ρs－砂粒密度，g/cm3；ρl－冲砂液密度，g/cm3；g-重力加速度，取9.8 m/s2；cd-阻力系数，雷诺数在50～105时取0.5。

雷诺数的计算公式为：

式中：d－环空直径，mm；μ－冲砂液的黏度，Pa·s。

只要确定携砂所需最低钻井液环空返速，也就确定了最小排量，所用的公式为：

式中：va－最低环空返速，m/s；dh－井径，cm。

这里，环空直径取118 mm，油管外径73 mm，内径62 mm，砂粒密度 2.6×103kg/m3，砂粒直径为 1 mm，可以计算得到所需最小排量为86.4 L/min，φ50.8 mm和φ73 mm连续油管排量为200 L/min～400 L/min，可以看出，施工过程作业中完全可以清除井筒中的砂粒。

为了确定各冲砂参数对冲砂效果的影响，在不同条件下进行了冲砂实验。

2.4 井口注入压力对冲砂量的影响

当喷嘴的结构和尺寸确定后，排量主要受到泵压的影响，可以通过公式（6）来计算：

式中：q－通过喷嘴的流量，L/s；A－喷嘴出口面积，cm2；C－流量系数，无因次；Δp－喷嘴压降，MPa；ρ－密度，g/cm3。

在不同压力条件下进行冲砂实验，得到的实验结果（见图2）。从图中可以看到，随着注入压力的增加，冲砂量也随之增加，冲砂效果越好。因此在实际操作中，在现场条件下，选用最优参数内的较大压力进行冲砂施工。

图2 注入压力对冲砂量的影响

图3 注入压力对返排压力的影响

2.5 井口注入压力对返排压力的影响

在同样的条件下，测量不同注入压力条件下，返排压力的变化情况（见图3），从图3可以看出，随着注入压力的增大，返排压力也在增大，当注入压力超过35 MPa的时候，返排压力超过29 MPa，为了安全生产的进行，因此在实际操作中，推荐注入压力为35 MPa。

3 现场实验

采用该工艺现场作业19井，成功率100%。采用正冲方式，采用 0.48胍胶基液作为冲砂液。排量0.5 m3/min～0.6 m3/min，喷嘴射流速度 90 m/s～120 m/s，环空上返速度大于 0.9 mm陶粒沉降末速的 11倍，确保返得出；控制施工压力 35 MPa以内，将连续油管下放至砂面以上20 m时，开始起泵循环。现在以XD-31-1H井为例，其人工井底2 314.8 m，水平井段685.3 m，探得砂面位置2 286.4 m，连续油管下放速度控制在22 m/min，调整到泵压25 MPa，排量为120 L/min，进行高压连续冲洗。冲砂液体使用量10 m3，共返出地层砂1.1 m3，施工时间35 min。常规作业需要约22 m3施工水，时间1 h。与常规作业相比，该技术具有成本低，作业周期短，冲砂效率高，且对地层无污染等优点。