水平环空井段内岩屑运移规律实验研究

刘承婷 闫作秀 刘钢

摘      要： 利用PIV技术具有可视化、可靠性、准确性等特点，通过实验方法研究了流体黏度、入口流量、井斜角等影响因素对水平环空井段内固体运移规律的影响。结果表明：随着入口流量的增加液体对固体的携带作用增强，临界携砂流量为42 m3/d，流量继续增加井筒对固相的携带作用不再明显增加;黏度的增加使液体速度减小，从而使固体运移速度也相应减小，但黏度增加有利于携砂，临界携砂黏度为0.4 Pa·s，黏度继续增加液相对固相的携带作用增加缓慢;井斜角增加不利于液相携砂，井斜角达到90°时固定厚度最厚。

关  键  词：环空井段;砂粒运移;PIV技术;油井防砂

中图分类号：TE 25       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）02-0333-04

Abstract： With the features of visualization， reliability and accuracy， PIV technology was used to study the influence of fluid viscosity， inlet flow rate， well slope angle and other influence factors on the law of solid movement in horizontal annular shaft. The results showed that，with the increase of the inlet flow， the effect of the liquid on the solid movement was enhanced， the critical sand carrying flow was 42 m3/d， but the further increase of flow rate did not obviously improve the carrying effect of the solid; the increase of the viscosity reduced the velocity of the liquid， thus the velocity of solid movement reduced， but the increase of the viscosity was beneficial to the carrying of the sand. The critical sand carrying viscosity was 0.4 Pa·s， and the further increase of viscosity slightly improved the sand carrying ability; the increase of the angle of the well was not favorable to the liquid carrying sand， and the fixed thickness was the thickest when the angle of the well reached to 90°.

Key words： Annular section; Sand migration; PIV technology; Sand control

油井出砂是油藏开采过程中所面临的非常严重的问题之一，尤其是砂岩油藏与稠油油藏，砂粒在井内沉积形成固定层，不仅会影响油井产量，而且可能造成油井停产[1，2]。因此，需要对水平环空内砂粒的运移规律及沉降规律进行研究，从而为井筒除砂提供理论依据。PIV技术是一种精确的图像处理技术，近年来在流体力学中得到了广泛应用，并取得了良好的实验效果[3，4]。本文运用PIV粒子成像技术对水平环空井筒内固液两相的运移规律进行实验研究，分析了不同环空入口流量、液相黏度、井斜角等主要影响因素对液相携砂的作用效果，以期为现场冲砂洗井提供依据。

1  实验部分

1.1  实验装置

PIV实验装置由PIV系统，与现场实际条件几何相似的水平环空系统组成。水平环空管道内、外管由透明的玻璃材料制成，以便于观察内部流场的变化规律。环空系统由水平环空管、下（收）砂装置、流量计、水箱、压差计、泵等组成。根据现场实际数据环空管总长设计成1.2 m，环空管内外管分别由 90 mm×5 mm、30 mm×5 mm（外径90 mm，壁厚5 mm、内径30 mm，壁厚5 mm）的透明玻璃材料制成[5]。環空管道与水箱连接保证环空内流体的循环流动。PIV系统主要由照明设备、CCD照相机、同步控制器、图像采集器等组成，实验结束后使用Teplot软件处理图像采集器采集的图像。实验流程图如图1。

1.2  实验步骤

（1）连接好实验装置，配置黏度为0～0.6 Pa·s的聚合物溶液模拟采出液、准备粒径为0.1～0.4 mm的石英砂。

（2）待管路中气体被排净后，向水箱中加入清水并放入示踪粒子，搅拌均匀。

（3）环空管中流动状态稳定后，打开CCD照相机与激光器并调试好装置使其拍出清晰的图像。

（4）在低频率转速下开启螺杆泵，通过调节螺杆泵的频率改变入口流量。

（5）打开下砂装置，向环空管路中均匀注入砂粒直至形成稳定的固定层。

（6）由低到高调整泵速，每个泵速对应一个流量值，流动稳定后记录下流量计数值、保存粒子图像、压差计的数值。保存好记录的向量文件及图像，使用Tecplot软件处理图像。

（7）对入口流量实验记录好以后，调节流体黏度以及井斜角进行实验，重复步骤（1）-（6）。

（8）实验完成后对每组粒子图像进行后处理，得到速度矢量图、轴向速度图、速度云图等信息。

（9）试验结束关闭PIV系统，水平环空管路等所用设备[6]。

2  实验结果及分析

2.1  入口流量对固体运移的影响

图2是通过Tecplot软件对PIV粒子图像进行后处理得到的速度云图，井筒环空比为0.5。

由图2可知，速度最大值对称分布于上下环空间隙中间部位处，入口流量增加速度增加且速度峰值段长度增加，说明随着入口流量的增加液相对固相的携带作用逐渐增强[7]。环空内流体携砂的临界流量为42 m3/d，当流量增加至42 m3/d后，流量继续增加速度增加缓慢。这是因为入口压力固定不变，随着流量的增加流体所受压力的作用不再发生明显变化。

2.2  流体黏度对固体运移的影响

配比黏度为0～0.6 Pa·s范围内聚丙烯酰胺水溶液模拟油品，分别在清水和不同黏度聚合物溶液下进行实验（图3）。

由图3可知随着黏度的增加环空内流体流动的速度减小，黏度为0 Pa·s时流动速度最大，因为无黏流体一方面液相内部分子之间的引力非常小，流体的内摩擦力非常小，流体能量损失就非常小，另一方面流体与井筒壁面的摩擦阻力非常小，所以黏度为0时环空内流体的速度最大。黏度增加流体内部及相间产生的阻碍相对运动的力以及摩擦力也增加，流体的能量损失也增加，固液两相的掺混程度相应增加，所以黏度越大液相对固相的携带作用越大。所以黏度增加有利于携砂[8]，但黏度增加对速度的影响不大，临界黏度为0.4 Pa·s，当黏度增加到0.4 Pa·s时，随着黏度的继续增加液相对固相的携带作用增加非常缓慢。

2.3  井斜角对固体运移的影响

由速度云图4可知，随着井斜角的增加，固定层厚度增加。说明井斜角增加不利于液相携砂。

井斜角达到90°时砂床厚度最厚，因为角度越大液相在垂直方向上的分量越大，从而使砂粒的沉降速度增加，砂粒下降速度增加从而使固定层厚度增加。另外，固定层重力的分量向下增加了液相与井筒壁面之间的摩阻损失，使液相的携砂阻力增加，从而使流体在环空内流动的能量损失增加，所以井斜角越大越不利于环空内流体携砂。

3  结 论

通过PIV技术与实验相结合研究不同环空入口流量、流体黏度、井斜角对砂粒运移规律的影响。结果得出：

（1）随着入口流量的增加液相对固相的携带作用增强，环空内流体携砂的临界流量为42 m3/d，当流量增加至42 m3/d后，流量继续增加速度增加缓慢。这是因为入口压力固定不变，随着流量的增加流体所受压力的作用不再发生明显变化。

（2）黏度为0 Pa·s时流动速度最大，这是因为无黏流体一方面液相内部分子之间的引力非常小，流体的内摩擦力非常小，流体能量损失非常小，另一方面流体与井筒壁面的摩擦阻力非常小，所以黏度为0 Pa·s时流动速度最大，黏度增加流体内部及相间产生的阻碍相对运动的力以及摩擦力也增加，固液两相的掺混程度相应增加，所以黏度越大液相对固相的携带作用越大。所以黏度增加有利于携砂，但黏度增加对速度的影响不大，临界黏度为0.4 Pa·s。

（3）井斜角越大液相对固相的携砂阻力越大，井斜角增加不利于环空井筒携砂。这是因为角度增加液相在垂直方向的分量增加，使砂粒的沉降速度增加，砂粒更容易在环空井筒内沉积。井斜角增加，固定层重力的分量向下同时增加了液相与井筒壁面之间的摩阻损失，使液相的携砂阻力增加，从而使流体在环空内流动的能量损失增加，所以井斜角越大越不利于环空内流体携砂。

参考文献：

[1] 孙辉，李兆敏，吴仕贵，等.疏松砂岩油藏动态出砂定量预测技术[J].油气地质与采收率，2007，14（4）：62-64.

[2] 张修亮.出砂预测技术研究[D].中国石油大学，2011.

[3] 刘振亚，刘建坤，李 旭，胡田飞，等.PIV技术在非飽和冻土模型实验中的实现与灰度相关性分析[J].岩土工程学报，2018，40（2）：313-319.

[4] 段俐，康琦.PIV技术的粒子图像处理方法[J].北京航空航天大学学报，2000，26（1）：79-82.

[5] 杨盼盼.水平井段环空内砂粒运移规律研究[D].大庆：东北石油大学，2013.

[6] 杨琦，罗永光，漆鑫，施哲.基于粒子图像测速技术的分银炉内速度场及湍流研究[J].矿冶，2017，26（6）：55-62.

[7]孙晓峰，闫铁，王克林，邵帅，栾石柱.压回法压井技术适用性研究[J].科技导报，2013，31（36）：36-40.

[8] 刘承婷， 张维薇， 刘钢， 闫作秀. 水平井环空旋流携砂流动规律实验研究[J]. 当代化工， 2017， 46 （08）： 1585-1588.