氣井水力旋轉(zhuǎn)射流清砂技術(shù)及其應用

摘 要

摘要：在不同階段、不同井況的井筒清潔施工作業(yè)中，雖然現(xiàn)有的常規(guī)水力沖砂、機械撈砂、化學解堵3大類井筒清潔技術(shù)取得了較好的應用效果，但由于各項工藝技術(shù)和工具自身的局限性，
摘要：在不同階段、不同井況的井筒清潔施工作業(yè)中，雖然現(xiàn)有的常規(guī)水力沖砂、機械撈砂、化學解堵3大類井筒清潔技術(shù)取得了較好的應用效果，但由于各項工藝技術(shù)和工具自身的局限性，不能完全滿足目前低壓氣井清砂作業(yè)的需要。為此，研制了帶整體式旋轉(zhuǎn)噴頭和具有濾水、防掛卡功能的大直徑沉砂筒的水力旋轉(zhuǎn)射流清砂工具，形成了低壓氣井水力旋轉(zhuǎn)射流清砂工藝技術(shù)。現(xiàn)場應用結(jié)果表明：在井下建立了局部循環(huán)，漏失量小，對產(chǎn)層回壓??；作業(yè)管柱不受限制；沉砂筒長度可根據(jù)需要任意組合，一次撈獲量大；能徹底清潔井筒和近井地帶產(chǎn)層裂縫，從根本上解決了井下沉積物的堵塞問題。
關(guān)鍵詞：低壓氣井；井筒；清潔；水力旋轉(zhuǎn)射流技術(shù)；現(xiàn)場；應用
1 現(xiàn)有井筒清潔技術(shù)的適應性
常規(guī)水力沖砂技術(shù)一般可分為清水沖砂、低密度泡沫沖砂、暫堵沖砂等，其優(yōu)點是一次沖砂量大，工藝簡單，但對套管壁的清潔作用有限，同時在低壓氣井中沖砂時漏失量大甚至井漏失返，因此主要應用于壓力系數(shù)近于或大于1的氣井沖砂作業(yè)。
機械撈砂技術(shù)中的繩索式、吸入式撈砂工具沒有旋轉(zhuǎn)動力，對井下板結(jié)沉砂撈取效果很差，一次撈獲量小，而可旋轉(zhuǎn)式撈砂工具由于受現(xiàn)場條件限制，多數(shù)時候不具備實施旋轉(zhuǎn)鉆進的條件，不能對套管壁產(chǎn)生很好的清潔作用，因此主要應用于沉砂量較小的低壓氣井清砂作業(yè)。
化學解堵可不動管柱、不停產(chǎn)進行油管內(nèi)解堵作業(yè)，但不能對井筒內(nèi)的沉砂及板結(jié)沉積物沒有機械清除功能，不能從根本上解決井下沉積物的堵塞問題，有時甚至會將沉積物擠入產(chǎn)層堵塞裂縫，因此主要應用于因緩蝕劑、起泡劑等附著在油管內(nèi)壁形成堵塞的生產(chǎn)氣井。
2 水力旋轉(zhuǎn)射流清砂工具研制
水力旋轉(zhuǎn)射流清砂工具由旋轉(zhuǎn)射流清砂噴頭及沉砂筒組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作原理：地面泵車間斷注入修井液，通過工作管柱傳輸?shù)骄碌乃πD(zhuǎn)射流沖砂頭并驅(qū)動其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噴射，高壓液流束破碎、沖散井壁、井下沉積物并使其隨液流上返至一定高度，停止供液后沉積物沉淀在沉砂筒內(nèi)起鉆撈出。

2.1 旋轉(zhuǎn)射流清砂噴頭
    旋轉(zhuǎn)射流清砂噴頭是將一組噴嘴偏置于旋轉(zhuǎn)軸上，水射流反沖力因偏心而形成驅(qū)動噴頭旋轉(zhuǎn)的扭矩，從而推動噴頭自行旋轉(zhuǎn)。因此噴嘴性能的好壞直接影響到清砂能力，噴嘴的數(shù)量、直徑、安裝角度及工況直接影響到旋轉(zhuǎn)動力。目前，高壓水射流在油氣鉆采工程中已經(jīng)得到一定程度的應用，但是還存在一些關(guān)鍵的技術(shù)難題，高壓射流噴嘴的結(jié)構(gòu)設計就是其中的重要問題之一[1]。噴嘴是高壓水射流技術(shù)中獲得高能量利用率的關(guān)鍵因素之一，其結(jié)構(gòu)的合理與否直接影響高壓水射流能量利用率及沖蝕效果的好壞。
2.1.1噴嘴直徑、數(shù)量的確定
    噴嘴孔徑的大小直接影響到水射流的壓力、出口速度和噴嘴的流量。在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點間應用伯努利方程，忽略兩點之間的高度差，可得出關(guān)系式：
 
式中p1、p2分別為噴嘴內(nèi)外靜壓力，MPa；ρ1、ρ2分別為噴嘴出口截面內(nèi)外流體密度，kg/m3；u1、u2分別為噴嘴內(nèi)外平均流速，m/s。
    由連續(xù)性方程可得
    ρ1u1A1=ρ2u2A2    (2)
式中A1、A2分別為噴嘴出口內(nèi)外截面積，m2。
假設ρ1=ρ2，由于噴嘴外直徑(d2)遠遠大于噴嘴內(nèi)直徑(d1)，聯(lián)立式(1)、(2)得噴嘴出口流速為：
 
式中△p為噴嘴內(nèi)外靜壓差，MPa。
由式(3)得到出口流量為：
 
得到噴嘴當量直徑為：
 
噴嘴直徑為：
 
式中Q為流量，m3/s；μ為流量系數(shù)，取值0.90～0.92；dd為噴嘴當量直徑，m；d為噴嘴直徑，m；n為噴嘴數(shù)量。
    根據(jù)設定的現(xiàn)場條件，將Q、△p帶入式(5)、(6)中，得出噴嘴數(shù)量與直徑的關(guān)系如表1所示。
 

    若噴嘴直徑過大，打擊力過于集中，清洗效率不高，而噴嘴數(shù)量過多，射流間容易造成干涉，旋轉(zhuǎn)噴頭加工難度大，因此選取取4個直徑為4.5mm的噴嘴，使打擊力均勻分布，射流相互間不會產(chǎn)生干涉。
2.1.2噴嘴形狀的選擇
    在水射流應用系統(tǒng)中噴嘴直徑一般很小，而液體注入管路直徑比較大，如果把噴嘴與高壓管路直接連接起來，會使出口前阻力損失加大，從而降低了噴嘴出口處的壓力[2]，同時還會出現(xiàn)短管出流中在短管內(nèi)部的漩渦低壓區(qū)[3]。顯然，最佳的噴嘴形狀應盡量與噴嘴出口處的流線保持一致，使流束連續(xù)均勻收縮而不在噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生漩渦分離區(qū)，達到最大的速度系數(shù)和流量系數(shù)[4]。噴嘴按內(nèi)孔截面的形狀可分為圓錐形噴嘴、圓錐收斂型噴嘴和流線型噴嘴，根據(jù)加工容易、流量系數(shù)盡可能大的原則選擇了圓錐收斂型噴嘴。
2.1.3數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗
    運用Fluent對9組選定的圓錐收斂型噴嘴進行數(shù)值模擬實驗，得出噴嘴性能隨內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化趨勢，然后在性能較優(yōu)的噴嘴附近再選擇16組噴嘴進行數(shù)值模擬。模型計算區(qū)域選取見圖2。網(wǎng)格劃分：由于模鴦計算區(qū)域不大，為了加快網(wǎng)格劃分速度，采用一次性劃分網(wǎng)格，全部采用四邊形網(wǎng)格，共劃分48225個網(wǎng)格。
 

    數(shù)值模擬結(jié)果顯示性能較好的噴嘴為L2θ2～L4θ4的9組噴嘴(表2)。

    選取數(shù)值模擬得出的最優(yōu)的9組噴嘴參數(shù)加工成不銹鋼噴嘴，運用3DPIV對噴嘴出口流場進行測試，測試結(jié)果表明L3θ3噴嘴出口流場速度最大，速度場分布較為理想，噴嘴黏性應力和雷諾應力分布均較好。
    用抗震壓力表和數(shù)顯式高壓流量計測試9組不鋸鋼噴嘴在5、10、15MPa測試壓力下的流量，得出其流量系數(shù)，測試結(jié)果表明L3θ3噴嘴流量系數(shù)最高。
    9組噴嘴在轉(zhuǎn)速200r/min的條件下，對水泥試件進行旋轉(zhuǎn)沖蝕實驗，測試不同噴嘴旋轉(zhuǎn)沖蝕深度與時間的關(guān)系，其結(jié)果表明L3θ3噴嘴沖蝕能力最強。
    在泵壓20MPa、沖蝕時間5min、純水射流且試件周圍充滿陶粒的情況下進行的套管沖蝕試驗，表明旋轉(zhuǎn)射流對套管能起到很好的清潔作用，不會引起套管壁厚減薄更不會射穿套管。
2.1.4整體式旋轉(zhuǎn)射流噴頭
    旋轉(zhuǎn)噴頭初期設計為分體式，但因轉(zhuǎn)速無法控制，過高的轉(zhuǎn)速容易導致射流嚴重霧化，喪失了應有的沖擊力，同時影響旋轉(zhuǎn)密封的壽命，產(chǎn)生心軸卡死現(xiàn)象，并且產(chǎn)生嘯聲，引起噴頭、管柱的劇烈振動。因此研制了整體式旋轉(zhuǎn)噴頭：①采用隨泵壓增高阻力增大的阻尼機構(gòu)自動控制轉(zhuǎn)速；②射流打擊力分布均勻且相互間不干擾，清潔效果好；③選用耐磨損的進口軸承并采用高壓水間隙密封機構(gòu)，密封可靠，使用壽命長。
按照轉(zhuǎn)速可控制、較低泵壓下能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、清潔效果好、使用壽命長的原則，通過計算旋轉(zhuǎn)阻力矩、射流反沖力和射流反沖力矩，確定了噴嘴的安裝方式及安裝角度(圖3)。

2.2 沉砂筒
    綜合考慮工作環(huán)境、總體性能要求、加工難度等因素，研制了具有抗H。s腐蝕、濾水、防掛卡功能的大直徑沉砂筒。根據(jù)沉砂高度、地層壓力、沉砂空間和裝配、下入要求，中心管單級長度控制在5～5.5m，沉砂筒長度設計為2.5、4.5m兩種長度，沉砂筒總長度控制在60～100m，采用多級組合，便于除砂清洗。
3 應用效果
水力旋轉(zhuǎn)射流清砂技術(shù)在井漏失返不能建立全井循環(huán)、其他清砂技術(shù)無法實施的2口井進行了3井次的現(xiàn)場應用，成功恢復2口井產(chǎn)能，取得了很好的應用效果(表3)。
 

4 結(jié)論及建議
1) 水力旋轉(zhuǎn)射流清砂技術(shù)在井下建立局部循環(huán)，漏失量小，對產(chǎn)層回壓小，適用于低壓氣井井筒清潔作業(yè)。
2) 作業(yè)管柱不受限制，油管、鉆桿均可。
3) 沉砂筒長度可根據(jù)需要任意組合，一次撈獲量大。
4) 高壓旋轉(zhuǎn)射流能徹底清潔井筒和近井地帶產(chǎn)層裂縫，可從根本上解決井下沉積物的堵塞問題。
5) 該工藝技術(shù)是一種行之有效的低壓氣井井筒清潔技術(shù)，可在類似井的修井作業(yè)中進行推廣應用。
參考文獻
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[3] DENTHAL HANS JURGEN，PFEIFER HERBER，LEMANOWICA LNA，et al.Simulaiton of the submerged energy nozzle-mold water model system using laser-optical and Materials Transactions B，2002,33(2)：163-172.
[4] 趙艷萍，盧義玉，葛兆龍，等.應用于油氣鉆采的磨料水射噴嘴的優(yōu)化設計與實驗研究[J].流體機械，2010，38 (10)：1-6.
 
(本文作者：譚宏兵1 李長忠2 鄭莉1 林盛旺2 劉松3 向祿勛3 1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)部；3.川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司)