水平井段高压水射流冲砂洗井数值模拟研究

在水平井段冲砂过程中砂粒容易沉积形成砂床,致使冲砂效率降低,排量和砂粒直径是其主要影响因素.利用CFD数值模拟软件,对水平井段高压水射流冲砂洗井进行了模拟研究,得到了在不同排量条件下、相同砂粒直径的固相体积分数云图,排量和砂粒直径与环空压耗的关系.结果表明,排量增大环空压耗增大,砂床高度降低;砂粒直径增大环空压耗增大,且粒径越大环空压力波动越大,悬浮稳定性越差,越易形成砂床.研究结果可为现场的水平井段冲砂洗井提供参考依据.     

水平井涡轮振荡冲砂工具设计与仿真

目前水平井常用于高渗透疏松砂岩油气藏的开发,在开发过程中经常面临出砂问题,即当油层出砂之后,砂粒会紧跟原油流进井筒中,随后逐渐沉积在水平段的较低位置处而产生砂床。砂床的存在会影响石油的开采,堵塞出油通道,增加流动阻力,甚至会损坏井下设备,造成井下砂卡事故。针对我国目前常规水平井冲砂效率低、效果差且易发生堵塞等问题,文中设计了一种水平井涡轮振荡冲砂工具,确定了冲砂工具的总体方案,对振荡与冲砂参数进行了计算,并对冲洗头进行了冲砂效果仿真。研究表明,该工具通过振荡、旋转方式破砂,使得砂粒不易在井筒沉积形成砂床,在不影响冲砂效率的前提下冲砂工具不易卡涩,且该冲洗头喷嘴的布置方式可使冲洗效果更为显著。     

华庆油田水平井冲砂工艺技术研究

华庆油田水平井开采时间不同,水平井砂床分为松散砂床和固化胶结砂床,存在冲砂效率低、漏失量大、固化胶结砂床难处理的问题。针对不同性质砂床,在研究国内现有冲砂工艺的基础上,研制旋流过滤冲砂器,完善反循环连续冲砂工艺技术,对投产周期不足1年,水平段砂床未胶结或轻微胶结的水平井适用性较好,解决了水平井常规冲砂工艺管串易内堵的问题,冲散砂床效果明显。创新采用螺杆钻与瓜尔胶液相结合的方法,提出了水平井螺杆钻破胶冲砂工艺技术。该技术通过螺杆钻携带钻头的旋转将胶结物破碎,用黏度系数较大的瓜尔胶液将砂粒及时携带出井筒,解决了胶结砂床难处理、漏失量大的问题;水平井反循环旋流过滤连续冲砂技术和水平井螺杆钻破胶冲砂技术两项水平井冲砂新技术成功解决了华庆油田水平井冲砂的难题,具有较大的推广应用价值。     

水平井防砂管内旋转射流冲砂解堵机理与试验

随着水平井数量的增加，对水平井段防砂管进行高效的冲砂解堵日益重要。论述了一种旋转射流水平井段防砂管冲砂解堵技术。作业时用油管下入该井下装置，利用作业机带动油管上下移动，由于喷头可按照既定速度旋转，返回流体在水平段由常规的平稳轴向流动变为旋转流动，既可实现对防砂管的全方位解堵，又能避免砂粒沉积；高效喷嘴产生的射流直接对着防砂管冲击，能量集中；工作介质为清水（或注气水），不会对地层带来二次污染。现场应用了4口井，成功率100％，具有良好的经济和社会效益。     

低压地层水平井冲砂工艺创新设计

针对低压地层水平井冲砂洗井,为提高冲砂效率、效果,从液体方面主要采用低密度、低摩阻、高携砂性能冲砂洗井液;从工艺方面主要采用旋转射流连续冲砂、水射流负压冲砂方式,其中代表性的冲砂工艺技术:一是井下液流换向旋转射流反循环连续冲砂技术,在实现连续、水平段旋转射流冲砂的同时,对长水平段井筒冲砂时返排液流速低、返排效果有待提高;二是同心油管反循环负压旋转射流连续冲砂技术,能够实现连续、负压、旋转射流冲砂,但同心油管柱设计局限于浅水平井冲砂应用。在总结分析两种冲砂工艺技术原理、特点基础上,通过集成创新、取长补短,创新设计出适应长水平井段、低压地层、深水平井井况条件的井下液流换向、井底负压旋转射流冲砂工艺技术,对低压地层水平井冲砂洗井具有一定指导借鉴意义。     

水平井新型冲捞一体化工具研究与应用

针对现有冲砂工具在伴有胶结砂块的水平井进行冲砂作业中表现出的效率低、效果差、易堵塞等问题,研发了一种具有射流旋流、推铲刮削、捕捞收纳等多项功能的水平井新型冲捞一体化工具,并通过Fluent软件,对其上、下旋流孔进行了数值模拟和参数优选;一趟钻实现细小砂粒的冲洗上返和胶结砂块的捕捞收纳,有效缩短了施工周期,提高了水平段冲砂效果,同时避免了胶结砂块上返堵塞井口设备和地面管线。现场试验表明,水平井冲捞一体化工具满足设计和施工要求,应用效果显著,具有良好的推广前景。     

水平井冲砂洗井技术进展评述

近年来水平井应用规模迅速扩大,但由于其井身结构的特殊性,地层出砂问题比直井更加突出,水平井冲砂洗井效果将直接影响其产能和开采成本。阐述了水平井冲砂洗井过程中水平井段、斜井段和直井段的岩屑运移机理,介绍了现阶段应用和发展的冲砂洗井技术(常规密封连续冲砂技术、连续管清砂技术、真空清砂技术和泡沫流体冲砂技术)的原理及特点。在此基础上,论述了目前国内外水平井冲砂洗井使用的主要工具(普通油管旋流连续冲砂工具、连续管旋转射流冲砂工具及同心连续管真空清砂工具)的结构及工作原理。最后指出水平井冲砂洗井技术的发展主要集中在冲砂与压裂一体化、低压/衰竭储层冲砂和大尺寸井筒冲砂等3个方面。     

冲砂泡沫流体室内携砂规律研究

为了解冲砂泡沫流体的携砂规律,在自制的试验装置上研究了冲砂时间与砂面高度的关系以及井筒倾角和砂粒直径对携砂率和停留时间的影响。试验结果表明,砂面高度首先快速下降,然后缓慢下降直至趋于平缓;直径小于0.5 mm的砂粒在泡沫中携砂率大于90%,此时井筒倾角对携砂率和停留时间基本没有影响;直径1.0～1.5 mm的砂粒,携砂率随倾角的增大先减小后增大,停留时间随倾角的增大而缩短,倾角在45°～60°时携砂率最小。对于相同的倾角,砂粒直径越大,携砂率越低且停留时间越长。垂直井筒中砂粒以均匀悬浮方式随泡沫流体一起运移;倾斜井筒中砂粒以跳跃方式运移,且明显滑向较低一侧。     

水平井泡沫流体冲砂技术研究及应用

水平井冲砂作业时由于地层压力较低冲砂液漏失严重,泡沫流体冲砂技术可以有效减轻低压水平井的漏失问题,提高冲砂效率。通过实验和数值模拟方法研究了泡沫流体的携砂能力,得到了泡沫流体的携砂规律,并进行了现场应用。研究结果表明:当泡沫特征值为0.85时泡沫流体的黏度达到最大值1.14Pa·s,直径为0.5mm的砂粒的沉降速度为10-4～10-3m/s,几乎可以悬浮在泡沫中;在接近水平的环空管道,泡沫流体的携砂性能远大于混气水和水的携砂性能,泡沫流体更适合于水平井的冲砂洗井。现场应用实例证实了泡沫能有效防止地层漏失,顺利建立起油套循环,作业后产量有较大幅度的增加,泡沫流体冲砂洗井技术是清除低压水平井井底出砂的一项有效措施,对现场具有指导意义。     

同心管射流负压冲砂技术研究与应用

新疆油田浅层稠油水平井油砂胶结强,水平段长,导致冲砂液大量漏失,携砂液不能返出,冲起来的砂粒在水平段重新堆积。鉴于此,研究了同心管射流负压冲砂技术及配套工具,开发了同心管射流负压冲砂计算软件,形成了一套完整的浅层稠油水平井冲砂工艺。该工艺中,同心管内的冲砂液反循环造成射流与负压,从而将携砂液举升到地面,经沉降过滤后,再次作为冲砂液反复循环使用。工艺流程所需要的循环压力对地层作用小,冲砂液进入地层的量少,因此不伤害地层。同心管射流负压冲砂工艺已在现场应用114井次,最大冲砂井深1 031.43 m,最大冲砂量15 m3,单井平均漏失冲砂液4.5 m3,冲砂后大部分井产液量、产油量明显上升。     

筛管解堵工艺技术研究与应用

大港油田非注聚区细粉砂油藏采用精密复合筛管进行防砂,会遇到筛管堵塞影响油井产量的问题,常规的酸洗、冲砂作业解堵效果不明显。研发了集酸洗解堵和水射流解堵为一体的筛管解堵工艺,通过酸洗使地层堵塞物松动、脱落、溶解,通过水射流工具对筛管内壁进行有效清洗。对筛管水射流解堵工具喷嘴的自激振荡脉冲射流机理进行分析; 运用数值分析软件Fluent建立了脉冲射流解堵数值模型,采用Standard k-ε两方程湍流模型,对筛管脉冲水射流解堵过程进行了数值模拟仿真。结果显示,在泵压相同时,设计的自激振荡喷嘴较普通射流喷嘴具有更大的射流速度和冲击力。对筛管解堵施工时需要的工作液及泵注程序进行了设计。室内试验证明,所设计的水射流工具达到解堵要求。该筛管解堵技术在现场应用中取得了良好的效果。     

井下局部反循环清砂系统研究

为了解决传统的正循环或反循环冲砂工艺在漏失井和深井中清砂难度大、成本高的问题,提出利用射流泵在油井下形成局部反循环的清砂工艺,并对其进行工艺流程优化设计,通过多级沉砂而提高清砂效率。以某油田油井为研究对象,设计一套井下局部反循环和多级沉砂的清砂管柱系统,包括对其中清砂用射流泵、集砂器2个核心工具进行结构设计。选用固定式、正循环式的射流泵结构,计算得到其喷嘴出口直径为4.4 mm,喉管直径为7.7 mm。通过CFD数值模拟方法对清砂用射流泵内流场进行仿真分析,对其喉嘴距和喉管长度2个关键结构参数进行优化,并为现场清砂作业提供依据。对所设计加工的工具进行了下井应用试验,试验结果可为后续清砂工艺的持续优化提供参考。     

围压条件下脉冲射流提高清岩效果数值模拟研究

脉冲射流钻井技术具有高效清岩能力,但其提速机制还不十分清楚。通过建立围压条件下单喷嘴脉冲射流井底清岩物理模型,对脉冲射流清岩过程进行了数值模拟研究,分析了影响脉冲射流清岩效果的主要因素。结果表明,非稳态旋流是脉冲射流提高清岩效果的主要原因之一,在相同排量条件下,脉冲射流清岩效率比连续射流平均提高约1~1.6倍。脉冲射流清岩效率随着喷嘴直径和入口流速的增大而增大;围压对脉冲射流清岩过程影响较小;低频率脉冲射流的清岩总体效果较好;随着岩屑粒径增大,井底冲击区域内岩屑分布非均匀性增强,脉冲射流清岩效率降低。研究结果对指导脉冲射流提速技术的工程实践具有一定的参考价值。     

射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究

大排量高砂比水力喷砂压裂的射孔过程中,高速流动的携砂液会对喷射工具表面产生严重的冲蚀损伤。根据喷射工具本体材料35CrMo钢的喷射式冲蚀实验,得到了半经验的冲蚀计算模型。结合DPM数值模拟方法获得射孔过程中工具内部的液固两相流场分布及壁面冲蚀速率,讨论了液相参数和固相颗粒参数对流经上、下游喷嘴颗粒含量及喷嘴入口区域冲蚀损伤的影响。计算结果表明,当工具内部流动达到稳定时,下游喷嘴的颗粒含量大于上游喷嘴的颗粒含量,下游喷嘴入口区域的冲蚀损伤更为严重,颗粒含量及冲蚀损伤的差异性在使用大排量、高黏度液体和大直径、高密度颗粒时更为严重。为防止因上、下游喷嘴颗粒含量差异较大影响射孔效率的情况,建议在实际生产过程中,使用携砂性较好的高黏度压裂液和低密度小直径的颗粒,在保证作业效率和工具寿命的同时控制施工排量。     

一体式交替冲砂切割工具的设计与试验

针对渤海油田切割打捞需要下入冲砂和切割两趟管柱,施工周期长,成本高的缺点,研制了一种一体式交替冲砂切割工具,实现了一趟管柱可完成冲砂和切割连续作业,将作业时间由15 h /1 000 m下降至9. 8 h /1 000 m。文中对该技术的工作原理和结构进行了描述,并建立了冲砂水力学和切割扭矩的数学方程,用于计算两种工况下的排量、泵压、扭矩等参数,以便于指导现场作业和辅助判断井下工具的状态。试验测试结果表明,冲砂切割一体化工具性能稳定,满足连续交替冲砂、切割作业工艺需求,且成功应用于Ø139. 7 mm 套管的切割作业,各项指标性能良好,提高作业效率35%,节约成本50% 。     

进气喷嘴位置对循环流化床反应器循环量的影响

在高10.6m、内径100mm的循环流化床冷态模拟实验装置上研究了底部预提升气以及喷嘴进气量对循环流化床反应器循环量的影响,对比了3种不同喷嘴位置结构下系统循环量的变化情况以及提升管底部和喷嘴附近气固流动行为的差异,描述了预提升段内气体分布及流动结构。结果表明:预提升气和喷嘴进气是颗粒向上输送的重要推动力,随着喷嘴进气口高度的提高,预提升气对颗粒循环速率的作用效果愈加明显;对于喷嘴进气口位置最低的结构,其系统循环量、喷嘴附近颗粒浓度以及气固接触状况均优于其它结构;在提升管底部,气体多次形成逆流接触,内循环流动和局部涡流作用有效促进了颗粒沿径向混合,有利于颗粒循环量的提高。     

旋转水射流破岩钻孔机理研究

基于水射流破岩钻孔过程中影响因素和流固耦合作用的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩全过程的岩石损伤模型。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对旋转水射流破岩钻孔过程的过程进行了模拟,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。计算结果与试验一致,表明旋转射流具有较强的破岩能力,其原因是旋转射流的质点具有三维速度,破岩时以倾斜冲击为主,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏,回流的干扰较少。破岩过程首先是形成一环形破碎带,然后沿径向和轴向发展,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高、破岩比能低,因而旋转水射流能够钻出大直径的岩石孔眼。     

自进式旋转射流钻头破岩效果

利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向水平井眼的延伸能力是实施新型径向水平井技术的关键,射流钻头的性能是该关键技术要解决的首要问题。在多孔射流钻头的基础上,设计研制了自进式旋转射流钻头,分析了其工作原理,并通过试验对自进式单孔旋转射流钻头、自进式单孔直旋混合射流钻头、自进式多孔旋转射流钻头以及自进式多孔直旋混合射流钻头随时间、射流压力和喷距的破岩钻孔规律进行了研究。研究结果表明:当喷距范围为9~12 mm、射流压力为20~35 MPa时,在相同的射流压力和喷距条件下,自进式多孔直旋混合射流钻头的破岩效果优于自进式多孔旋转射流钻头,其中1+4孔的多孔直旋混合射流钻头的破岩效果最好。设计得到的新型射流钻头可以提高径向水平井的钻进速度。     

叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究

为提高PDC钻头钻进水平段时的井底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究。利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力。数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°~140°、直柱段无因次长度为0.6~0.8、收缩角为60°~70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强。根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7~11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大。研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率。