水平井連續(xù)油管沖砂與分流實驗裝置的研制

摘 要

摘要：水平井作為油氣藏開發(fā)的有效手段在世界范圍內(nèi)得到迅速而廣泛地推廣。水平井鉆井技術在我國經(jīng)過幾十年的發(fā)展已逐漸成熟，然而水平井試修井技術還相當薄弱，多局限于現(xiàn)場的實
摘要：水平井作為油氣藏開發(fā)的有效手段在世界范圍內(nèi)得到迅速而廣泛地推廣。水平井鉆井技術在我國經(jīng)過幾十年的發(fā)展已逐漸成熟，然而水平井試修井技術還相當薄弱，多局限于現(xiàn)場的實踐經(jīng)驗。為解決目前國內(nèi)水平井試修研究中實驗裝置欠缺、研究基礎薄弱的狀況，以相似性原理為依據(jù)，以川渝氣區(qū)磨溪氣田水平井井筒為模擬對象，結(jié)合連續(xù)油管在川渝氣區(qū)水平井的運用現(xiàn)狀，研制出水平井井筒連續(xù)油管沉砂攜帶與孔眼分流室內(nèi)模擬實驗裝置。經(jīng)測試，該裝置能模擬Ø38.1mm連續(xù)油管在Ø139mm套管的水平井井筒內(nèi)替液、沖砂、攜砂以及液體在水平井段孔眼中的分流、排液等方面的研究工作。
關鍵詞：水平井；連續(xù)油管；模擬；實驗裝置；研制；磨溪氣田
0 引言
    水平井由于可以顯著地提高油氣藏勘探開發(fā)的綜合效益，因而已成為油氣田開發(fā)的一種有效手段。自1928年世界第一口水平井鉆成后，水平井在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，每年以600～1000口水平井的速度增加。我國于1965年在四川盆地鉆成了第一口水平井，爾后在塔里木、勝利、大慶、四川等各大油氣田開始了水平井技術的應用。
    水平井沖砂洗井工藝、基質(zhì)酸化工藝與直井有很大的差別。主要體現(xiàn)為：①水平井復雜的井眼軌跡，水平井存在直井段、造斜井段、水平段井筒，重力作用、水平井井筒長度、井斜等都會影響水平井井筒內(nèi)介質(zhì)的存在形式和流動運移規(guī)律；②水平井射孔孔眼數(shù)目多、射孔方位多變、孔眼分布差異大，注液工藝、作業(yè)方式多樣化加大了水平井沖砂洗井和基質(zhì)酸化的作業(yè)難度，同時還制約著工藝措施的制定和施工后的效果，如何經(jīng)濟高效地開展這些作業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
    國外開展水平井試修技術的研究已有相當長的歷史，但在水平井井筒沖砂洗井技術方面相關的技術文獻較少；在基質(zhì)酸化技術方面著重研究了液體置放技術，普遍存在考慮的因素少、技術細節(jié)闡述不夠透徹，與連續(xù)油管技術和川渝氣區(qū)水平井狀況應用銜接不夠緊密等問題。為了進一步提高連續(xù)油管在水平井中的作業(yè)能力和技術水平，我們以川渝氣區(qū)磨溪氣田水平井井筒為研究對象，結(jié)合連續(xù)油管在川渝氣區(qū)水平井的運用現(xiàn)狀，設計研制出該水平井井筒連續(xù)油管沉砂攜帶與孔眼分流室內(nèi)模擬實驗裝置，以開展水平井井筒內(nèi)替液、沖砂、攜砂以及液體在水平井段孔眼中的分流、排液等方面的基礎性研究工作。
1 模擬實驗裝置的研制
1.1 實驗裝置的設計
1.1.1實驗裝置功能設計
    為了能進行連續(xù)油管在水平井井筒中對替液、沖砂、孔眼分流等模擬研究，預期研制成的模擬裝置能達到以下主要功能：①能模擬川渝氣區(qū)主要水平井的井眼特征；②能模擬工作液在連續(xù)油管入井后的流動狀態(tài)，并具有可視化功能，便于觀察和拍攝；③能開展連續(xù)油管作業(yè)時，工作液的孔眼分流模擬實驗；④能開展運用連續(xù)油管進行替液、沖砂、攜砂等模擬實驗研究[1～3]。
1.1.2總體設計思路
    該裝置設計以可視井筒為核心，井筒內(nèi)應具有與現(xiàn)場實際一致的射孔參數(shù)，包括射孔相位、孔眼密度和孔徑等參數(shù)；井筒內(nèi)能預置入實驗用的砂粒、膨潤土、鐵屑等井內(nèi)雜質(zhì)，并具有井口裝置的簡單功能；裝置還應具備為模擬井筒提供清水、鹽水、一定黏度液體的泵送系統(tǒng)；同時該裝置專為連續(xù)油管設計，應能模擬注液過程中連續(xù)油管上提和下放功能；圍繞實驗展開的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)象觀測記錄系統(tǒng)也是必要的。另外為了整個實驗能安全進行，該裝置還應具有安全控制和殘液排出兩個輔助部分。
1.2 相似原理的應用
    近幾年來磨溪氣田水平井開發(fā)取得了突出進展，國內(nèi)第一口連續(xù)油管拖動酸化正是在磨溪氣田進行的，該氣田的水平井在川渝氣區(qū)具備一定的代表性。因此，此次以磨溪氣田水平井井筒為模擬對象。以相似原理的應用主要考慮其幾何相似性和管內(nèi)液體流動的動力相似性。
    1) 主要模擬參數(shù)：套管外徑為139.7mm，內(nèi)徑為124mm；水平段長為600m；連續(xù)油管外徑為38.1mm，壁厚為2.77mm；水平段射孔參數(shù)：方向水平、向下30°和向上30°；孔密A點、尾端附近井段采用4孔/m，中部井段采用16孔/m；連續(xù)油管拖動酸化時液體最大排量為0.4m3/min。
    2) 動力相似性的應用。動力相似性是進行模擬實驗設計的基礎，在該實驗裝置的設計中由于涉及圓管內(nèi)外液體、液體與固相顆粒之間的相互作用。因此，將液體在管內(nèi)的剪切速率作為主要衡量參數(shù)，模擬裝置圓管的內(nèi)外徑和供液系統(tǒng)的流量。同時進行液體在管內(nèi)的雷諾數(shù)判斷液體的流態(tài)對比。
液體在管內(nèi)的剪切速率：
 
式中：Q為排量，L/min；d為模擬裝置圓管的內(nèi)徑，cm；t為時間，s。
液體在管內(nèi)的雷諾數(shù)：
 
式中：ρ為液體密度，kg/m3；μ為黏度，mPa·s。
    選擇的結(jié)果：①泵的最大供液壓力略大于圓管的承壓能力，最大排量大于40L/min；②外管內(nèi)直徑為80mm，內(nèi)管內(nèi)直徑為18mm，內(nèi)管外直徑為20mm。
    3) 幾何相似性應用。幾何相似性主要用于設計孔眼的分布和水平段長度，孔眼大小的確定為真實孔眼的泄流面積與井筒內(nèi)面積的比，孔密和射孔相位為實際的射孔相位及孔密；水平段長度為實驗流速下出現(xiàn)穩(wěn)定的邊界影響、液體混合距離、砂粒流動運移距離。選擇結(jié)果：孔眼內(nèi)徑為8mm，孔眼間距為1孔/10cm，射孔方位3個方向；水平管段長為4m。
2 實驗裝置的流程和構成單元
    通過上述設計思路和計算形成的模擬裝置(圖1)由實驗井筒、泵送系統(tǒng)、固定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和安全環(huán)保系統(tǒng)構成。由泵送系統(tǒng)將不同液體通過井口的內(nèi)管和內(nèi)外管環(huán)空注液，井口的卷筒可實現(xiàn)內(nèi)管的上提，設計不同的實驗方案能達到替液、沖砂、孔眼分流等的模擬研究的目的。
   
2.1 實驗井筒
    實驗井筒由內(nèi)管和外管構成，內(nèi)管模擬連續(xù)油管，外管模擬套管。內(nèi)管為透明塑料管。外管為單根有機玻璃管構成，外管后端1m的范圍內(nèi)按設計方式鉆孔，其余外管不鉆孔，單根有機玻璃管由螺紋連接加密封環(huán)密封，井口部分由Y型密封圈實現(xiàn)半封，內(nèi)管能在其中上下活動，并在內(nèi)管和外管間留有通道實現(xiàn)液體循環(huán)和環(huán)空注液。
2.2 泵送系統(tǒng)
    泵送系統(tǒng)主要由驅(qū)替泵和供液桶組成。泵為不耐酸的驅(qū)替泵，最大輸出排量為2500L/h，最大輸出壓力為1MPa；供液桶為2個容量為600L的不銹鋼圓桶串聯(lián)構成。
2.3 固定系統(tǒng)
    固定系統(tǒng)主要由井筒固定系統(tǒng)、人梯和卷筒構成。通過井筒固定系統(tǒng)將實驗井筒和殘液排出管固定，卷筒上纏繞實驗內(nèi)管，實驗人員在人梯上操作內(nèi)管進行工作。
2.4 采集觀察系統(tǒng)
    由3個壓力傳感器記錄井筒井口處、各孔眼的壓力變化情況，天平記錄通過孔眼的流量變化，攝像頭可記錄實驗的全過程。
3 實驗裝置的性能指標
    整個實驗裝置設計承壓能力為0.8MPa，最大液體排量為41L/min，實驗介質(zhì)可采用清水、礦化水、有一定黏度的非酸性液體，實驗溫度為常溫；壓力傳感器量程為0～1.5MPa，精度為0.25%FS。能模擬的最大剪切速率為2 328s-1，模擬Ø139mm套管內(nèi)，Ø38.1mm連續(xù)油管在0.23m3/min排量下的小曲率半徑水平井的實驗。
4 測試結(jié)果
4.1 連續(xù)油管攜砂能力實驗
    1) 實驗步驟：①將2kg沙粒置入井筒內(nèi)；②連續(xù)油管放于井筒底部；③井筒灌滿清水，試壓0.7MPa觀察井筒是否泄漏；打開環(huán)空閘門，井口閘門；④安全壓力下觀察油管內(nèi)注液，砂粒的運動；⑤邊注液，邊拖動連續(xù)油管，觀察砂粒的運動。
2) 實驗結(jié)果見表1。
表1  連續(xù)油管攜砂能力數(shù)據(jù)表
流量(L/min)
壓力1(MPa)
壓力2(MPa)
壓力3(MPa)
軟管在砂子前位置(cm)
砂粒移動(cm)
管子拖動距離(cm)
30.03
0.119
0.083
0.118
20
54
55
32.76
0.123
0.077
0.117
20
56
40
35.49
0.148
0.116
0.183
20
13
23
38.22
0.177
0.169
0.079
20
28
15
4.2 孔眼分流實驗
    1) 實驗步驟：①連續(xù)管放于井筒中孔眼附近的任意位置；②井筒灌滿清水，試壓觀察；③打開兩個孔眼，井口閘門；④在安全壓力下及時開泵實驗；⑤記錄時間、壓力、流量的關系；⑥實驗過程同前，只是在注液過程中加入軟管拖動動作。
2) 實驗結(jié)果見表2。
表2 孔眼分流實驗數(shù)據(jù)表1)
流量(L/min)
壓力1(MPa)
壓力2(MPa)
壓力3(MPa)
時間(s)
孔眼位置
孔眼距離(cm)
分流體積①(mL)
分流體積②(mL)
井口液體(mL)
8.19
0.010
0.035
0.027
30
1、11
100
520
530
3000
8.19
0.012
0.031
0.026
30
1、11
100
530
550
3000
10.92
0.015
0.043
0.031
30
1、11
100
720
760
4400
10.92
0.014
0.041
0.034
30
1、11
100
710
740
4400
5 結(jié)論與建議
    1) 該裝置以磨溪氣田水平井為模擬對象，可以推廣到類似水平井的模擬實驗。
    2) 該裝置經(jīng)過初步測試實驗，能模擬Ø38.1mm連續(xù)油管在Ø139mm套管的水平井井筒內(nèi)替液、沖砂、攜砂以及液體在水平井段孔眼中的分流、排液等方面的研究工作。
   3) 通過調(diào)整泵注排量和內(nèi)管管徑的組合能實現(xiàn)對井筒沉砂攜帶與孔眼分流室內(nèi)等模擬研究工作。
   4) 該裝置在測試過程中暴露出的內(nèi)管擾動大、拖動費力等問題在研究和實驗過程中需進一步改進和完善。
參考文獻
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[3] 楊旭，陳舉芬，羅邦林.水平井完井及酸化工藝技術在四川磨溪氣田的實踐與應用[J].鉆采工藝，2004(4)：43-45.
 
(本文作者：謝賓 陸燈云 張劍 劉靜 川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)