水平井連續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的有效手段在世界范圍內得到迅速而廣泛地推廣。水平井鉆井技術在我國經過幾十年的發展已逐漸成熟，然而水平井試修井技術還相當薄弱，多局限于現場的實
摘要：水平井作為油氣藏開發的有效手段在世界范圍內得到迅速而廣泛地推廣。水平井鉆井技術在我國經過幾十年的發展已逐漸成熟，然而水平井試修井技術還相當薄弱，多局限于現場的實踐經驗。為解決目前國內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，以川渝氣區磨溪氣田水平井井筒為模擬對象，結合連續油管在川渝氣區水平井的運用現狀，研制出水平井井筒連續油管沉砂攜帶與孔眼分流室內模擬實驗裝置。經測試，該裝置能模擬Ø38.1mm連續油管在Ø139mm套管的水平井井筒內替液、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的綜合效益，因而已成為油氣田開發的一種有效手段。自1928年世界第一口水平井鉆成后，水平井在世界范圍內迅速發展，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、基質酸化工藝與直井有很大的差別。主要體現為：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介質的存在形式和流動運移規律；②水平井射孔孔眼數目多、射孔方位多變、孔眼分布差異大，注液工藝、作業方式多樣化加大了水平井沖砂洗井和基質酸化的作業難度，同時還制約著工藝措施的制定和施工后的效果，如何經濟高效地開展這些作業面臨著巨大的挑戰。
    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、技術細節闡述不夠透徹，與連續油管技術和川渝氣區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油管在水平井中的作業能力和技術水平，我們以川渝氣區磨溪氣田水平井井筒為研究對象，結合連續油管在川渝氣區水平井的運用現狀，設計研制出該水平井井筒連續油管沉砂攜帶與孔眼分流室內模擬實驗裝置，以開展水平井井筒內替液、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能模擬川渝氣區主要水平井的井眼特征；②能模擬工作液在連續油管入井后的流動狀態，并具有可視化功能，便于觀察和拍攝；③能開展連續油管作業時，工作液的孔眼分流模擬實驗；④能開展運用連續油管進行替液、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，井筒內應具有與現場實際一致的射孔參數，包括射孔相位、孔眼密度和孔徑等參數；井筒內能預置入實驗用的砂粒、膨潤土、鐵屑等井內雜質，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；同時該裝置專為連續油管設計，應能模擬注液過程中連續油管上提和下放功能；圍繞實驗展開的數據采集和現象觀測記錄系統也是必要的。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取得了突出進展，國內第一口連續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液體流動的動力相似性。
    1) 主要模擬參數：套管外徑為139.7mm，內徑為124mm；水平段長為600m；連續油管外徑為38.1mm，壁厚為2.77mm；水平段射孔參數：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，將液體在管內的剪切速率作為主要衡量參數，模擬裝置圓管的內外徑和供液系統的流量。同時進行液體在管內的雷諾數判斷液體的流態對比。
液體在管內的剪切速率：
 
式中：Q為排量，L/min；d為模擬裝置圓管的內徑，cm；t為時間，s。
液體在管內的雷諾數：
 
式中：ρ為液體密度，kg/m3；μ為黏度，mPa·s。
    選擇的結果：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外管內直徑為80mm，內管內直徑為18mm，內管外直徑為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穩定的邊界影響、液體混合距離、砂粒流動運移距離。選擇結果：孔眼內徑為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、固定系統、數據采集系統和安全環保系統構成。由泵送系統將不同液體通過井口的內管和內外管環空注液，井口的卷筒可實現內管的上提，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
    實驗井筒由內管和外管構成，內管模擬連續油管，外管模擬套管。內管為透明塑料管。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密封，井口部分由Y型密封圈實現半封，內管能在其中上下活動，并在內管和外管間留有通道實現液體循環和環空注液。
2.2 泵送系統
    泵送系統主要由驅替泵和供液桶組成。泵為不耐酸的驅替泵，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的不銹鋼圓桶串聯構成。
2.3 固定系統
    固定系統主要由井筒固定系統、人梯和卷筒構成。通過井筒固定系統將實驗井筒和殘液排出管固定，卷筒上纏繞實驗內管，實驗人員在人梯上操作內管進行工作。
2.4 采集觀察系統
    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，Ø38.1mm連續油管在0.23m3/min排量下的小曲率半徑水平井的實驗。
4 測試結果
4.1 連續油管攜砂能力實驗
    1) 實驗步驟：①將2kg沙粒置入井筒內；②連續油管放于井筒底部；③井筒灌滿清水，試壓0.7MPa觀察井筒是否泄漏；打開環空閘門，井口閘門；④安全壓力下觀察油管內注液，砂粒的運動；⑤邊注液，邊拖動連續油管，觀察砂粒的運動。
2) 實驗結果見表1。
表1  連續油管攜砂能力數據表
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) 實驗結果見表2。
表2 孔眼分流實驗數據表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) 該裝置經過初步測試實驗，能模擬Ø38.1mm連續油管在Ø139mm套管的水平井井筒內替液、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) 通過調整泵注排量和內管管徑的組合能實現對井筒沉砂攜帶與孔眼分流室內等模擬研究工作。
   4) 該裝置在測試過程中暴露出的內管擾動大、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公司)