水平井新型冲捞一体化工具研究与应用

张雄涛，王治国，王尚卫，刘江波，梁万银

(1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安 710021；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)



水平井新型冲捞一体化工具研究与应用

张雄涛1，2，王治国1，2，王尚卫1，2，刘江波1，2，梁万银1，2

(1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安 710021；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)

摘要：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。

关键词：水平井；冲砂；冲捞一体工具；数值模拟

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长庆油田属典型“三低”油藏，借助钻完井技术的快速发展，“水平井+体积压裂”开发方式逐渐成为有效动用超低渗透以及致密油藏的主体技术。随着水平井井数和储层改造规模的不断增大，水平井出砂问题日益突显，直接套用直井冲砂工艺存在地层漏失大、冲砂不彻底等问题，为此，长庆油田从工艺、工具、液体等多方面开展研究，探索出“连续+旋流+低浓度胍胶”水平井冲砂技术体系，较大程度地提高了冲砂效率、改善了冲砂效果[1-6]。

然而，部分区块因流体不配伍，井筒内形成较大胶结砂块，给长庆油田水平井冲砂带来了新的挑战。一是部分胶结砂块尺寸较大(最大单向尺寸可达40mm)，在低压高漏失情况下难以通过造斜段、直井段上返至地面，起钻时易重新回落至水平段，影响井筒通过性；二是部分尺寸较小胶结砂块在上返过程中，易堵塞井下换向短节、井口装置、地面管线等，且难以在短时间内准确判断堵塞位置，为现场施工带来不便[7-9]。

为此，长庆油田分公司油气工艺研究院自主研发了水平井新型冲捞一体化工具，为井筒内形成有胶结砂块或落有小块胶皮的水平井冲砂提供技术支持。

1技术分析

1.1技术要求

在出砂并伴有胶结砂块的水平井中，一趟钻实现旋流冲砂及小件落物打捞，同时保证落物不会上返堵塞井口及地面管线。

1.2工具结构

水平井新型冲捞一体化工具结构如图1所示，主要由斜尖部分、捞筒部分、旋流槽部分、中心管部分组成。

1.3工作原理

将水平井新型冲捞一体化工具与作业油管连接，下入至所探砂面位置，启动泵车进行反循环(环空注入)冲砂洗井，冲砂液经油套环空流过该工具时，在旋流槽的作用下形成高速旋转扰流，可有效旋起沉砂及小件落物，混合物随冲砂液经双瓣单流阀进入捞筒内部，流至任一中心管水眼或中心管上返水眼时，细小砂粒通过水眼随冲砂液继续上返，胶结砂块及小件落物则被挡在捞筒内部，避免了其中低密度落物上返堵塞井口装置和地面管线，同时在冲砂结束起出管柱过程中，中心管倒刺和双瓣单流阀可有效防止胶结砂块和小件落物重新回落到井筒，保证井筒的畅通性。

若胶结砂较硬，采用反循环冲砂难以有效破砂，可倒换流程为正循环(油管注入)冲砂，此时，双瓣单流阀在液力作用下关闭，冲砂液只能经上、下旋流孔喷射而出，形成强有力的高速旋转流束，可有效破除胶结砂块、冲刷井筒内壁，改善冲砂效果。

1.4技术特点

1)工具前端保留了斜尖设计，对水平段砂床具有较强的机械推铲作用。

2)工具本体采用旋流槽设计，在较大外径(最大刚体外径优选ø114mm)条件下，可以更加有效地形成并发挥冲砂液旋流作用。

3)工具内腔前端采用双瓣单流阀设计，在保证较大上返通道的前提下，可以有效防止胶结砂块等小件落物回落井筒，同时在正循环冲砂时起到密封阻隔作用。

4)工具内腔捞筒中部采用中心管设计，其中中心管水眼保证了较大的过流面积，防止胶结砂块或落井胶皮堵塞上返水眼，螺旋分布的中心管倒刺可进一步确保进入捞筒的小件落物不回落井筒，同时均匀分布在捞筒内，而不是在捞筒两端集中堆积，有助于保持液流通道流畅性。

2旋流孔数值模拟分析

2.1参数初选

在工具研发过程中，上、下旋流孔的参数设计关系到工具在正循环状态下射流旋流效果的好坏，且难以凭借经验进行设计，主要待定参数包括旋流孔孔径及分布；旋流孔轴线与工具轴向夹角α；旋流孔轴线与工具径向夹角β。如图2所示。

2.2数值模拟

应用流体模拟软件Fluent对旋流孔附近流态进行数值模拟[10]，湍流模型选择圆柱射流精度较高、对旋转流动有很好预测能力的Realizablek-ε模型，基于该模型划分的流体域网格如图3所示。

图3　旋流孔处流体域模型

以流体在工具端部的速度和分布为判断射流旋

流效果的依据，结合工具设计尺寸，选取旋流孔下游200mm处截面流线图进行对比分析。

2.2.1旋流孔孔径及分布对射流旋流效果影响

分别对11.5mm×6个和9mm×8个2种旋流孔均布组合进行模拟分析，如图4所示。从流线图可以看出，9mm×8个均布组合形成的湍流更为剧烈，在圆周方向上形成的漩涡也较多，此种分布方式射流旋流效果较优。

b　9 mm×8个

2.2.2旋流孔轴向角度α对射流旋流效果影响

保持径向夹角β不变，改变轴向角α进行模拟分析，如图5所示。从图5可以看出，当α=30°时，速度变化幅度大，湍流更为剧烈，此时轴向角射流旋流效果较优。

图5　不同旋流孔轴向夹角下游200 mm处截面流线

2.2.3旋流孔径向角度β对射流旋流效果影响

保持径向夹角α不变，改变轴向角β进行模拟分析，如图6所示。从图6可以看出，当β=20°时，速度变化幅度大，湍流更为剧烈，此时轴向角射流旋流效果较优。

2.3优化结果

根据以上模拟分析，最终确定旋流孔孔径及分布为9mm×8个均匀分布，旋流孔轴向夹角为30°，旋流孔径向夹角为20°。

图6　不同旋流孔径向夹角下游200 mm处截面流线

3现场试验及效果分析

2015年在环江、合水油田进行现场试验，井下管柱结构为水平井新型冲捞一体化工具+73mmJ55油管+连续冲砂装置至井口，施工排量500～700L/min。与前期斜尖冲砂相比，平均单井施工周期缩短2.2d、进尺速度提高17m/h、冲砂液用量减少30 %，每口井可节约清水费、拉运费、等停费、污水处理费共计￥2.3万元；措施后平均单井日恢复油量0.85t，取得了较好的实施效果。

4结论

1)通过大直径旋流槽、带倒刺中心管、双瓣单流阀、上下旋流孔等结构的创新，研发了一种水平井新型冲捞一体化工具，在小排量上返条件下，一趟钻实现伴有胶结砂块和小件落物的井筒高效冲砂和打捞。

2)利用Fluent软件对该工具旋流孔进行数值模拟分析，确定了最优结构尺寸，提高了工具射流旋流冲砂性能。其优化结果和分析方法对同类型工具的设计具有一定的指导意义。

3)现场试验表明，该工具较好地满足了设计和施工要求，特别适用于对返出物粒径有严格要求的连续冲砂工艺，并取得较好实施效果，促进了水平井产能有效发挥，为下一步的井筒措施作业提供了良好保证。

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ResearchandApplicationoftheNewWash-fishingToolinHorizontalWell

ZHANGXiongtao1，2，WANGZhiguo1，2，WANGShangwei1，2，LIUJiangbo1，2，LIANGWanyin1，2

(1.Oil & Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710021，China；2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields，Xi’an 710018，China)

Abstract：In order to solve the problem of the existing sand flushing tools：low efficiency，poor effect，easy to jam etc，we design the flush-fishing tool which can jet flow，scrape wellbore and fish the cemented sand at the same time，and we utilize fluent software to make numerical simulation and parameter optimization for the upper and lower swirl holes.And we can use the flush-fishing tool to flush out fine sand and fish up cemented sand with only one drill.Field application shows that the flush-fishing tool has met the design and construction requirements，improved the working efficiency and the level of sand flushing，and avoided cemented sand plugging wellhead equipment and ground pipeline.The flush-fishing tool has good popularization and application prospects.

Keywords：horizontal well；sand washing；wash-fishing tool；numerical simulation

文章编号：1001-3482(2016)06-0089-04

收稿日期：2015-12-03

基金项目：中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(1402-2)

作者简介：张雄涛(1990-)，男，工程师，主要从事井下作业配套技术研究，E-mail：13468811681@163.com。

中图分类号：TE934.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.020