连续液动解堵工艺设计及其在渤海油田的应用

张延旭， 王冠华， 李 虎， 代向辉， 李 翔， 郭宏峰

(1中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司 2中海油田服务股份有限公司油生增产中心)

油田在开发的过程中，部分油水井均受到不同程度的污染，导致筛管、炮眼及近井地带因堵塞问题而降低油井产量及注水井注入量。作为物理法增产增注连续液动解堵技术，相对于水力振荡[1]、低频压力脉冲[2～9]、井下超声波[10]等物理增产技术而言，其具有设备少、体积小、无需动管柱、成本低等优点。该技术通过在井口安装能量发生器及在井筒中进行憋压(井口压力5～12 MPa)，通过控制能量发生器中的阀门快速开启泄压而后快速关闭阀门憋压造成冲击波对地层堵塞物进行水力冲击，形成水击压力波对井筒及井底污染物进行水力振荡，反复进行上述过程而使堵塞物随液流被带出井口，达到解堵的目的。目前，关于连续液动解堵技术理论方面的研究并不多见，仅有的理论研究文献[11～15]中多数仅是针对井下发生装置产生的压力波(声波)对地层影响方面的研究，但对于井口发生装置造成的压力波在井筒中的传播很少涉及。其中，仅中国石油大学的王宏万[9]对该工艺过程进行了数值模拟研究，但仅模拟了瞬时单次关阀的水击压力传播过程，并未讨论符合本工艺的连续开关阀门造成的正负水击压力波叠加的过程，亦未讨论瞬时开阀所造成的负水击现象。

本文以渤海油田K12井作为实施井例，讨论了瞬时开阀时的流速计算方法，并以此作为参数进行计算考察井口发生装置连续开关阀门对井筒内压力波传播造成的影响，以更加接近工艺技术的实施过程，用以指导现场实践。

一、工艺设计

1. 开阀流速设计

连续液动解堵工艺技术的理论为水击理论：阀门快速开启造成负水击，而后阀门快速关闭产生正水击，如此往复，通过调节开关阀门的频率使得压力波进行叠加，造成巨大的冲击压力波或谐振波对地层进行作用。通过理论研究可知，水击压力差的表达式为[16]：

Δp=ρvc

(1)

式中：Δp—水击压差，Pa；ρ—液体密度，kg/m3；v—液体流速，m/s；c—液体的声速，m/s。

对于以负水击作为初始物理过程的连续液动解堵而言，液体流速v是未知的。

通过对井筒进行憋压使得井口具有压力p0，快速开阀将迅速释放井筒内液体的弹性能而使得液体随开阀时间的延长具有一定的流速，定义该流速为开阀流速，它是进行连续液动解堵理论研究的关键参数。

为获得开阀时流速及泄压规律，考虑将井筒视为盛满液体的带压容器。当阀门突然打开，井筒内的液体在初始压力下向外流出。随时间的延长，压力逐渐下降，流速逐渐升高，当压力完全为0的瞬间，流速达到最大，随后流速骤减为0。在此过程中，设定固定微小时间间隔，在此时间间隔内结合液体的弹性理论及动量守恒原理，通过迭代过程可计算该时间间隔内的流速及压力，并以该流速及压力作为下一个时间间隔的初始值继续计算，直至压力为0时计算结束，此时即可输出各时间间隔内的流速。

K12井井身长度为2 831 m，油管外径为101.6 mm，由于该井注水限压pmax为8 MPa，因此工艺的压力参数设计为8 MPa，通过计算考察开阀流速和井口压力与开阀时间的关系，如图1所示。

图1 流速和井口压力随开阀时间的变化曲线

由图1可知，井口憋压状态下突然开阀是一种泄压过程，随开阀时间增加，憋压液体瞬时流速增加，井口压力降低，并于3 s后井口压力完全泄掉，此时流速达到最大。为保证作业时的具备较高的水击冲击压力、井口压力不会掉落过快，同时不会对管柱及地层造成不良影响，一般选取开阀时间为0.3～0.5 s为宜，此时开阀瞬时流速在1.2 m/s左右，水击冲击压力为1.56 MPa，冲击功率约为16.4 MW，满足解堵作业要求。

2. 压力脉冲频率设计

通过将开阀瞬时流速数据代入至水击基本方程组，便可计算水击压差以及模拟连续液动压力波。本文采用文献[17]的结论及计算方法来模拟连续液动脉冲，及开关阀门频率对波形及冲击压力的影响。

文献[17]将连续性方程、动量方程与流体及油管的弹性方程相结合，推导出水击基本方程组：

(2)

式中：λ—水力摩阻系数，无量纲；E—管壁弹性系数，Pa；δ—油管壁厚，m；g—重力加速度，m/s2；θ—井筒与水平线的夹角，rad；其它参数意义同上。

对上述方程组采用扩散型有限差分法进行离散和求解，便可近似模拟连续液动解堵的物理过程。计算结果如图2、图3所示。

从图3可以看出，频率为每分钟12次时通过水击压力波峰(谷)叠加达到最大的水击压差，约为6 MPa，可采用此频率制造冲击波以震碎地层堵塞物。该频率所造成的正负压分别为14 MPa和2 MPa，考虑到井筒管柱安全和地层出砂风险，在实施中采用每分钟10次的频率，压差约为4 MPa。当频率低于或高于该频率时，水击压差减弱，考虑连续液动的水力振荡作用，则采用每分钟15～20次的频率制造谐振波以振松堵塞物，并被携带出井筒，达到解堵的目的。

图2 频率分别为6、8、10次/min时压力波分布图

图3 频率分别为12、15、20次/min时压力波分布图

3. 工艺流程

连续液动解堵技术的优势在于所用设备少、工艺简单、不使用化学药剂等方面，考虑较为理想的工艺流程进行作业(见图4)：

(1)开油管循环滑套，采取环空供液憋压、油管液流返出的工艺流程。

(2)降低返出管线的能耗，尽量减少返出管线长度，将管线直接接泥浆池。

图4 施工工艺流程

二、解堵措施效果

渤海油田K12井是该区块的一口注水井，自投注以来已经历9次酸化作业。初期酸化效果明显，酸化后视吸水指数初增倍数最高达1.9，且随酸化频次增加而逐渐降低，最后一次酸化作业视吸水指数初增倍数降为0.1，酸化作业已无明显增注效果，多轮次酸化处理已无法满足配注要求。为了提高该井注水量，同时节约作业成本，尝试采用连续液动负压解堵工艺进行解堵作业，达到解堵增注的目的。K12井连续液动解堵作业实施过程持续6 h，作业结束后关滑套恢复注水，该井瞬时日注水量上升至716 m3，注水压力8 MPa，视吸水指数为88.68 m3/(d·MPa)。随后注水量逐渐下降，经3 d时间日注水量稳定在570 m3，达到该井的日配注量，效果显著(见表1)。

表1 施工后作业效果记录

分析注水量下降的原因在于，物理处理方法对地层具有一定的激动作用，通过水力冲击及振荡导致堵塞物脱落、剥离，并随液流一起运动。在解堵施工结束后会留有部分堵塞物没有被携带出井筒，并随注水的恢复而重新进入地层，导致地层再次被堵塞，造成施工效果减弱。

三、结论及建议

(1)通过理论分析研究了开阀流速的计算方法，确施工时开阀时间在0.3～0.5 s，瞬时流速为1.2 m/s，水击压力1.56 MPa，冲击功率16.4 MW，满足作业要求。

(2)通过求解水击基本方程组连续液动解堵物理过程进行模拟，确定每分钟10次阀门开关频率制造冲击波以震碎地层堵塞物，以每分钟15～20次的频率制造谐振波振松堵塞物并携带出井筒达到解堵目的。

(3)实例井经连续液动解堵作业后，最初视吸水指数由作业前48.83 m3/(d·MPa)提高至88.68 m3/(d·MPa)，随后稳定至68.85 m3/(d·MPa)，解堵増注效果显著。

(4)单一的连续液动解堵工艺存在效果递减的现象，建议与化学法结合形成协同复合技术，既可巩固物理法的作业效果，亦可进一步发挥化学法的作用，达到最佳的解堵效果。

[1]齐振林，汪志明，柳长鹏，等．低频水力振荡波在地层中传播规律研究[C]．第二十届水动力学研讨会文集．

[2]刘涛．低渗透油藏注水井水力脉冲-化学深穿透解堵技术研究[D]．中国石油大学(华东)硕士学位论文，2010．

[3]饶鹏．低渗油藏水力脉冲波辅助深度酸化降压增注技术研究[D]．中国石油大学(华东)博士学位论文，2013．

[4]薛宝兰，白仲岗，马金凤，等．低渗油田脉冲式解堵技术探究[J]．硅谷，2011(12)：98．

[5]刁宇．脉冲管压力脉冲解堵及其数值模拟研究[D]．东北石油大学硕士学位论文，2014．

[6]梁春．水力脉冲解堵技术研究与应用[J]．科技信息，2010(5)：60．

[7]黄建宁，葛君，卢永宽．水力脉冲解堵优化技术在长庆油田的应用[J]．油气井测试，2005(14),2：71,78．

[8]王兴刚，张长青．水力振动解堵増注技术的应用[J]．石油钻采工艺，1992(2):73-76．

[9]王宏万．压力脉冲解堵及其振荡场的数值模拟研究[D]．中国石油大学(华东)硕士学位论文，2009．

[10]刘晋伟．超声波解堵深度实验研究[D]．中国石油大学(华东)硕士学位论文，2009．

[11]王瑞飞，孙卫，岳湘安，等．低频波在油层中衰减系数预测模型的实验研究[J]．石油学报，2005,26(6)：90-92．

[12]白小红，任晓娟，罗向荣．低频压力脉冲波在低渗储层中传播的一维改进模型的设计[J]．辽宁化工，2013,42(9)：1089-1096．

[13]白小红．低频压力脉冲对低渗储层油水渗流特征的影响实验研究[D]．西安石油大学硕士学位论文，2014．

[14]蒲春生，王香增．复杂油藏波场强化开采理论与技术[M]．石油工业出版社，2014．

[15]蒲春生，刘静．低渗透油藏低频谐振波化学复合强化开采理论与技术[M]．石油工业出版社，2015．

[16]袁恩熙．工程流体力学[M]．石油工业出版社，1986．

[17]任东芮．水击理论及水击波速研究[D]．郑州大学硕士学位论文，2016．