长水平井旋流冲砂工具设计与仿真分析

针对长水平井疏松砂岩油气藏井底出砂以及冲砂液携砂上返时，砂粒受重力影响容易二次沉积，造成卡钻、砂堵等问题，设计了一种可前冲和后冲的旋流冲砂工具。对工具的结构组成及结构原理进行了介绍，结合工具原理，建立了旋流冲砂工具冲砂作业三维仿真模型，确定了冲砂边界条件，开展了冲砂效果数值仿真分析；通过改变前后、后向喷嘴的倾角和直径，并结合仿真分析对工具结构参数进行了优选。研究结果发现：前向喷嘴倾角为45°、后向喷嘴倾角为135°、前向喷嘴和后向喷嘴直径均为8 mm的条件下，砂粒的悬浮效果最好，悬浮的大部分砂粒可以由冲砂液携带至较远距离，冲砂作业效率较高，冲砂效果较好。研究结果可为长水平井冲砂洗井作业效率的提高提供参考。

长水平井；旋流冲砂工具；仿真分析；喷嘴结构；参数优选

TE934

A

DOI： 10.12473/CPM.202401085

Design and Simulation Analysis of Cyclone Sand

Flushing Tool for Long Horizontal Wells

Luo Yougang1，2" Xie Yonggang1，2" Wang Shangwei1，2" Feng Ding3" Sun Qiaolei3" Chen Xiaoshun1，2

（1.Oil amp; Gas Technology Research Institute， PetroChina Changqing Oilfield Company;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil amp; Gas Fields;3.School of Mechanical Engineering， Yangtze University）

Sand particles are prone to secondary sedimentation under the gravity when sands flow out of bottom hole and sand flushing fluid returns with sands in long horizontal well in unconsolidated sandstone reservoirs. This phenomenon often causes some problems such as sticking and sand bridge. To solve these problems， a cyclone sand flushing tool that can be used for forward and backward flushing was designed. Then， the structural composition and principle of the tool were introduced. Based on the tool principle， a 3D simulation model for sand flushing operation of the cyclone sand flushing tool was built， the sand flushing boundary conditions were determined， and the sand flushing effect was analyzed through numerical simulation. Finally， the structural parameters of the tool were optimized through simulation analysis and by changing the inclination angle and diameter of the forward and backward nozzles. The research results show that when the inclination angle of forward and backward nozzles is 45° and 135°， respectively， and the diameter of forward and backward nozzles is all 8 mm， the suspension effect of sand particles is the best. Most of the suspended sand particles can be carried to a long distance by the sand flushing fluid， resulting in higher sand flushing efficiency and better sand flushing effect. The research results provide reference for improving the sand flushing and well cleanout efficiency of long horizontal wells.

long horizontal well;cyclone sand flushing tool;simulation analysis;nozzle structure;parameter optimization

基金项目：国家采油装备工程技术研究中心资助项目“自动化管柱运移系统关键技术研究”（ZBKJ 2021-A-03）；中国石油天然气股份有限公司攻关性应用性科技专项“低渗/致密油藏大幅度提高采收率关键技术研究”（2023ZZ17）；湖北省高价值知识产权培育工程（专利类）项目“海洋油气钻完井关键工具研制及应用研究”（20210101）。

0" 引" 言

罗有刚，等：长水平井旋流冲砂工具设计与仿真分析

水平井开采技术可大幅提高单井产量和原油采收率，近年来随着钻完井及储层改造技术的不断进步，其应用规模迅速扩大［1］。据估计，世界上90%的油气井都位于砂岩储层中，其中多达35%的油井存在出砂问题［2］。地层出砂与压裂砂滞留均会在井筒内形成砂桥，沉积砂床不仅成为井底流体流动的阻力，严重时将影响油气井的正常生产［3］。水平井冲砂洗井是解决井筒砂堵的有效手段，但冲砂液携带砂粒上返至斜井段，受重力影响容易二次沉积，易造成作业管柱砂卡，尤其是长水平段水平井冲砂还面临砂垢胶结、井筒漏失等挑战［4］。

目前国外提供井筒清理及冲砂工具的公司主要有Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger等。其中CoilSweep冲砂洗井工具［5］旨在解决大直径、斜井或水平井井筒中的出砂问题；Jet Blaster高压喷射冲砂洗井工具［6］可用于冲砂、油管除垢、防砂筛管清洗以及近井筒表皮去除作业，具有快速、经济、高效等特点。针对井底静压过低，导致的循环漏失问题，L.PERDOMO等［7］采用了一种特殊冲程泵达到了较好的冲砂效果。S.S.RAO等［8］建立了泡沫水力学模型以确定井底压力过低时采用泡沫流体冲砂作业的可行性，并使洗砂率最大化。H.ALMAJID等［9］设计了一种可以在低储层压力井底冲砂的微真空喷射泵。国内学者对冲砂工具也进行了相关研究。冯治锋等［10］设计了一种新型连续负压清砂工具。冯定等［11-14］设计了多种冲砂洗井工具，如自适应水力旋流冲洗工具、转速可控的旋流冲洗工具、振荡式水平井冲洗工具和反循环正冲砂式水平井旋流冲砂工具。高森等［15］为优化连续管水平段套管内冲砂的主要参数，验证了不同工况下水平段的冲砂效果，采用连续管带冲砂工具在水平段透明套管内进行冲砂试验。胡强法等［16］开展了旋转喷头射流工具水力参数优化，并利用计算流体力学方法对工具结构参数进行优选。

随着页岩油气、致密气等非常规油藏的开发，长水平井数量越来越多，水平段长度不断延长，现有常规冲砂工具未考虑砂粒二次沉积的影响，其性能和效率有待提高。因此有必要设计一种适用于长水平井的高效冲砂工具并优选工具的结构参数，为提高长水平井冲砂作业效率提供参考。

1" 旋流射流冲砂工具设计

基于长庆油田页岩油长水平井冲砂作业需求，设计的水平井旋流冲砂工具结构如图1所示。

该工具主要由换向结构、旋转结构和冲洗结构3大部分组成。换向结构的作用是调整冲砂液的流动方向，使冲砂工具能够向前喷射冲砂液冲击砂床，完成旋流冲砂作业，也能够向后喷射冲砂液冲洗二次沉积的砂粒，完成沉砂清除作业；旋转结构为冲洗头的旋转射流作业提供旋转动力，冲砂液经冲洗头喷出形成旋转射流冲击井底的沉积砂床；冲洗结构能够通过冲击、搅拌悬浮后移的混砂液，使沉积砂床分散呈悬浮状态在冲砂液中形成混砂液，并随冲砂液一起运移，实现冲砂作业，同时反向冲砂作业能够减缓悬浮砂粒二次沉积，增强冲砂效果。工具设计最大外径为88.9 mm，施工压力15～30 MPa，施工排量500～1 000 L/min，主要适用于139.7 mm（51/2 in）套管内冲砂作业。

该工具的主要工作原理为：冲砂作业时，首先采用前向冲砂将沉积的砂床冲散、冲碎，由于长水平井水平段较长，冲散的砂粒向后运移一段距离后会二次沉积，导致上返到地面的冲砂液含砂率越来越小；达到设定阈值后，增大排量，此时将进行后向冲砂，后向冲砂时上提管柱进而把二次沉积的砂粒全部上返到地面。

前向冲砂时主要依靠旋流结构带动冲洗头旋转作业，进而实现旋流冲砂。冲洗头上前向喷嘴的主要作用是冲击破碎井底的沉积砂床，需要有较强的冲击力，使沉积砂床分散呈砂粒悬浮在冲砂液中形成混砂液，并随冲砂液一起运移，实现冲砂作业。冲洗头上径向喷嘴和后向喷嘴的主要作用是冲击并搅拌悬浮后移的混砂液，为其增加向后运移动力，减缓悬浮砂粒二次沉积。冲砂效果主要与旋转冲洗头上的喷嘴直径及喷嘴倾角的选取有关。

后向冲砂时借助换向结构改变流体流向，通过增大冲砂排量推动钢球向前移动使球阀处于打开状态，冲砂液进入球阀腔体后从分流套筒内部的后向均布喷嘴喷出，对沉积的砂粒进行二次清洗，实现反向冲砂作业。

2" 冲砂工具喷嘴结构参数优选

流体流动要遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律；如果流动包含不同成分的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律；如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加湍流输运方程。

基于高精度和时间成本，并结合工程实际、通用性强等前提条件，选用标准k-ε模型。k和ε的输运方程为：

tρlk+xiρlkνl=

xjμ+μtσkkxj+Gk－ρlε－YM（1）

tρlε+xiρlενl=xjμ+μtσkεxj+

C1sεkGk+C3sGb－C2sρlε2k（2）

式中：k为湍动能，m2/s2；t为流体流动时间，s；xi、xj为笛卡尔坐标的方向位移，m；μ为动力黏度，Pa·s；ε为湍流耗散率，m2/s3；ρl为液相密度，kg/m3；νl为液相速度，m/s；C1s、C2s、C3s为经验常数，无量纲；σk为k的湍流朗普数，σk=1.0；Gb为由浮力引起的k的附加量，Pa/s2；Gk为平均速度梯度产生的湍动能，Pa/s;Gk=－ρlu′iu′j———ujxi；u′iu′j———为脉动速度二阶相关项，m2/s2；YM为可压缩湍流脉动膨胀对整体耗散率的影响，Pa/s，YM=2ρlεMa2；Ma为湍流马赫数；μt为湍流黏度系数，Pa·s;μt=ρlCμk2ε，Cμ=0.09。

2.1" 数值模型及边界条件

结合现场水平井井眼轨迹及实际工况，设置冲砂作业管柱外径为60.3 mm，旋转射流冲砂洗井工具外径为88.9 mm，井眼环空直径为124.26 mm，砂柱长度为500 mm，模型总长度为3 000 mm。模型采用四面体网格和六面体网格相结合进行划分，并在冲砂洗井工具射流喷嘴处对网格进行细化，以提高数值计算精度。建立了水平井旋转射流冲砂洗井数值计算简化模型，简化模型的网格划分结果如图2所示，局部网格划分结果如图3所示，旋转射流冲砂洗井模型初始化云图如图4所示。

设置冲砂液初始密度为1 000 kg/m3，初始黏度为40 mPa·s，初始砂粒直径为0.425 mm，砂粒密度为2 600 kg/m3。采用Eulerian多相流模型计算冲砂液-砂粒两相流，湍流模型采用标准k-ε模型进行计算，井眼边界和冲砂作业管柱设定为固定壁面无滑移，旋转射流冲砂工具的冲洗头壁面设置为滑移网格；入口边界条件为速度入口，针对不同排量冲砂作业，将排量转化为速度入口，设定速度初始值;出口边界条件为压力出口。出口压力结合作业井深2 800 m进行预算，得到其工作压力为27.44 MPa。分析时冲砂工具结构各项参数设置如表1所示。

2.2" 数值模拟结果及分析

2.2.1" 喷嘴倾角对冲砂效果的影响

图5和图6分别是冲砂时间为6 s，采用前向、后向喷嘴不同倾角冲砂工具作业时的砂粒运移情况。

由图5和图6对比分析可知，前向喷嘴倾角为45°和后向喷嘴倾角为135°时的砂粒冲散较多且砂床运移距离最远，说明此种条件下砂粒的悬浮效果最好、冲砂液携砂运移能力最强，悬浮的大部分砂粒可由冲砂液携带至较远距离。图7和图8为喷嘴不同倾角时的含砂体积分数变化曲线。由图7和图8对比分析可知，前向喷嘴倾角45°和后向喷嘴倾角为135°时，在3 s附近随时间增加环空内砂粒的体积分数降低最明显，相同冲砂作业条件下，冲砂作业效率最高，获得的冲砂效果最好，冲砂施工作业的成本低。总体而言，喷嘴倾角与水平线夹角越小，随时间延长环空内砂粒的体积分数降低越明显，同时砂粒运移距离越长。

2.2.2" 喷嘴直径对冲砂效果的影响

图9和图10分别是冲砂时间为6 s，采用前向、后向喷嘴不同直径冲砂工具作业时砂粒的运移情况。

由图9和图10对比分析可知，前向喷嘴和后向喷嘴直径均为8 mm时砂粒被冲散的最多且砂粒向后运移的效果最好，而其他条件下均出现砂粒在喷头后端周向旋转不向后运移的情况。说明前向、后向喷嘴直径为8 mm时，悬浮的大部分砂粒可以由冲砂液携带至较远距离，冲砂液的砂粒运移能力较强，冲砂作业效率较高，冲砂效果较好。图11和图12为喷嘴不同直径时的含砂体积分数变化曲线。由图11和图12对比分析可知：前向喷嘴和后向喷嘴直径均为8 mm时，含砂体积分数最低且含砂体积分数降低得最快；含砂体积分数在2 s左右时开始降低，4.5 s以后含砂体积分数明显比其他喷嘴低，说明此条件下冲砂作业效率较高，冲砂效果较好。总体而言，喷嘴直径较小时，不利于冲砂液携砂；喷嘴直径较大时，不利于砂粒运移。

3" 现场试验

2023年，旋流冲砂工具在长庆油田开展了5口井的现场试验，取得了较好的试验效果。相比常规冲洗头只能前向冲砂，使用该工具能够实现反向冲砂，从而冲击搅动二次沉积砂粒返出地面，减少了卡钻风险。对比同区域、同水平段长度采用连续管+普通冲洗头的水平井冲砂作业，平均纯冲砂作业时间由144 h缩短至108 h，作业效率提升25%，验证了该工具可有效提高作业效率。

以CHXX-27井为例，该井为页岩油水平井，采用124.6 mm套管完井，完钻井深4 327 m，水平段长1 980 m；采用连续管底封拖动压裂，压裂45段，入地总砂量3 066 m3，入地总液量26 131 m3。压裂后闷井41 d，闷井结束放喷排液，对井筒进行清理后下泵完井。

井筒清理作业采用连续管+旋流冲砂工具。钻具组合：60.3 mm连续管+73.0 mm连接头+73.0 mm双活瓣式单向阀+73.0 mm安全接头+88.9 mm旋流冲砂工具。冲砂井段1 895～4 320 m，施工排量500～700 L/min，泵压20.9～21.7 MPa，历时102 h完成冲砂作业，顺利冲洗至4 320 m，通过所有改造段，返出砂量11.3 m3，保障了井筒清洁。

4" 结" 论

（1）相同冲砂作业时间下，长水平井旋流冲砂工具结构参数与砂粒运移关系密切。喷嘴直径不宜太大或太小，当喷嘴直径太大时，不利于砂粒运移；当喷嘴直径太小时，不利于冲砂液携砂。喷嘴倾角与水平线夹角不宜太大，否则会出现砂粒在喷头后端周向旋转而不向后运移的情况。

（2）获得了提高冲砂作业效率的旋流冲砂工具结构参数：前向喷嘴倾角为45°、后向喷嘴倾角为135°、前向喷嘴直径和后向喷嘴直径均为8 mm。

（3）新型长水平井旋流冲砂工具具有正反向冲砂作用，能搅动沉积砂粒，减缓悬浮砂粒二次沉积。现场试验结果表明，与常规冲洗头相比，平均冲砂作业时间由144 h缩短至108 h，作业效率提升25%。

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第一罗有刚，高级工程师，生于1982年，2009年毕业于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业，获硕士学位，现从事油气田开发井下作业技术及配套工具研究工作。地址：（710021）陕西省西安市。电话：（029）86590725。email：luoyg_cq@petrochina.com.cn。

2024-01-28" 修改稿收到日期：2024-10-28

任武