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气井水力旋转射流清砂技术及其应用 谭宏兵１ 李长忠２ 郑 莉１ 林盛旺２ 刘 松３ 向禄勋３ １．中国石油西南油气田公司采气工程研究院 ２．中国石油西南油气田公司开发部 ３．川庆钻探工程有限公司川东钻探公司 谭宏兵等．气井水力旋转射流清砂技术及其应用．天然气工业，２０１１，３１（１０）：６１－６３． 摘 要 在不同阶段、不同井况的井筒清洁施工作业中，虽然现有的常规水力冲砂、机械捞砂、化学解堵３ 大类井筒 清洁技术取得了较好的应用效果，但由于各项工艺技术和工具自身的局限性，不能完全满足目前低压气井清砂作业的需 要。 为此，研制了带整体式旋转喷头和具有滤水、防挂卡功能的大直径沉砂筒的水力旋转射 流 清 砂 工 具，形 成 了 低 压 气 井水力旋转射流清砂工艺技术。 现场应用结果表明：在井下建立了局部循环，漏失量小，对产层回压小；作业管柱不受限 制；沉砂筒长度可根据需要任意组合，一次捞获量大；能彻底清洁井筒和近井地带产层裂缝，从根本上解决了井下沉积物 的堵塞问题。 关键词 低压气井 井筒 清洁 水力旋转射流技术 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１１．１０．０１４ 现场 应用 砂筒组成，其结构示意图如图１所示。工作原理：地面 泵车间断注入修井液，通过工作管柱传输到井下的水 力旋转射流冲砂头并驱动其产生旋转喷射，高压液流 束破碎、冲散井壁、井下沉积物并使其随液流上返至一 定高度，停止供液后沉积物沉淀在沉砂筒内起钻捞出。 现有井筒清洁技术的适应性 常规水力冲砂技术一般可分为清水冲砂、低密度 泡沫冲砂、暂堵冲砂等，其优点是一次冲砂量大，工艺 简单，但对套管壁的清洁作用有限，同时在低压气井中 冲砂时漏失量大甚至井漏失返，因此主要应用于压力 系数近于或大于１的气井冲砂作业。 机械捞砂技术中的绳索式、吸入式捞砂工具没有 旋转动力，对井下板结沉砂捞取效果很差，一次捞获量 小，而可旋转式捞砂工具由于受现场条件限制，多数时 候不具备实施旋转钻进的条件，不能对套管壁产生很 好的清洁作用，因此主要应用于沉砂量较小的低压气 井清砂???业。 化学解堵可不动管柱、不停产进行油管内解堵作 业，但不能对井筒内的沉砂及板结沉积物没有机械清 除功能，不能从根本上解决井下沉积物的堵塞问题，有 时甚至会将沉积物挤入产层堵塞裂缝，因此主要应用 于因缓蚀剂、起泡剂等附着在油管内壁形成堵塞的生 产气井。 １ 图１ 水力旋转射流清砂工具结构示意图 旋转射流清砂喷头 旋转 射 流 清 砂喷头是将一组喷嘴偏置 于 旋 转 轴 上，水射流反冲力因偏心而形成驱动喷头旋转的扭矩， 从而推动喷头自行旋转。因此喷嘴性能的好坏直接影 响到清砂能力，喷嘴的数量、直径、安装角度及工况直 接影响到旋转动力。 目前，高压水射流在油气钻采工 程中已经得到一定程度的应用，但是还存在一些关键 的技术难题，高压射流喷嘴的结构设计就是其中的重 ２．１ 水力旋转射流清砂工具研制 水力旋转射流清砂工具由旋转射流清砂喷头及沉 ２ 作者简介：谭宏兵，１９７２ 年生，工程师；现从事修井技术服务和研究工作。 地址：（６１８３００）四川省广汉市广东路东一段２ 号。 电 要问题之一［１］。喷嘴是高压水射流技术中获得高能量 利用率的关键因素之一，其结构的合理与否直接影响 高压水射流能量利用率及冲蚀效果的好坏。 接起来，会使出口前阻力损失加大，从而降低了喷嘴出 口处的压力［２］，同时还会出现短管出流中在短管内部 的漩涡低压区［３］。 显然，最佳的喷嘴形状应尽量与喷 嘴出口处的流线保持一致，使流束连续均匀收缩而不 在喷嘴内部产生漩涡分离区，达到最大的速度系数和 流量系数［４］。喷嘴按内孔截面的形状可分为圆锥形喷 嘴、圆锥收敛型喷嘴和流线型喷嘴，根据加工容易、流 量系数尽可能大的原则选择了圆锥收敛型喷嘴。 喷 嘴 直 径 、数 量 的 确 定 ２．１．１ 喷嘴孔径的大小直接影响到水射流的压力、出口 速度和喷嘴的流量。在喷嘴出口截面内外两点间应用 伯努利方程，忽略两点之间的高度差，可得出关系式： ｕ ２ ｕ ２ ｐ１ ＋ １ ＝ ｐ２ ＋ ２ （１） ２ ２ ρ１ ρ２ 数 值 模 拟 和 室 内 实 验 ２．１．３ 式中ｐ１、ｐ２ 分别为喷嘴内外静压力，ＭＰａ；ρ１、ρ２ 分 别 为喷嘴出口截面内外流体密度，ｋｇ／ｍ３；ｕ１、ｕ２ 分 别 为 喷嘴内外平均流速，ｍ／ｓ。 由连续性方程可得 运用 Ｆｌｕｅｎｔ对 ９ 组选定的圆锥收敛型喷嘴进行 数值模拟实验，得出喷嘴性能随内部结构变化趋势，然 后在性能较优的喷嘴附近再选择 １６ 组喷嘴进行数值 模拟。模型计算区域选取见图２。网格划分：由于模型 计算区域不大，为了加快网格划分速度，采用一次性划 分网格，全