張延旭， 王冠華， 李 虎， 代向輝， 李 翔， 郭宏峰

(1中海石油(中國(guó))有限公司蓬勃作業(yè)公司 2中海油田服務(wù)股份有限公司油生增產(chǎn)中心)

油田在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，部分油水井均受到不同程度的污染，導(dǎo)致篩管、炮眼及近井地帶因堵塞問(wèn)題而降低油井產(chǎn)量及注水井注入量。作為物理法增產(chǎn)增注連續(xù)液動(dòng)解堵技術(shù)，相對(duì)于水力振蕩[1]、低頻壓力脈沖[2～9]、井下超聲波[10]等物理增產(chǎn)技術(shù)而言，其具有設(shè)備少、體積小、無(wú)需動(dòng)管柱、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)通過(guò)在井口安裝能量發(fā)生器及在井筒中進(jìn)行憋壓(井口壓力5～12 MPa)，通過(guò)控制能量發(fā)生器中的閥門快速開(kāi)啟泄壓而后快速關(guān)閉閥門憋壓造成沖擊波對(duì)地層堵塞物進(jìn)行水力沖擊，形成水擊壓力波對(duì)井筒及井底污染物進(jìn)行水力振蕩，反復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程而使堵塞物隨液流被帶出井口，達(dá)到解堵的目的。目前，關(guān)于連續(xù)液動(dòng)解堵技術(shù)理論方面的研究并不多見(jiàn)，僅有的理論研究文獻(xiàn)[11～15]中多數(shù)僅是針對(duì)井下發(fā)生裝置產(chǎn)生的壓力波(聲波)對(duì)地層影響方面的研究，但對(duì)于井口發(fā)生裝置造成的壓力波在井筒中的傳播很少涉及。其中，僅中國(guó)石油大學(xué)的王宏萬(wàn)[9]對(duì)該工藝過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，但僅模擬了瞬時(shí)單次關(guān)閥的水擊壓力傳播過(guò)程，并未討論符合本工藝的連續(xù)開(kāi)關(guān)閥門造成的正負(fù)水擊壓力波疊加的過(guò)程，亦未討論瞬時(shí)開(kāi)閥所造成的負(fù)水擊現(xiàn)象。

本文以渤海油田K12井作為實(shí)施井例，討論了瞬時(shí)開(kāi)閥時(shí)的流速計(jì)算方法，并以此作為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算考察井口發(fā)生裝置連續(xù)開(kāi)關(guān)閥門對(duì)井筒內(nèi)壓力波傳播造成的影響，以更加接近工藝技術(shù)的實(shí)施過(guò)程，用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

一、工藝設(shè)計(jì)

1. 開(kāi)閥流速設(shè)計(jì)

連續(xù)液動(dòng)解堵工藝技術(shù)的理論為水擊理論：閥門快速開(kāi)啟造成負(fù)水擊，而后閥門快速關(guān)閉產(chǎn)生正水擊，如此往復(fù)，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)閥門的頻率使得壓力波進(jìn)行疊加，造成巨大的沖擊壓力波或諧振波對(duì)地層進(jìn)行作用。通過(guò)理論研究可知，水擊壓力差的表達(dá)式為[16]：

Δp=ρvc

(1)

式中：Δp—水擊壓差，Pa；ρ—液體密度，kg/m3；v—液體流速，m/s；c—液體的聲速，m/s。

對(duì)于以負(fù)水擊作為初始物理過(guò)程的連續(xù)液動(dòng)解堵而言，液體流速v是未知的。

通過(guò)對(duì)井筒進(jìn)行憋壓使得井口具有壓力p0，快速開(kāi)閥將迅速釋放井筒內(nèi)液體的彈性能而使得液體隨開(kāi)閥時(shí)間的延長(zhǎng)具有一定的流速，定義該流速為開(kāi)閥流速，它是進(jìn)行連續(xù)液動(dòng)解堵理論研究的關(guān)鍵參數(shù)。

為獲得開(kāi)閥時(shí)流速及泄壓規(guī)律，考慮將井筒視為盛滿液體的帶壓容器。當(dāng)閥門突然打開(kāi)，井筒內(nèi)的液體在初始?jí)毫ο孪蛲饬鞒?。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，壓力逐漸下降，流速逐漸升高，當(dāng)壓力完全為0的瞬間，流速達(dá)到最大，隨后流速驟減為0。在此過(guò)程中，設(shè)定固定微小時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)結(jié)合液體的彈性理論及動(dòng)量守恒原理，通過(guò)迭代過(guò)程可計(jì)算該時(shí)間間隔內(nèi)的流速及壓力，并以該流速及壓力作為下一個(gè)時(shí)間間隔的初始值繼續(xù)計(jì)算，直至壓力為0時(shí)計(jì)算結(jié)束，此時(shí)即可輸出各時(shí)間間隔內(nèi)的流速。

K12井井身長(zhǎng)度為2 831 m，油管外徑為101.6 mm，由于該井注水限壓pmax為8 MPa，因此工藝的壓力參數(shù)設(shè)計(jì)為8 MPa，通過(guò)計(jì)算考察開(kāi)閥流速和井口壓力與開(kāi)閥時(shí)間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 流速和井口壓力隨開(kāi)閥時(shí)間的變化曲線

由圖1可知，井口憋壓狀態(tài)下突然開(kāi)閥是一種泄壓過(guò)程，隨開(kāi)閥時(shí)間增加，憋壓液體瞬時(shí)流速增加，井口壓力降低，并于3 s后井口壓力完全泄掉，此時(shí)流速達(dá)到最大。為保證作業(yè)時(shí)的具備較高的水擊沖擊壓力、井口壓力不會(huì)掉落過(guò)快，同時(shí)不會(huì)對(duì)管柱及地層造成不良影響，一般選取開(kāi)閥時(shí)間為0.3～0.5 s為宜，此時(shí)開(kāi)閥瞬時(shí)流速在1.2 m/s左右，水擊沖擊壓力為1.56 MPa，沖擊功率約為16.4 MW，滿足解堵作業(yè)要求。

2. 壓力脈沖頻率設(shè)計(jì)

通過(guò)將開(kāi)閥瞬時(shí)流速數(shù)據(jù)代入至水擊基本方程組，便可計(jì)算水擊壓差以及模擬連續(xù)液動(dòng)壓力波。本文采用文獻(xiàn)[17]的結(jié)論及計(jì)算方法來(lái)模擬連續(xù)液動(dòng)脈沖，及開(kāi)關(guān)閥門頻率對(duì)波形及沖擊壓力的影響。

文獻(xiàn)[17]將連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與流體及油管的彈性方程相結(jié)合，推導(dǎo)出水擊基本方程組：

(2)

式中：λ—水力摩阻系數(shù)，無(wú)量綱；E—管壁彈性系數(shù)，Pa；δ—油管壁厚，m；g—重力加速度，m/s2；θ—井筒與水平線的夾角，rad；其它參數(shù)意義同上。

對(duì)上述方程組采用擴(kuò)散型有限差分法進(jìn)行離散和求解，便可近似模擬連續(xù)液動(dòng)解堵的物理過(guò)程。計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖3可以看出，頻率為每分鐘12次時(shí)通過(guò)水擊壓力波峰(谷)疊加達(dá)到最大的水擊壓差，約為6 MPa，可采用此頻率制造沖擊波以震碎地層堵塞物。該頻率所造成的正負(fù)壓分別為14 MPa和2 MPa，考慮到井筒管柱安全和地層出砂風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)施中采用每分鐘10次的頻率，壓差約為4 MPa。當(dāng)頻率低于或高于該頻率時(shí)，水擊壓差減弱，考慮連續(xù)液動(dòng)的水力振蕩作用，則采用每分鐘15～20次的頻率制造諧振波以振松堵塞物，并被攜帶出井筒，達(dá)到解堵的目的。

圖2 頻率分別為6、8、10次/min時(shí)壓力波分布圖

圖3 頻率分別為12、15、20次/min時(shí)壓力波分布圖

3. 工藝流程

連續(xù)液動(dòng)解堵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于所用設(shè)備少、工藝簡(jiǎn)單、不使用化學(xué)藥劑等方面，考慮較為理想的工藝流程進(jìn)行作業(yè)(見(jiàn)圖4)：

(1)開(kāi)油管循環(huán)滑套，采取環(huán)空供液憋壓、油管液流返出的工藝流程。

(2)降低返出管線的能耗，盡量減少返出管線長(zhǎng)度，將管線直接接泥漿池。

圖4 施工工藝流程

二、解堵措施效果

渤海油田K12井是該區(qū)塊的一口注水井，自投注以來(lái)已經(jīng)歷9次酸化作業(yè)。初期酸化效果明顯，酸化后視吸水指數(shù)初增倍數(shù)最高達(dá)1.9，且隨酸化頻次增加而逐漸降低，最后一次酸化作業(yè)視吸水指數(shù)初增倍數(shù)降為0.1，酸化作業(yè)已無(wú)明顯增注效果，多輪次酸化處理已無(wú)法滿足配注要求。為了提高該井注水量，同時(shí)節(jié)約作業(yè)成本，嘗試采用連續(xù)液動(dòng)負(fù)壓解堵工藝進(jìn)行解堵作業(yè)，達(dá)到解堵增注的目的。K12井連續(xù)液動(dòng)解堵作業(yè)實(shí)施過(guò)程持續(xù)6 h，作業(yè)結(jié)束后關(guān)滑套恢復(fù)注水，該井瞬時(shí)日注水量上升至716 m3，注水壓力8 MPa，視吸水指數(shù)為88.68 m3/(d·MPa)。隨后注水量逐漸下降，經(jīng)3 d時(shí)間日注水量穩(wěn)定在570 m3，達(dá)到該井的日配注量，效果顯著(見(jiàn)表1)。

表1 施工后作業(yè)效果記錄

分析注水量下降的原因在于，物理處理方法對(duì)地層具有一定的激動(dòng)作用，通過(guò)水力沖擊及振蕩導(dǎo)致堵塞物脫落、剝離，并隨液流一起運(yùn)動(dòng)。在解堵施工結(jié)束后會(huì)留有部分堵塞物沒(méi)有被攜帶出井筒，并隨注水的恢復(fù)而重新進(jìn)入地層，導(dǎo)致地層再次被堵塞，造成施工效果減弱。

三、結(jié)論及建議

(1)通過(guò)理論分析研究了開(kāi)閥流速的計(jì)算方法，確施工時(shí)開(kāi)閥時(shí)間在0.3～0.5 s，瞬時(shí)流速為1.2 m/s，水擊壓力1.56 MPa，沖擊功率16.4 MW，滿足作業(yè)要求。

(2)通過(guò)求解水擊基本方程組連續(xù)液動(dòng)解堵物理過(guò)程進(jìn)行模擬，確定每分鐘10次閥門開(kāi)關(guān)頻率制造沖擊波以震碎地層堵塞物，以每分鐘15～20次的頻率制造諧振波振松堵塞物并攜帶出井筒達(dá)到解堵目的。

(3)實(shí)例井經(jīng)連續(xù)液動(dòng)解堵作業(yè)后，最初視吸水指數(shù)由作業(yè)前48.83 m3/(d·MPa)提高至88.68 m3/(d·MPa)，隨后穩(wěn)定至68.85 m3/(d·MPa)，解堵増注效果顯著。

(4)單一的連續(xù)液動(dòng)解堵工藝存在效果遞減的現(xiàn)象，建議與化學(xué)法結(jié)合形成協(xié)同復(fù)合技術(shù)，既可鞏固物理法的作業(yè)效果，亦可進(jìn)一步發(fā)揮化學(xué)法的作用，達(dá)到最佳的解堵效果。

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