射流泵负压冲砂工艺参数优化研究

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DOI：10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2019.09.012

射流泵负压冲砂工艺参数优化研究

谢双喜1*，李萍2，王东1，李清涛1，苏作飞1

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津，300452.） （2.中国石油集团渤海钻探公司工程有限公司，天津，300280）

摘要：砂岩油气藏油气井防砂措施完成后，井底往往都有大量砂子存在，特别是对于地层压力系数低的产层，常规冲砂过程中，冲砂液进入地层后除因与地层液不配伍带来的沉淀、粘土膨胀等油层损害外，还有固体微粒进入地层形成机械堵塞。此外，冲砂时部分砂粒被挤入地层，生产时漏入地层的砂粒又重新流入井筒堆积，大大地降低了油井的产量，导致地层二次污染。为解决上述问题，本文利用射流泵可产生负压的特点，通过喷砂水嘴与射流泵结合，开发了射流泵负压冲砂新工艺技术。首先将射流泵负压冲砂系统划分为5个子系统：1）注入子系统；2）冲砂注入系统；3）冲砂喷射子系统；4）射流增压子系统；5）排出子系统；然后在此基础上建立了负压冲砂系统流动模型，编制了优选射流泵负压冲砂装置的射流泵和喷砂水嘴参数的程序。并以一口试验井为实例，利用此程序优选出了满足试验条件的射流泵、喷砂水嘴以及工况参数。该工艺技术的实施，可实现低地层压力井连续负压冲砂，冲砂液不与油层接触，解决了冲砂过程中对油层造成的伤害问题，大大提高油气井产量。

关键词：射流泵；负压冲砂；新工艺；喷砂水嘴；参数计算

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-9129(2019)09-0049-04

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓａｎｄ　

Ｗａｓｈｉｎｇ　ｏｆ　Ｊｅｔ　Ｐｕｍｐ　

Xie Shuangxi*, Li Ping, Wang Dong1, Li Qingtao1, Su Zuofei1

1

2

(1.CNOOC EnerTech-Drilling＆Production Company, Tianjin 300452, China;) (2. CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Tianjin 300452, China)

Abstract: After the completion of sand control measures for oil and gas wells in sandstone reservoirs, there are often a large number of sands at the bottom of the well, especially for the formation with low pressure coefficient of the formation. During the conventional sand washing process, the sand is not compatible with the formation liquid after entering the formation. In addition to oil layer damage such as sedimentation and clay expansion, solid particles enter the formation to form mechanical blockage. In addition, part of the sand is squeezed into the formation during sand washing, and the sand that leaks into the formation during production is re-inflowed into the wellbore, which greatly reduces the production of the well and causes secondary pollution of the formation. In order to solve the above problems, this paper uses the jet pump to generate the characteristics of negative pressure. By combining the blasting nozzle with the jet pump, a new technology for the negative pressure sand washing of the jet pump is developed. Firstly, the jet pump negative pressure sand washing system is divided into five subsystems: 1) injection subsystem; 2) sand injection system; 3) sand injection subsystem; 4) jet pressure boosting subsystem; 5) discharge subsystem; Then, based on this, the flow model of the negative pressure sand washing system is established, and the parameters of the jet pump and the blasting nozzle parameters of the preferred jet pump negative pressure sand washing device are compiled. Taking a test well as an example, this procedure is used to optimize the jet pump, blasting nozzle and working condition parameters that meet the test conditions. The implementation of the process technology can realize the continuous negative pressure sand washing of the low-layer pressure wells, and the sand washing liquid does not contact the oil layer, solves the problem of damage to the oil layer during the sand washing process, and greatly improves the oil and gas well production.

Key words: Keywords: Jet pump; negative pressure sand washing; new technology; sand blasting nozzle; parameter calculation

砂岩油气藏油气井钻井完成后一般需进行防砂完井作

引言

业，防砂措施完成后，井底往往都有大量砂子存在，这就需要下入冲砂管柱进行冲砂作业，然而，对于地层压力系

作者简介：谢双喜(1968-)，男，陕西渭南，工程师，主要研究方向：人工举升，排液采气，采油工艺方案等；

李萍（1982-），女，河南，博士研究生，主要研究方向：稠油热采工艺和防砂完井； 王东（1989-），男，山西，工程师，主要研究方向：人工举升，排液采气，采油工艺方案等。

通讯作者：谢双喜，E-mail：xieshx@cnooc.com.cn

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数低的产层，在常规的冲砂过程中，冲砂液进入地层后除因与地层液不配伍性带来的沉淀、粘土膨胀等油层损害外，还有固体微粒进入地层形成机械堵塞[1]。此外，冲砂时部分砂粒被挤入地层，生产时漏入地层的砂粒又重新流入井筒堆积，大大地降低了油井的产量，导致地层二次污染。为解决上述问题，利用射流泵可产生负压的特点，通过喷砂水嘴与射流泵结合，研制了射流泵负压冲砂装置，开发了射流泵负压冲砂新工艺技术。该工艺技术可实现低地层压力井连续负压冲砂，冲砂液不与油层接触，解决了冲砂过程中对油层造成的伤害问题，可大大提高油气井产量。

1 射流泵负压冲砂系统

射流泵负压冲砂系统[2-4]是在井口注入高压液，通过井下射流冲砂和负压携砂工具确保部分高压液经喷砂水嘴后形成低于地层压力的冲砂液，同时，剩余高压注入液作为动力液通过射流泵后将低压的冲砂液混合增压后经油管排出地面，实现冲砂和负压携砂的目的，使地层免受冲砂液二次污染的影响。根据节点系统分析原理，射流泵负压冲砂系统在井筒中由5个子模型组成，即：1）注入子系统：动力液从井口到射流泵入口，该部分为注入液流动，包括射流泵的动力液和冲砂液。2）冲砂注入系统：从滑套内的分流器到冲砂喷嘴入口。3）冲砂喷射子系统：从冲砂喷嘴入口到喷出口，经桥式短节进入射流泵吸入口，冲砂液变为射流泵吸入液。4）射流增压子系统：从滑套内的分流器进入射流泵入口，经泵喷嘴、喉管和扩散管直到泵出口。5）排出子系统：含砂混合液从射流泵出口，经油管返出井口。

设立泵负压抽吸管柱分外部和内部两部分，外部管柱为： 9-5/8\"套管，套管下部有沉砂。内部管柱为：由下至上管柱组合：冲砂喷嘴+3-1/2“油管短节+桥式短节+双向射流泵+1-2/3“油管。具体系统示意图如下。

2 负压冲砂系统流动模型建立

为优选射流泵负压冲砂装置的射流泵和喷砂水嘴，实现该装置正常高效运转；根据对现场情况的分析，选择满足主要工况条件的射流泵泵型（选择合适的喷嘴和喉管组合）和喷砂水嘴型号和数量，达到射流泵负压冲砂正常作业的目的。

2.1 背景及计算思路

射流泵负压冲砂装置下井前，首先要确定该装置安装的射流泵型号和喷砂水嘴型号和数量。确保射流泵负压冲砂装置在满足工艺设计条件下，达到正常负压冲砂和携砂的目的。

射流泵负压冲砂设计原则主要有：（1）满足冲砂深度要求；（2）冲砂液量大于临界携砂流量；（3）流体通过喷砂水嘴后压力较低，使地层易形成负压；（4）满足返出液井口压力要求；（5）射流泵在正常工作时所选射流泵喷嘴

和喉管流道面积差大于最小气蚀面积。 2.2 计算步骤及过程

根据射流负压冲砂设计原则，建立射流泵负压设计选泵和喷嘴参数设计主要步骤：（1）确定装置下入深度，根据要求的负压值和冲砂液量，确定冲砂喷嘴，尺寸、数量和流体经过喷嘴的压差；（2）根据喷砂液经过水嘴的压差和深度，初步确定井口注液压力；（3）根据冲砂喷嘴的出口压力，计算射流泵吸入口压力；（4）根据泵吸入口压力，计算射流泵最小气蚀面积；（5）初选射流泵；（6）计算所选射流泵的动力液量；（7）计算射流泵的无因次流量和无因次压力；（8）计算射流泵出口压力；（9）根据泵出口压力和总排液量，计算井口油管压力；（10）若计算的井口油管压力满足要求，结束计算并保存结果，否则增大井口注入压力，并返回（6）重新计算。

图1 射流泵负压冲砂系统示意图

根据上述射流泵的计算思路，建立射流泵和冲砂喷嘴选择流程，编制了优选射流泵负压冲砂装置的射流泵和喷砂水嘴参数的程序，具体流程见图2所示。两种算法相差不大。

输入井身结构、管柱数据最大注入液量、注入液压力以及冲砂深度根据要求产生的负压值和临界携砂液量，确定冲砂喷嘴直径和数据初步确定射流泵喷嘴入口压力计算最小气蚀面积，初选射流泵计算射流泵入口压力计算射流泵的动力液量计算射流泵的无因次流量和无因次压力计算喷砂嘴出口压力，射流泵入口压力计算射流泵出口压力和油管出口压力计算油管出口压力提高井口注液压力是<提供的油管最小压力输出计算结果：射流泵型号，喷砂嘴型号和数量，井口注入压力和注入液量，井下压力和井口油压 图2 射流泵和冲砂喷嘴选择流程图

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3 应用实例

3.1 试验井基础数据

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（1）：

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Q = α(dP)β （1）

式中：

Q — 冲砂喷嘴的排液量，m³/d； 射流泵负压冲砂试验在钻采试验基地JJSY-1井内进行，首先下入9-5/8\"套管管柱及井口密封装置，随后再下入刮管冲砂一体化作业管柱。该井为直井，试验深度为829.5m，其中底部为40m的砂层，该井井身结构见图3，所用的管柱数据见表1。

3.2 试验井管柱结构及参数

射流泵负压冲砂试验井管柱结构见图4。试验流体：冲砂试验所用流体为清水，相对密度为1.0。试验主要要求：a.井口最大注入压力为10MPa；b.冲砂液最小流量为310m3/d。

图3 试验井井身结构图 表1 射流泵负压排砂管柱数据表

套管数据

规格 外径，mm 内径，mm 备注 9-5/8 244.5

220.5

油管数据

规格 外径，mm 内径，mm 3-1/2

88.9

76.0

3.3 试验过程及结果

根据射流泵负压冲砂系统可知，该系统主要子系统为冲砂喷射子系统和射流增压子系统。我们对这两个子系统水力学性能进行了实验。

1）冲砂喷射子系统实验

对φ3.0mm冲砂喷嘴做了排液量与压差的水力学实验，实验数据见图5中曲线。

过冲砂喷嘴的流量Q与过阀压差P的一般关系见式

dP — 过喷嘴流体压差，MPa；

α — 公式系数项，包括喷嘴的截面积和摩阻系数等； β — 公式指数项，该值在0-1之间。 对（1）式两边取对数后得到（2）式：

LgQ = lgα+βlg(dP) （2）

令：x = lg(dP), y = LgQ, b = lgα, a = β （2）式变为：

y = ax+b （3）

将φ3.0mm×17个冲砂喷嘴排液量与过喷嘴压差实验数据整理后，得到了线性曲线见图6。

图4 射流泵负压冲砂试验井管柱结构图

图5 冲砂喷嘴的排液量与压差关系曲线

图6 冲砂喷嘴的排液量与压差关系曲线（整理后）

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由曲线拟合出冲砂喷嘴压差与排液量关系式为： Q = 2.5546A（dP）0.6672 （4）

式中：

Q — 冲砂喷嘴的排液量，m³/d； dP — 过喷嘴流体压差，MPa； A —过喷嘴截面积，mm2。 2）射流增压子系统实验

将射流泵下入到距井口40m深的试验井中，做了不同注入压力下的性能试验。后将射流泵吸入口下的压力计数据进行整理，得到时间与压力计数据的关系曲线，见图7和表2。

图7 射流泵井下试验四阶段泵吸入口压力曲线

表2 射流泵水力学实验数据表

名称 排液 动力液注入动力液吸入液泵出口压时间（s） 压力（MPa） 量(L/s) 流量(L/s) 力(MPa) 阶段1 589.98 3.4 3 1.49 0.4 阶段2 739.98 5.9 4.2 1.13 0.4 阶段3 810 7.4 4.6 1.24 0.4 阶段4

739.98

9.5

5.2

1.35

0.4

根据表2数据，得到射流泵喷嘴的特性函数曲线见图8。

图8 射流泵面积压差积与动力液量特性曲线 射流泵的特性曲线模型为：

Qn = 3.4264An√Pn-Ps （5）

Qn—动力液流量，m³/d； An—喷嘴的流道截面积，mm2； Pn—喷嘴入口压力，Mpa； Ps—射流泵吸入口压力，MPa 3）射流负压冲砂实验

根据试验管柱，射流泵下深747m，井底负压值至少为1MPa，冲砂量不小于310m3/d，确定喷砂水嘴规格为φ3mm，数量为5个，过泵流体压差为8.5MPa，冲砂液量348m3/d，负压值超过1MPa时的井底流压为6.3MPa(正常井底压力为7.4MPa)（2）计算射流泵吸入口压力和喷嘴入口压力。根据喷砂水嘴流体的出口压力，减去流体过桥式通道和单流阀的摩阻，得到射流泵的吸入口压力6.28MPa，射流泵喷嘴入口压力14.7MPa。（3）计算泵最小气蚀面积36.8mm2，初步选择不发生气蚀的射流泵，H14型泵喷嘴和喉管过流面积差为97.03mm2大于计算的最小气蚀面积，泵不发生气蚀。（4）计算射流泵动力液量。

根据射流泵吸入口压力和喷嘴入口压力，得到动力液量810.7m3/d。

H14型射流泵运行参数见表3。

4 结论及建议

本文利用射流泵可产生负压特点，通过冲砂喷嘴与射流泵结合，开发了射流泵负压冲砂新工艺技术。 1）根据节点系统分析原理，将射流泵负压冲砂系统分为5个子系统：1）注入子系统；2）冲砂注入子系统；3）冲砂喷射子系统；4）射流增压子系统；5）排出子系统，方便了对整个系统工作状况详细分析。

2）根据5个子系统的水力学特性及前期试验研究成果，建立了负压冲砂系统流动模型，并编制了优选射流泵负压冲砂装置的射流泵和冲砂喷嘴参数的程序。

表3 射流泵冲砂运行参数表 喷砂嘴 参数 射流泵参数

工作参数

规数

泵挂井口

格

注入注入量冲砂流井底产生量规格 深度

负压3规 数 m 压力

m3/d 量m/d

流压MPa

MPa

值

MPa φ3 55 H14

747

7.4 810.7 348.0 6.28 1.19

3）根据试验井的井身结构及参数，优选出了满足试验条件的射流泵、冲砂喷嘴以及工况参数。

4）该工艺技术可实现低地层压力井连续负压冲砂，冲砂液不与油层接触，解决了冲砂过程中对油层造成的伤害

问题，可大大提高油气井产量。

参考文献：　

[1]

薛清祥, 等. 低压井负压连续冲砂工艺技术研究与应用. 油气井测试, 2011, 20(6).

[2] 李红.反循环水力喷射泵排砂分析.西部探矿工程.2013,5. [3] 管九洲. 低压井负压冲砂强制排砂技术.特种油气藏.2015,22(1).

[4]

谢斌,等.同心管射流负压冲砂技术研究与应用.石油机械.2013，41(8).