港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度研究及应用

韩岐清，陈　锐，李少甫，孙福山

(大港油田公司 采油工艺研究院，天津　300280)



港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度研究及应用

韩岐清，陈锐，李少甫，孙福山

(大港油田公司 采油工艺研究院，天津300280)

为提高出砂油井同心双管水力喷射携砂采油工艺设计参数的合理性，有效防止出砂油井在生产过程中砂粒沉积，避免油井出现砂卡、砂埋现象。以砂粒水动力学为依据，通过室内实验分析，建立了砂粒等价水动力粒径与筛析粒径直线关系式，并根据砂粒自由沉降规律，分析出了不同颗粒直径砂粒在井筒中的自由沉降速度，然后对比井筒混合液向上流速，判断出油井是否会出现沉砂。结果表明：建立的砂粒自由沉降速度模型可用于直井、斜井和水平井的砂粒自由沉降速度分析，能为港西油田出砂油井同心双管水力喷射携砂采油工艺参数的优化设计提供技术支撑。

出砂油井；等价水动力粒径；自由沉降速度

油井出砂是影响砂岩油藏油井长效生产的主要原因，尤其是进入油藏开发中后期，油井出砂情况更为严重，已成为制约油井开发效率提高的突出难题。解决油井出砂难题的有效方法是将砂粒携带至地面，避免在井筒中沉积。李明忠[1-2]等通过研究井筒井液携砂流动规律，提出了有杆泵抽油系统携砂生产举升工艺参数设计方法，本文在此基础上通过室内筛析实验对港西油田油井砂粒粒径进行统计分析，建立了等价水动力粒径与筛析粒径、砂粒自由沉降速度与等价水动力粒径关系式，确定出了港西油田出砂油井砂粒自由沉降速度计算公式，从而为同心双管水力喷射携砂采油工艺参数的优化设计提供理论依据，保证井筒液体上升速度大于砂粒自由沉降速度，以顺利将砂粒携带至地面。

1　室内实验分析

1.1油井出砂粒度组成分析

1.1.1砂样清洗

利用二氯甲烷、酒精等溶剂对港西油田出砂油井产出砂粒进行清洗，经清洗处理后的砂样如图1所示。

1.1.2油砂筛析粒径分析

利用振砂机选用尺寸为500 μm、400 μm、300 μm、250 μm、212 μm、180 μm、150 μm、125 μm、75 μm、45 μm的筛子，对经过清洗处理后的油砂进行不同粒径所占质量百分比统计分析，建立出油砂筛析粒径统计频率分布柱形图和累计质量百分比分布曲线，如图2所示。

1.2等价水动力粒径的确定

通过石油大学(华东)可视化恒温沉降实验装置，对油井出砂沉降速度进行测量，从而求解等价水动力粒径。每口油井砂样随机测量230组进行实验，在恒定室温(25 ℃)下将不同筛析粒径的砂粒置于垂直管道液面以下，使其在管道中心自由沉降，计算砂粒的沉降速度，然后由砂粒在牛顿流体中沉降时的等价水动力粒径计算公式求解出砂粒等价水动力粒径，计算公式如下：

de=0.033 7ρlv2(ρs-ρl)-1

(1)

式中：de—砂粒的等价水动力粒径，mm；ρs—砂粒密度，g/cm3；ρl—流体密度，g/cm3；v—砂粒自由沉降速度，m/s。

对实验得到的等价水动力粒径进行分析，得到不同粒径频率分布直方图，并利用Rosin-Rammler模型对累计频率分布进行拟合，得到油井油砂等价水动力粒径统计分布曲线，如图3所示。等价水动力粒径类似于正态分布，累计频率分布拟合精度较高。

根据上述分析过程，将4口油井油砂分别进行筛析，将其细分为10种粒径，然后分别计算每种筛析粒径对应的等价水动力粒径，结果如图4所示。

从图4分析得出，等价水动力粒径与筛析粒径之间具有较好的线性关系，利用最小二乘法对其拟合得到如公式(2)的关联式，利用该关联式即可将筛析粒径转换为等价水动力粒径。

de=0.792 6 d筛+0.095 2

(2)

式中：d筛—砂粒筛析粒径，mm。

1.3砂粒自由沉降速度的确定[2-3]

砂粒开始下沉时，固体颗粒的运动速度较小，其沉降的动力大于阻力，固体颗粒以加速度下沉，随固体颗粒速度的增大，其所受的阻力也不断加大。经过一定距离以后，阻力与动力相平衡，此后固体颗粒即以匀速向下沉降(此时固体颗粒的沉降速度称为沉降末速)。根据固体颗粒在牛顿流体中的自由沉降规律可得到砂粒沉降末速的一般计算公式：

(3)

其中砂粒在流体中沉降时的拖曳力系数为：

(4)

当砂粒匀速向下沉降时，砂粒在紊流区沉降，根据颗粒阻力系数与雷诺数相关图版，紊流沉降时圆球形固体颗粒阻力系数接近常数0.45，结合固体颗粒沉降末速一般计算公式，得出紊流状态下的砂粒沉降速度公式为：

(5)

式中：ds—砂粒颗粒粒径，mm。

结合(3)、(4)、(5)式即可得出等价水动力粒径与砂粒自由沉降速度关系式：

(6)

2　现场实例应用

为了验证砂粒自由沉降速度的可靠性，对港西油田X1井等10余口出砂井砂粒的自由沉降速度进行了计算。其中X1井为直井，砂粒颗粒直径范围为0.05～0.5 mm，砂粒粒径中值为0.27 mm，结合地质参数分析油井发生砂卡、砂埋等事故的可能性较大。为保证油井正常生产，对X1等出砂油井的不同颗粒直径砂粒的自由沉降速度进行了分析，同时利用井筒多相管流理论计算分析出同心双管水力喷射携砂采油工艺井筒混合液流速，对比分析是否有砂粒自由沉降速度大于井筒混合液流速，然后判断出砂油井生产过程中是否会出现砂卡、砂埋问题，从而为同心双管水力喷射携砂采油工艺动力液注入压力和注入量等工艺参数的优化设计提供理论依据。

通过对分析X1油井不同颗粒直径砂粒自由沉降速度，同时计算设计工艺参数条件下的井筒混合液流速，结果显示井筒液体向上流速均大于不同颗粒直径砂粒的自由沉降速度(如图5所示)，因此判断该井生产过程中不会出现砂粒沉积，举升工艺参数设计合理。该井实际生产过程中，油井检泵作业时泵筒及沉砂口袋中均未出现沉砂现象，现场实例应用表明：砂粒自由沉降速度计算模型准确可靠，可以用于港西油田出砂油井同心双管水力喷射携砂采油工艺参数优化设计。

3　结论与认识

1)通过室内实验分析研究建立的出砂油井砂粒自由沉降速度的计算方法，可为港西油田出砂油井举升工艺生产参数的优化设计提供重要的理论依据；

2)等价水动力粒径的精确度取决于实验得到筛析粒径值，只有在油井砂粒粒度组成数据完整的前提下才能保证砂粒自由沉降速度的准确性。

[1]李明忠,王卫阳,何岩峰,等.垂直井筒携砂规律研究[J].石油大学学报(自然科学版), 2000,24(2):33-35.

[2]李明忠,王卫阳,赵国景.垂直井筒井液携砂流动规律研究及其在油井生产中的应用[J].实验力学, 2002, 17(3):385-391.

[3]刘爱萍,邓金根.垂直井筒低黏度液流最小携砂速度研究[J].石油钻采工艺, 2007,29(1):31-33.

Research and Application of Sand Free Settling Velocity in Sand Producing Wells in Gangxi Oilfield

HAN Qi-qing, CHEN Rui, LI Shao-fu, SUN Fu-shan

(Oil Production Technology Institute of Dagang Oilfield, Tianjin 300280, China)

In order to improve the rationality of the design parameters for concentric double hydraulic pump production technology, to prevent sand deposition in the process of production and avoid oil sand and sand burying. This paper, through indoor experimental analysis, established the linear relation of equivalent hydrodynamic diameter and sieve analysis diameter. According to the laws of the sand free settling, the paper analyzed the different particle diameter of free settling velocity of sand in the wellbore, then compared with the mixture upwards velocity in the wellbore, and determined whether the well will be grit. The result shows that this model can be used to analyze sand free settling velocity of oil-producing vertical wells, deviated wells and horizontal wells. It can provide technical support for concentric double hydraulic pump production technology optimization of parameters for sand producing wells in Gangxi oilfield.

sand-producing well; equivalent hydrodynamic diameter; free settling velocity

2016-03-15

陈锐(1987-)，男，天津滨海新区人，大港油田公司采油工艺研究院工程师，主要从事机械采油新工艺技术研究工作。

TE35

B

1008-9446(2016)04-0018-04