應急放噴工況井下管柱沖蝕行為研究

樊艷芳，李少安，曾德智，劉 冰，張恩搏

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引 言

在石油鉆探過程中存在鉆遇異常高產氣層的情況，需進行放噴操作，當井內鉆井液放噴完之后，井下管柱面臨高流速攜砂氣體的沖蝕，在大放噴量、高攜砂量工況下有刺漏風險。目前已有學者開展了油井管柱的氣固沖蝕研究，并取得了一些研究成果。郭建華、張曉東、李皋[1-6]等分別分析了井深、溫度、砂粒粒度等不同因素對氣井井下管柱沖蝕的影響規律；練章華[7]等分析了鉆桿偏心度、注氣量等因素對鉆桿沖蝕的影響規律；吳晗[8]等研究了高含硫氣井在典型工況下的合理生產管柱組合；Zhu[9-10]等發現管柱材料、注氣壓力、排量等鉆井參數對鉆桿外壁沖蝕有明顯影響。但目前尚缺乏對鉆遇高產氣層時應急放噴工況下的沖蝕研究，難以估算沖蝕穿孔時間，一旦遭遇緊急工況，易因缺少理論支撐而影響臨時施工決策。為此，以塔河油田某高產氣井臨時應急生產所用管柱為研究對象，基于計算流體力學(CFD)方法，分析了不同日放噴量、日出砂量下高速攜砂氣流對井口處管柱的沖蝕行為，以指導應急放噴施工和風險管控。

1 井下管柱沖蝕模型

表征沖蝕程度的參數為沖蝕速率，通用沖蝕模型表達式[17-23]為：

(1)

紊流模型使用標準k-ε模型[18-19]，針對井下管柱沖蝕最嚴重的井口處[20]，考慮鉆桿水眼放噴和環空放噴2種工況。以塔河油田某探井為例，其井口處使用Φ508.0 mm套管和Φ139.7 mm鉆桿，分別建立鉆桿水眼與鉆桿-套管環空2種沖蝕模型，開展日放噴量為100×104～1 000×104m3/d、日出砂量為7.84～37.57 m3/d條件下的沖蝕模擬。其中，砂粒直徑(130 μm)、日出砂量和日放噴量等模擬工況均參照該探井的實際工況設定。

2 井下管柱沖蝕模擬結果分析

2.1 鉆桿水眼放噴沖蝕模擬結果分析

使用鉆桿水眼進行氣井放噴時，鉆桿內壁沖蝕速率分布云圖如圖1所示。由圖1可知，日出砂量為37.57 m3/d時，不同日放噴量下，沖蝕最大的位置均位于鉆桿接頭縮頸迎風面處。這是由于攜砂氣流進入接頭縮頸段時，大量粒子以低沖擊角與縮徑壁面發生碰撞造成的。經模擬計算，不同日出砂量下沖蝕最大的位置同樣位于此處。而與管壁碰撞后顆粒一部分動能轉化為內能，導致動能急劇下降，向下游繼續運動后與壁面發生少量碰撞，造成鉆桿主體內壁存在相對輕微的點狀沖蝕痕跡。

圖1 日出砂量為37.57 m3/d時不同日放噴量下鉆桿內壁沖蝕速率云圖

統計模擬計算結果，繪制各模擬工況下鉆桿內壁最大沖蝕速率的三軸柱狀圖(圖2，為表達更直觀，沖蝕速率的單位可換算為mm/a)。由圖2可知：隨著日放噴量、日出砂量的增大，鉆桿內壁最大沖蝕速率均呈增大趨勢，當日放噴量為1 000×104m3、日出砂量為37.57 m3/d時，沖蝕速率最大，達到4.4 mm/a，根據鉆桿壁厚換算為穿孔時間為7.9 a。因為日放噴量越大，攜砂氣流流速越高，固體粒子的動能越大，粒子與管壁碰撞造成的沖蝕越嚴重，而日出砂量越大，與管壁發生碰撞的固體粒子就越多，也會使沖蝕更加嚴重。

圖2 鉆桿內壁沖蝕速率三軸柱狀圖

2.2 環空放噴沖蝕模擬結果分析

當使用環空進行放噴時，鉆桿外壁的沖蝕速率分布云圖如圖3所示。由圖3可知：日出砂量為37.57 m3/d時，不同日放噴量下，沖蝕率最大的位置均位于鉆桿接頭外壁迎風上坡面。這是因為顆粒進入接頭外壁時最先和接頭外壁迎風坡面撞擊，當遇到接頭外壁迎風坡面縮徑處后，顆粒流速增大，碰撞動能增加。顆粒碰撞后流速迅速降低，向下游繼續運動后與壁面發生少量碰撞，造成鉆桿主體外壁面存在點狀沖蝕痕跡。

套管內壁沖蝕速率分布如圖4所示。由圖4可知：日出砂量為37.57 m3/d時，不同日放噴量下，套管內壁沖蝕點主要在鉆桿接頭附近及下游處。這是因為顆粒與鉆桿接頭迎風坡面碰撞后顆粒軌跡發生變化，一部分反彈至套管內壁，并在套管內壁和鉆桿外壁之間發生連續彈跳，造成點狀沖蝕痕跡，由于反彈顆粒數量較少且動能較低，套管內壁沖蝕率遠小于鉆桿外壁。因此，環空放噴時只關注鉆桿外壁沖蝕情況。

統計模擬計算結果，繪制各模擬工況下鉆桿外壁最大沖蝕速率的三軸柱狀圖(圖5)。由圖5可知，隨日放噴量、日出砂量的增大，鉆桿外壁最大沖蝕速率呈增大趨勢。當日放噴量為1 000×104m3/d、日出砂量為37.57 m3/d時，鉆桿外壁最大沖蝕速率為24.7 mm/a，鉆桿外壁的沖蝕速率遠大于套管內壁，管柱最短穿孔時間為3.9 a。

圖3 日出砂量為37.57 m3/d時不同日放噴量下鉆桿外壁沖蝕速率云圖

圖4 日出砂量為37.57 m3/d時不同日放噴量下套管內壁沖蝕速率云圖

2.3 模擬結果對比分析

對比2種不同的放噴方式可知，在相同工況下，環空放噴時的管壁最大沖蝕速率遠大于鉆桿水眼放噴時的管壁最大沖蝕速率。例如，在日出砂量為7.84 m3/d、日放噴量為100×104m3/d時，環空放噴時最大沖蝕速率(1.15 mm/a)是鉆桿水眼放噴時最大沖蝕速率(0.10 mm/a)的10倍。因此，從環空放噴的管柱服役時間更短，加之會造成套管沖蝕(套管無法更換)，因此，從防沖蝕安全方面考慮，建議通過鉆桿水眼進行放噴。

對比2種不同放噴方式下管壁最大沖蝕速率變化規律(圖6、7)可知：當日出砂量不變(日出砂量為19.35 m3/d)，日放噴量每增大10×104m3/d，采用水眼放噴時管壁最大沖蝕速率增加2.70%，采用環空放噴時管壁最大沖蝕速率增加18.20%；當日放噴量不變(放噴量為500×104m3/d)，日出砂量每增大1.00 m3/d，采用水眼放噴時管壁最大沖蝕速率增加不足6.67%，采用環空放噴時管壁最大沖蝕速率增加32.18%。即當日出砂量或日放噴量增大時，采用環空放噴方式時管壁最大沖蝕速率增長率是采用水眼放噴方式的管壁最大沖蝕速率增長率的5倍以上，即從鉆桿水眼放噴更有利于減少沖蝕。因此，建議在放噴初期時盡量采用小排量放噴，待井筒內泥漿、巖屑和砂粒幾乎放噴完后再調大放噴量，可有效降低管柱沖蝕程度。

圖5 鉆桿外壁沖蝕速率三軸柱狀圖

圖6 日出砂量為19.35 m3/d時日放噴量對管壁沖蝕速率的影響

圖7 日放噴量為500×104m3/d時日出砂量對管壁沖蝕速率的影響

3 結 論

(1)建立了鉆遇高產氣層應急放噴工況下的2種管柱的沖蝕模型，研究了日出砂量和日放噴量對井下管柱最大沖蝕速率的影響規律，提出了預防管柱沖蝕的措施。

(2)2種放噴方式下管柱最大沖蝕速率均隨著日放噴量和日出砂量的增大而增大；當通過鉆桿水眼放噴時，最大沖蝕速率點位于鉆桿接頭內壁縮徑面；當通過環空放噴時，最大沖蝕速率點位于鉆桿接頭外壁迎風坡；采用鉆桿水眼放噴時的最大沖蝕速率小于環空放噴時。

(3)鉆遇高產氣層應急放噴工況下，為減緩井下管柱沖蝕程度，建議采用鉆桿水眼放噴方式，且在放噴初期時盡量采用小排量放噴，待井筒內泥漿、巖屑和砂粒幾乎放噴完后再調大放噴量。