（油气田开发工程专业论文）侧钻井投球调剖理论与实验研究.pdf

t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yf o rs p h e r ep r o f i l e c o n t r o lt e c h n i q u e l a t e r a lf l o o d i n gwellcontrolt e c h m q u ei nl a t e r a lt l o o d l n rw e l l f uq i a n g ( p e t r o l e u me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz h a o m i n a b s t r a c t a p p l ys p h e r ep r o f i l ec o n t r o lt e c h n i q u et ow a t e r - i n j e c t i o no fl a t e r a lw e l l r e s o l v es o m e p r o b l e mw h i c hi si m p o r t a n tr e s t r i c t i o nt os e p a r a t ef l o o d i n go fl a t e r a lw e l l ，s u c ha sc o m p l e x w e l ls t r u c t u r e 、d o w n h o l ee q u i p m e n tb e i n gh a r dt og od o w na n dd o w n h o l ea c c i d e n tb e i n go u to f c o n t r 0 1 t oi n t r o d u c eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dt e c h n i q u et e c h n i c a la d v a n t a g eo fs p h e r ep r o f i l e c o n t r o lt e c h n i q u e ，a n di l l u s t r a t ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co fb a l ls e a l e r s p h e r ep r o f i l ec o n t r o l t e c h n i q u ei san e wa n dp r o m i s i n g ，a t e rp r o f i l ec o n t r o lt e c h n o l o g y c o m p a r et oc h e m i c a l p r o f i l ec o n t r o l ，t h ea d v a n t a g e so fs p h e r ep r o f i l ec o n t r o lt e c h n i q u e ：s m a l lw o r k l o a d ，l o wc o s k i m m o v a b i l i t ys t r i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eo p e r a t i o n a l p r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fb l o c k i n gb a l l ， i n c l u d i n gp r e s e n ts i t u a t i o no ft e c h n i c a ls t u d yf r o mb o t ha th o m ea n da b r o a d m a k et h e o r e t i c a l a n a l y s i so ff e a s i b i l i t yf o rs p h e r ep r o f i l e c o n t r o li nl a t e r a lw e l lt e c h n i q u et h r o u g ht h e m e c h a n i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c a l c u l a t ea d d i t i o n a lr e s i s t a n c eu n d e rd i f f e r e n t m e a n so fw a t e rf l o o d i n gi nl a t e r a lw e l l ，a n dp o i l l tt h ep o s s i b i l i t yo fi n j e c t i o no fs m a l lt u b i n g p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u tb ym e a n so fs e t t i n gu pr e a l i s t i cm o d e lo f l a t e r a lw e l l t og e tr u l e so fb a l ls e a l e rb ya n a l y z i n gag r e a tq u a n t i t yo fd a t a , a n df e a s i b i l i t yo f s p h e r ep r o f i l ec o n t r o lt e c h n i q u ef o rl a t e r a lw e l l si sa p p r o v e d t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ee f f e c t o fb a l lo f fs u c ha sp o s i t i o no fb a l li n j e c t i o na n df l o wv e l o c i t yi nw e l lb o r ei sa n a l y z e df u r t h e r t h ep a p e rg i v e sm e a n so fb a l li n j e c t i o n ，f l o wv e l o c i t ya n dn u m b e r so fb a l lf o rd i f f e r e n t p o s i t i o no fb a l li n j e c t i o na n dt h r o u g h p u tr a t i oo fe a c hl a y e r , a n dp r o v i d e sr e f e r e n c ee v i d e n c e f o ro i lf i e l dp r o d u c t i o n u n d e rt h eb a s eo fl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t a k eu s et h eo f f l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s e tu pp h y s i c a lm o d e l ，u s es i m p l e ca l g o r i t h m sa n d d i s c r e t ep h a s em o d e l ，t a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a l d i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l da n dt h et r a j e c t o r yo ft r a n s f e rb l o c k i n gb a l l l e a r nt h em e c h a n i s mo f s p h e r ep r o f i l ec o n t r o li nl a t e r a lw e l lt e c h n i q u et h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f y s t r a t i g r a p h i cc o n d i t i o n s ，i n j e c t i o nc o n d i t i o n sa n dt u b i n gp o s i t i o n ，a n du n d e rt h ei n f l u e n c eo f t h r e ef a c t o r so nt h ef l o wf i e l dn e a rt h eb o r e h o l ea n dt r a n s f e rt r a j e c t o r yo fs e a l e rb a l l t h e o r e t i c a l l y , t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t st h ei n f l u e n c eo ft h r e e f a c t o r st oe f f e c t so fb l a n k o f fi sv e r i f i e d t h r o u g hb o t hl a b o r a t o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f u r t h e rl e a r nt h et r a n s f e rs i t u a t i o no fs e a l e rb a l li nw e l l b o r e c o n c l u d et h eb e s tp a r a m e t e r so f m o s td i f f e r e n tf a c t o r s f o rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs e p a r a t ef l o o d i n gi nl a t e r a lw e l l ，f o r m u l a t ea r e a s o n a b l ep r o g r a md e s i g no fs p h e r ep r o f i l ec o n t r o li nl a t e r a lw e l lt e c h n o l o g yt og u i d ef i e l d a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l a t e r a lw e l l ，s p h e r ep r o f i l ec o n t r o l ，e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p r o g r a md e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签辄上拉l 冲年争月。目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，a p 学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 呷年，年月7 0 日 沙j 7 年争月6 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章前言帚一早日i j 面 目前胜利油田现河采油厂现有侧钻井中，高含水、无接替潜力待报废7 l 口，已地 质报废停产6 7 口，损失地质储量2 0 6 1 0 4 t 。部分侧钻井已无地质剩余潜力，可以利用 这些侧钻井的目的层或钻遇的非目的层，进行侧向注水，适时将部分侧钻井转注，弥补 原有井网的不足，补充地层能量，改善水驱效果，完善注采井网，同时提高了这部分资 产的利用率【l 】。但是由于侧钻井井身结构比较复杂，而且因为固井质量和配套工具的制 约，使侧钻井分层注水开发遇到很多困难，应用普通的封隔器分层注水风险较大，容易 发生井下事故，限制了侧钻井的注水开发。在侧钻井中应用投球调剖技术对侧钻井的注 水开发有很好的辅助作用【2 】。 投球调剖技术是一种崭新的、颇有前景的调剖堵水工艺。过去在油田中常采用化学 调剖方法，使用的化学剂量大、工作量大、费用高，目前已不能充分适应油田开发的需 要。作为一种新工艺，投球调剖技术应运而生。与化学调剖相比，这一工艺具有许多优 点：投球调剖工艺简单，不动管柱，工作量小；不使用大量的化学剂，不污染环境 和地层，不需要调剖或进行其它措施时可将球洗出；不受注入水矿化度影响( 调剖球 密度可调) ；比其他调剖工艺安全、可靠、灵活，风险性低；费用低廉，化学调剖 施工一次使用调剖剂多达几百立方米，费用达5 1 0 4 元1 0 1 0 4 元，投球调剖费用远比 化学调剖低廉。实践表明，投球调剖技术施工工艺简单，成功率高，经济效益好，具有 广阔的前景，不受注入水矿化度影响( 调剖球密度可调) ，侧钻井投球调剖技术的理论研 究对油田开发有很好的指导作用【3 】。 第一章前言 2 5 弓 3 a 栅 苌 燃 1 5 图1 - 1 投球调剖前后注水压力对比 f i 9 1 - 1i n j e c t i o ns t r e s sc h a n g e sa f t e rp i t c h i n g 为了更好的应用侧钻井油井注水补充地层能量，改善水驱效果，提高资产的利用率， 提高油气井产能，有必要对侧钻井投球调剖技术进行进一步研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 投球调剖的工作原理 调堵球调剖机理为相对改变注水分配。专用均质刚性高分子调堵球密度等同注入 水，理论上同注入水同步运动。调堵球在井筒内封堵炮眼分配概率基本吻合注入水分配 比率，即水流量大的炮眼附近封堵几率大，而水流量小的炮眼附近调堵球分配几率小。 调堵球主要进驻主吸水层炮眼附近并在注水压差作用下靠贴封堵压实在炮眼上，在施工 压力和正常注水压力下不产生形变，从而改变注水分配，增强弱吸水层吸水量，降低主 吸水层吸水量。均质刚性调堵球在井筒内处于独立状态，随水流移动自如。停泵、开泵 时使用简单特殊的工艺可使调堵球重新复位，封堵效果基本不受影响。此工艺安全可靠， 不会封死炮眼，能有效地达到调剖效果【4 】。 调堵球作用过程及靠贴机理如图1 2 所示。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ， 图l - 2 均质刚性小球单向封闭炮眼不惹图 f i g l 一2h o m o g e n e o u sr i g i db a l lo n e - w a yc l o s e db o r e h o l e 在正常注水管柱的地面部分，安装在线投球装置，调堵球通过投球装置进入注水管 柱。在注水水流及重力的作用下，调剖小球被送达井下，从管柱中出来的调堵球受到水 平方向液流的推动力作用，向井壁方向运动，如图1 2 所示。 高渗透层的吸水能力要比低渗透层高得多。高渗透层段井筒炮眼地层一侧的压力相 对较低，通过这些炮眼进入地层的流体量较大【5 】。因此，与水密度相差很小的调堵球将 集中在井简的高渗透层段，直径与射孔炮眼几乎相等的调堵球，一旦运动到该层段炮眼 附近，在井筒内压力与地层压力差的作用下，将进入炮眼而堵塞炮眼。而低渗透层由于 流动阻力大，其注入水量相对较小，调堵球受到的径向推力很小，因而调堵球不易进入 低渗透层井段的炮眼中【6 】。 其结果是大量调堵球在高渗透层段的炮眼中的存在，使高渗透层的吸水面积陡降， 从而达到阻止高渗透层大孔道大量吸水的目的。由于调堵球材质的特殊性及射孔炮眼的 不规则性，在内外压差的作用下，进入炮眼的小球将会发生塑性变形，使得调堵球在正 常注水过程中能牢固地处于高渗透层井段的炮眼中，从而提高小球调剖的可靠性。当需 要解除这些堵塞在炮眼中的调堵球时，可采用排出适量井筒内流体的方式，降低井筒中 的液柱压力，高渗透层内的地层流体压力会驱动调堵球从炮眼中脱落下来。通过大排量 洗井，利用液流悬浮动力将调堵球带到地面并回收，这样，高渗透层位井段又回到调剖 前的状态【7 1 。 3 第一章前言 l 注入水 地丽 广一 爿 图1 - 3 投球调削工作原理示意图 f i g l - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fs p h e r ep r o f i l ec o n t r o lt e c h n i q u e 1 2 2 调堵球的性能特征及制造 ( 1 ) 调剖用球的类型 具有如下结构和性能的球，可以用于注水井投球调剖，如图1 4 。 整体可变形球( 橡胶球) ：在一定压力下可发生大的变形而嵌入炮眼，见图1 - 4 ( a ) 。 二固卅囝 尹镄 橡胶球( a ) 硬质内心包橡胶球( b ) 塑料球( c ) 图l - 4 在注水压力p 下单向封堵炮眼示意圈 f i g l - 4o n e - w a yc l o s e db o r e h o l ei ni n j e c t i o ns t r e s sp 硬质内心外包橡胶球：当硬质内心直径略小于炮眼直径时，弹形( 橡胶) 外层变形 后很容易嵌入炮眼，见图1 4 ( b ) 。制造技术( 二次硫化整体合成) 是可行的。 整体硬质球( 塑料球) ：直径大于炮眼直径时，可在压力下靠贴在炮眼口上，而将 炮眼单方向封闭，密度调整方便，见图1 - 4 ( c ) 钔。 4 料hh髓h目 u n u u = = u 毒 瞵p 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 调剖用球的封堵特点 从球对炮眼的封闭机理来看，全橡胶和硬质内心橡胶球可归纳为嵌入式调堵球，它 们有如下特点： 变形压力( 即注水压力) 要精确控制； 注水压力太大时有可能挤过炮眼； 停止注水时返吐，再次注水时可能由于发生永久变形而不能嵌入炮眼或在设定 注水压力下不能产生足够的变形而不能嵌入炮眼； 不易将密度调整到接近注入水的密度，因而不易实现球与注入水同步靠近炮眼。 硬质塑料球属于靠贴式调堵球，当其密度与注入水相等时可与注入水同步运动，在 施工压力和注水压力下不变形，在井简内的分布基本上与注入水的分配一致，即水流量 大的炮眼附近球出现的几率大，该炮眼被球封闭的几率也大。球主要封闭主吸水层炮眼， 降低主吸水层吸水量，改变注水分配，增大弱吸水层吸水量。球的密度与注入水相同， 可随水自由流动，开泵时封闭炮眼，停泵时反吐，不会堵死炮眼。因此，我们选择了整 体硬质塑料球。 ( 3 ) 调剖用球的性能要求 调剖用球应具备以下性能： 足够的力学强度，靠贴在炮眼口时不会被压裂或严重变形； 密度与注入水相同； 直径比炮眼略大； 耐温性、耐老化性符合要求。 目前油田使用的射孔枪主要有5 l ，6 0 ，7 3 ，8 9 ，1 0 2 等五大类型，本区块主要使用 8 9 型。8 9 型射孔枪射出的孔径( 炮眼直径) 为8 5 m m ，考虑到射孔效果、套管炮眼腐蚀等 情况，将硬质调堵球直径定为1 0 和1 2 m m ，以l o m m 为主【9 】。 1 2 3 投球调剖技术的优点 从目前所作的研究结果来看，投球调剖工艺与化学调剖工艺相比，有以下优点： 投球调剖工艺简单，不动管柱，工作量小；不使用大量的化学剂，不污染环境和地层， 不需要调剖或进行其它措施时可将球洗出；不受注入水矿化度影响( 调堵球密度可调) ； 比其他调剖工艺安全、可靠、灵活，风险性低；费用低廉，化学调剖施工一次使用 调剖剂多达几百立方米，费用较高，投球调剖费用远比化学调剖低廉【1 0 1 。 5 第一章前言 1 2 4 投球调剖技术发展历程 在1 9 5 6 年初，炮眼封堵技术已经被证明经济有效而被应用于油田生产。因为封堵 球封堵技术在多层压裂中被证明比普通封隔器费用低，风险小，所以这项技术被广泛应 用于完井中。这项技术不仅改变了压裂的设计，而且改变了选择性炮眼射孔的理念并有 利于单点和限流射孔技术的研究【1 1 1 。 1 0 1 1 1 工开i 硼一l t w l i i i i i w 图1 5 密度对比对投球调削效果的影响 f i g l 5 e f f e c to fc h a n g e si nd e n s i t yc o n t r a s t s t e v e nr e r b s t o e s s e r 于19 8 0 年在他的 i m p r o v e db a l ls e a l e rd i v e r s i o n 文中提出了实 验室研究模拟的思路，并丰富了影响投球调剖效果的因素，提出了调剖球与流体的密度 对比对封堵效果的影响，浮力球的封堵效果优于非浮力球，如图1 - 5 t 1 2 】。 西安交通大学动力工程多项流实验室对投球调剖技术的理论进行了研究：将注水 在炮眼附近的流场看作大空间内细支管的向外射流，简化为二维问题，数值求解注水的 控制方程，得到了主管流速一定、支管流量比不同时的若干射流流场，指出了流场特点， 表明此调剖方法是可行的。给出了调剖球在注水中所受8 种力的表达式，由力值量级 比较认为，在实际条件下重力、惯性力、广义浮升力、附加质量力和粘性阻力是主要作 用力，而b a s s e t 力、m a g n u s 力和s a f f m a n 力可忽略。剖析了调剖球在注水管、井筒、 油套环空流动和被炮眼吸附时的运动状态。讨论并计算了调剖球在注水中的运动轨 迹，给出了球直径、密度、炮眼流量比、球初始位置影响封堵的二维图利1 3 l 。 6 石茧莓复奏 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 越 专 、 、 备、 图1 - 6 炮眼附近的流场分析 f i g l 一6 f l o wf i e l da n a l y s i sn e a rb o r e h o l e 中国石油大学石油工程学院周晓君教授分析了调剖球在注水管柱和井筒中的沉降 和平移规律，计算了调剖球在炮眼附近受到的径向推力，测定了a b s 小球的自由沉降 速度及其在模拟井筒中的等速下降运动速度，探讨了影响投球调剖成功率的因素，为实 施投球调剖工艺提供必要的理论依据【1 4 1 。 1 3 本课题研究内容及技术路线 针对侧钻井注水中存在的问题，提出应用投球调剖技术的解决方法，利用投球调剖 技术的优点，解决侧钻井分层注水难度大的问题。本论文通过对调堵球在侧钻井井筒内 运动和封堵炮眼规律的研究，为侧钻井的投球调剖现场方案设计提供理论依据和最优参 数，指导现场作业施工，主要研究内容如下： ( 1 ) 理论分析侧钻井投球调剖技术的可行性： 力学分析和附加阻力计算 通过理论和力学分析，提出侧钻井投球调剖技术封堵的可行性，以及三种主要影响 流场的因素。通过不同注入方式的附加阻力计算，提出小油管注水的可行性。 数值模拟验证影响因素 利用f l u e n t 数值模拟软件，建立三维模型，通过模拟流场情况，验证三个主要影响 因素，改变流速、各层流量分配比、投球位置各因素的数值，验证各因素对封堵效果的 影响。 7 第一章前言 ( 2 ) 调堵球调剖堵水的动态模拟研究 根据油田实际情况，通过建立物理模型，利用相关实验设备进行封堵效果和调节作 用的动态观察和仿真模拟，主要包括以下方面： 投球调剖室内模拟装置流程的设计和模拟套管装置的设计与安装。 模拟不同地层条件与流量不同时的封堵情况，分析不同油层的渗透率级差和流 量下的调堵球封堵炮眼的概率。 分三种情况模拟不同的流量条件下，分析投球位置与流量分布的关系，包括： 注水管插到小套管项部实验 注水管插到小套管中部实验 注水管插到小套管底部试验 根据实验模拟数据，分析不同工况下的最佳投球总数和最佳的投球位置。 按最优的实验参数和实际注水井的参数进行投球调剖模拟试验，对整个过程进 行多次模拟，观察试验现象，总结实验规律，指导现场实际注水。 ( 3 ) 调堵球在井筒中的运动规律研究 通过数值模拟，对注水井井筒中的流场和调堵球的运动规律进行分析，主要包括以 下几个方面： 模拟不同地层条件下调堵球的运动轨迹，观察各层渗透率级差对调堵球运动规 律的影响： 模拟不同注入条件下调堵球的运动轨迹，分析不同流量和投球位置对调堵球运 动规律的影响； 与仿真物理实验进行对比，优化数值模拟模型和参数，指导其它复杂工况井的 数值模拟。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章投球调剖技术理论分析和计算 投球调剖工艺技术的难点在于分析小球在井筒的流动特点，通过投球数量、投球位 置、注入流量、小球密度等参数的调节达到对小球在井筒内的流动进行控制，使其在不 同的工况下达到最好的封堵效果。本章在理论分析和数值模拟计算的基础上，通过流场 和附加阻力计算，分析封堵机理和注入方式。 2 1 理论上的可行性分析 2 1 1 炮眼附近流场分析 调堵球能否封堵炮眼除了与调堵球自身的几何与物理性质有关之外，还与炮眼附近 ( 特别是炮眼上游) 的流场情况密切相关。 根据注水工艺的实际情况，炮眼附近的流场可以归结为图2 1 所示的两种典型情况： 注水在井筒中向下流经炮眼； 注水在环腔中向上流经炮眼【1 5 1 。 利用f l u e n t 软件对炮眼附近流场进行模拟流动分析，得到不同注入条件和地层条件 下炮眼附近各点水流速度向量即水流方向和流速大小，求得封堵几率最大的水流条件。 采用s i m p l e 算法，入口边界条件定义速度入口，出口为自由出流o u t f l o w ，可以定义分流 比，数值求解注水的流动控制方程，可得出注水环腔和炮眼附近的流场分布，如图2 - 2 一 图2 5 t 1 6 1 。 a 2 l i ) 3 ( 2 ) 图2 1 注水流经炮眼的情况 f i 9 2 - 1 s i t u a t i o no ff l o o d i n gt h r o u g hb o r e h o l e 9 第= 章投肆调剖技木4 论分析和计算 图2 2 02 m b 流速下炮服附近的流场 n 9 2 - 2f l o w f i e l dn e a r b o r e h o l e i n v e l o c i t y 图2 - 3 08 m s 流速下炮眼附近的流场 f i 醇- 3f l o w f i e l d b o m h o l e i n v e l o c r y 引 引 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 调堵球在很大的空间范围内都受到炮眼的吸引，封堵炮眼的几率将大大增加：调堵球在 流过炮眼后还可能在回流区内流体的作用下调转方向，被“吸”回到炮眼上。 根据上述对注水流场的计算结果判断，侧钻井中用调堵球封堵炮眼的方法是可行 的。 2 1 2 调堵球在注水井筒中的受力分析 调堵球在注水管路中的流动属稀相固液两相流。作用在球上的力可分为3 类： 与流体一调堵球的相对运动无关的力，包括惯性力、重力和压差力等； 依赖于流体调堵球的相对运动、沿相对运动方向的力即纵向力，包括阻力、附 加质量力和b a s s e t 力等； 依赖于流体调堵球的相对运动、方向与相对运动方向垂直的力即侧向力，包括 m a 朗u s 和s 啦n a i l 力等【1 7 1 。 取垂直向下为坐标正方向，如图2 6 所示，各种力的计算方法可列举如下【1 8 】： l 一【 崩图 图2 - 6 注水管中调堵球封堵的主要力 f i 9 2 - 6 m a i nf o r c eo i lt h eb a l ls e a l e r ( 1 ) 调堵球的惯性力e ，与加速度方向相反： e = i 1 删- 3 作l ( 百d u p ) 式中萨一调堵球直径，m ； ( 2 - 1 ) 力 立 一l 第二章投球调剖技术理论分析和计算 p 厂调堵球的密度，k g m 3 ； 够厂调堵球的速度，m s 。 ( 2 ) 调堵球的自身重力g ，方向垂直向下： g = 邮= 翮3 邮 式中巧一调堵球的体积，m 3 ； r 重力加速度，州s 2 。 ( 3 ) 压差力( 广义浮升力) ，方向垂直向上： = - ( 沪( 妾) = 一( 护船 式中p 广流体的密度，k g m 3 。 ( 4 ) 调堵球受到的阻力b ，阻碍调堵球与流体的相对运动： 霉= c 三矗2 鲁- ( c - - u p ) 2 式中c l 阻力系数，无因次； l l p 流体的轴向速度，m s 。 在低速连续流体中是r e y n o l d s 数r e 的函数。 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中a 一注入水的动力粘度； 夕，丘一待定系数和指数，无因次。 ( 5 ) 调堵球在炮眼附近的径向推力 假定炮眼直径为磊，高渗透层井段的炮眼个数为船，且均布于直径为d 、长度为工 的套管四周壁面上，每一炮眼中的流速均为材口= 罴，由甜= 盖可知，远离炮眼的 井筒壁面径向流速为= 善，根据伯努利方程，当调堵球处于炮眼附近时，其内外 9 r d l 压差为： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 廿= 譬一“；) 式中炮眼处的流速，m s ； “广井筒中流体的径向流速，m s 。 因此，调堵球受到的径向推力为： f = 肚三彰= 譬( 旷2 咖 ( 2 - 6 ) ( 6 ) 附加质量力，乙：调堵球作加速运动时会带动周围部分流体作加速运动，这种效 应相当于给调堵球增加一个附加质量，可由式( 2 7 ) 计算： = 最) 积3 瞄 q 一乃 式中，孝为相对加速度，单位m s 2 ，定义为： f = ( 如么) 一( 吆) ( 2 - 8 ) ( 7 ) b a s s e t 力兄：流体对调堵球的作用力不仅依赖于当时调堵球的相对速度( 阻力部 分) 和相对加速度( 附加质量力) ，还依赖于调堵球在这以前的运动历史，这种效应所产生 的力& p b a s s e t 力： = 睁2 慨) 南 ( 2 - 9 ) 式中气一启动时间，单位s 。 ( 8 ) m a g n u s 力凡：若调堵球以角速度c o 旋转而且旋转轴垂直于相对速度，则调堵球 在受到纵向阻力作用的同时还受n - - 个垂直于相对速度及旋转轴的侧向力，其方向与 ( u 。一“p ) 、c o 构成右手系，这就是m a g n u s 力，其大小计算： = ( 丢) 翮3 成功o 。哗) c 2 枷， 式中咿一调堵球的角速度，r a d s 。 ( 9 ) s a f f i n a n 力b ：若流场内有速度梯度d u 。咖( 如在固体壁面附近) ，则调堵球将 1 3 第二章投球调剖技术理论分析和计算 受到另外一个附加侧向力，即s a 觚a i l 力该力沿y 方向，正负号取决于 。一甜p ) 幽。d ， 大小为： f , = 1 6 2 d 2 0 5 “归0 5 根据上述受力分析，分析调堵球在井筒中的运动情况，可以分为两部分，即调堵球 在注水管柱和井筒中的轴向运动和炮眼附近调堵球的径向运动： ( 1 ) 调堵球在注水管柱和井筒中的轴向运动 通过投球装置进入注水管柱的调堵球，受到重力、液体浮力以及水流动力的作用而 向下作加速运动。第一阶段的加速运动：随着调堵球速度的提高，水流对它的推动力越 来越小，当调堵球的速度达到水流速度时，水流推动力为0 。第二阶段的加速运动：调 堵球在重力作用下继续加速( 假定调堵球收到的重力大于浮力) ，这时水流对调堵球的运 动起阻碍作用。第二阶段加速运动完成后，调堵球便一直处于等速运动状态。 由n e w t o n 第二定律，得到调堵球在第一阶段的运动方程： 詈司( 岛一p ) g s i n a + c 三刃詈( v v 。) 2 = 詈刃p s 警( 2 - 1 2 ) a tozo口r 式中 岛一调堵球的密度，k g m 3 ； 户注入水的密度，k g m 3 ； 或一调堵球的直径，m ； 1 ，调堵球的下沉速度，m s ； c l 调堵球绕流阻力系数，无因次； 口井斜角，度。 对于定常流动，誓= v ，鲁，整理得： 三1，堕：堕2【二羔)zr+sin口】(2-13)d g 一岛扒v o 71 式中l 调堵球的加速运动距离，m 。 1 ，。一调堵球的自由沉降速度，r n s 。 这时调堵球在注水管柱中第一阶段的沉降运动微分方程。对于上式积分可得到调堵 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 球第一阶段的加速运动时间和距离。由于调堵球属于大颗粒物体，它在水中的运动处于 湍流绕流状态，及运动在n e w t o n 阻力区，t = 0 。 调堵球在第二阶段的加速运动速度1 ，。 ，液流对调堵球起阻碍作用，这使得力 平衡方程为： 詈刃( 岛一p ) g s i n g t - - c 三刃i p ( v - - 叱) 2 = 詈刃成车( 2 - 1 4 ) a toqzo 类似第一阶段的加速运动分析，可得到调堵球在第二加速阶段的沉降运动方程： 考匕鲁= 一警t 呼) 2 - r s i n 口， p 坳 ( 2 ) 调堵球在井筒中的水平运动 如果进入高渗透层的流体流量为q ，则井筒中的流体径向速度为： 材：旦 2 刀正厶l u l o 式中卜讲筒中流体径向速度为甜处的半径，m ； l 一高渗透层井段的长度，m 。 在这一流速的流体推动下，调堵球将向套管壁面作径向运动，这时的受力系为： c 三印詈。一豁，) 2 = 詈刃反警( 2 - 1 6 ) 式中 “。井筒中半径为r 处的调堵球径向运动速度，m s 。 2 1 3 调堵球在注水管中运动状态分析 受注水的影响，调堵球沿注水管下降到一定位置后，在注水管出口处会有两种去向： 继续随注水下降并进入井筒，或反向上升进入环腔。根据调堵球可能存在的位置可将其 运动状态分为以下几种典型情况。 ( 1 ) 在井筒下降流中。此时调堵球的运动情况与在注水管中的类似，调堵球的下降 运动缘于注水的携带，因而z p 如。由于注水在下降过程中不断通过炮眼流入油层，下降 流速逐渐减小，调堵球的下降速度也随之逐步减小，最后接近于0 ；因为炮眼附近的拉 拽力，使得调堵球在炮眼附近做径向运动，靠近炮眼，侧钻井中，由于浮力、重力、运 动阻力和拉拽力不在条直线上，径向运动与井斜角有关，井斜角越大，拉拽力影响越 明显，侧钻井正有利于调堵球在炮眼附近的靠贴，若附近没有炮眼，调堵球可能处于悬 第二章投球调剖技术理论分析和计算 浮状态；若附近的炮眼已被堵上，但炮眼上的注水流量并不为0 ，则有可能在同一炮眼 上吸附两个调堵球。 ( 2 ) 在注水油管出口，当调堵球密度小于注水密度，艮p p c p r ，调堵球进入环腔上升 的几率增大，如果有较大的向上的液流惯性力影响，调堵球将在浮升力和注水的携带作 用下持续加速上升；随着注水流入油层，上升流量逐渐减小，调堵球的加速度亦减小； 但是浮力的作用始终使调堵球的速度高于注水速度，如果调堵球不能被炮眼吸附，将上 浮到油层上方，成为无效球。同理调堵球密度大于注水密度，p p p c ，调堵球进入井筒 下降的可能行较大。通过密度调节可以对调堵球的封堵层进行控制，但同时也会增加无 效球的概率。 ( 3 ) 由于环空体积较小，调堵球进入环空上升的概率较小，进入环空后由于运动空 间有限，流速较大，滑脱力较大，调堵球不易封堵。 ( 4 ) 调堵球被炮眼吸附。在这一过程中，调堵球随注水主流纵向运动的同时受到侧 向力的作用而开始横向移动，向炮眼靠近；这时调堵球改变炮眼附近的流场状况，调堵 球的受力状况也随之改变。这是一个非稳态过程。需要对调堵球的受力和运动过程进行 动态分析。 ( 5 ) ) 注入量也是决定调剖成功的关键因素。要使调剖球沉降、平移，并在内外压差 下进入炮眼，承担输送调剖球任务的注入流体，必须有合适的流量，否则会出现稠剖球 进入炮眼的概率减小，或者调剖球的牢固性变差。 2 1 4 小结 通过投球调剖技术在侧钻井注水中应用的可行性分析，认识到影响调堵球封堵情况 的主要原因是炮眼附近流场情况，根据流场分析和调堵球的受力分析，可以清楚的看到 影响流场的主要参数是注水流量、射开各层的渗透率级差、注水方式和位置。论文将通 过数值模拟实验对影响因素的影响机理进行分析计算。 2 2 注入方式的分析 根据不同的井身结构特点，进行利用9 5 r a m 小套管注水和采用特种小油管插入套管 注水方式的可行性研究【l 射。主要通过流体力学和注水附加阻力的计算，建立管流模型， 确定管流形态，并对比技术的先进性、可操作性和经济性，确定合理的注水方式。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 1 是一口典型侧钻井分层注水的参数表，开窗位置、井斜角、各层位置、配注 量都已知，为其选择合理的注水方式。 表2 - 1 河6 8 - 侧斜3 1 4 井的数据资料 t a b l e 2 1d a t eo f w e l l 河6 & 侧斜3 1 4 待转注井号：!呵6 8 - 侧斜3 1 4 完钻井深，m 2 3 1 5 0 人工井底，m 2 2 9 9 0水泥返高m 1 6 0 8 5 原井套管 13 9 7 * 7 7 2 * 2 5 5 0 2 3油补距 侧钻套管 9 5 。3 * 6 。5 0 * 2 31 4 。9 9 尾管顶m 1 6 0 8 5 0 开窗井段，m 1 7 0 6 0 1 7 2 0 0 悬挂器m 1 6 0 8 5 0 - 1 6 0 8 7 0 最大井斜度 3 4 3 9 深度m1 9 7 2 0 2配注m 3 d 1 0 0 射开层位1 沙二1 4井段厚度m2 0 8 5 5 - 2 0 8 8 9 3 4 渗透率 9 0 8 2 2 3 孔隙度泥质含量 1 0 dl im 2 射开层位2 沙二2 4并段俘度m2 1 2 8 0 - 2 1 3 2 4 4 4 渗透率 4 5 9 4 2 5 孔隙度泥质含量 l o 3i im 2 射开层位3 沙二3 1井段厚度m2 1 3 5 3 2 1 3 7 1 1 8 渗透率 5 0 9 0 2 8 孔隙度泥质含量 1 0 - 3um 2 图2 7 是根据上表数据绘制的河6 8 。侧斜3 1 4 井的草图，可以看出大套管，侧钻部 分小套管和插入的小油管的相对位置和尺寸，根据这些数据，利用工程流体力学知识， 定义流体在不同注水方式下的流态，计算沿程水头损失，比较其差距及经济可行性【1 9 1 。 1 7 第二章投球调削技术理论分析和计算 图2 7 河6 8 侧斜3 1 4 井注水草图 f i 9 2 7w a t e rf l o o d i n gd r a f to fw e l l 河6 8 - 侧斜3 1 4 2 2 1 河6 8 侧斜3 1 4 井的数据整理 设原始套管即大套管的直径为d 艚，侧钻段的套管即小套管的直径为d 悖，插入的 注水小油管的直径为d 蔚，注入量为矿芷，大套管的横截面积为s 船，小套管的横截面积 为s 币和油管的横截面积为s 艚小套管和油管之间的环空的面积为s 和顶部到侧钻开 窗点的距离为h l = 1 7 0 6 m ，开窗点到油层的位置h z = 5 4 6 m 。 根据当量半径原理： 灭旷垒：竺! 墨奎二亟三：尘! 奎二当：8 一 x 4 万( d 小套+ d 油) 4 v 萨二坠= o 3 4 9 3 m s s 晖 舶萨丝：0 5 5 9 1 0 4 2 0 0 0 根据以上数据，我们可以整理井筒中不同位置的雷诺数，进而判断各个位置的流态， 如表2 2 所示。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2 流态判断表 t a b l e 2 - 2 r e g i m eo ff l o wj u d g e m e n t 套管 油套环空 油管 雷诺数 1 1 9 1 0 4o 5 5 9 1 0 42 9 5 1 0 4 流态紊流紊流紊流 2 。2 2 圆管紊流模型和沿程水头摩阻计算公式 流体流动中永远存在质点的摩擦和撞击现象。指点摩擦所表现的粘性，以及质点发 生撞击引起运动速度变化表现的惯性，是流动阻力的根本原因。在实际工程管路中，我 们把直管段的流体流动阻力称为沿程阻力，所引起的水头损失称为沿程水头损失，用 l l f 表示，把通过管件所引起的水头损失称为局部水头损失，用h j 表示，一般输油管和 输水管中，沿程水头损失是主要的，通常约占总损失的9 0 。 管路中能量消耗反应为比能损失，形成管路内的压降p 。根据理论和实验分析， 影响压降的因素有d 、p 、j 、v 、三、等等。各物理量的符号及因次，如表2