近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验设计及装置_陶世林.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-04-20 修改日期：2023-07-09 基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目（52004259）作者简介:陶世林（1996），男，四川资阳，博士研究生，主要研究方向为油气钻采，taoslcug.edu,cn。通信作者:于晓聪（1981），女，山东平度，博士，副教授，主要研究方向为热力采油、油气采收效率，。引文格式:陶世林，阚长宾，胡俊卿，等.近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验设计及装置J.实验技术与管理,2023,40(11):155-160.Cite this article:TAO S L,KAN C B,HU J Q,et al.Design and device of visual simulation experiment for intelligent plugging of near-water density blocking ballJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):155-160.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.023 近水密度调堵球智能封堵可视化 模拟实验设计及装置 陶世林1，阚长宾1，胡俊卿2，白文广2，杨炎鑫1，于晓聪1（1.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074；2.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163458）摘 要：近水密度调堵球注入工艺受井筒工作液密度、流体流速和井斜角等因素的影响，导致密度窗口调整精度低，进而造成调堵球的井筒坐封困难以及调堵措施有效率低。根据现场工况，研制了近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验装置，可准确模拟近水密度调堵球不同工况下的封堵率。实验结果表明：近水密度调堵球运移携带液体的最佳流速为 12.2015.70 L/min，单一密度调堵球封堵率较低，仅在水平井工况可实现60%80%的封堵率；复合密度调堵球适用于不同井斜工况，炮眼封堵率可达到 100%。该装置的模拟工况与现场施工工况符合度高，可为油田生产中注水、酸化等调堵措施的工艺参数设计提供指导。关键词：近水密度调堵球；封堵效果评价；设计密度窗口；可视化实验 中图分类号：TE358；TE357 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)11-0155-06 Design and device of visual simulation experiment for intelligent plugging of near-water density blocking ball TAO Shilin1,KAN Changbin1,HU Junqing2,BAI Wenguang2,YANG Yanxin1,YU Xiaocong1(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.Daqing Oilfield Limited Company,Petro China,Daqing 163458,China)Abstract:The injection process of near-water density plugging ball is affected by the density of wellbore working fluid,fluid velocity and well inclination.As a result,the adjustment precision of the density window of the plugging ball is low,which leads to the wellbore setting difficulties of the plugging ball and the low efficiency of plugging control measures.In this paper,according to the field conditions,the near-water density adjusting plugging ball intelligent blocking visualization simulation experiment device is developed,which can accurately simulate the sealing efficiency of the near-water density adjusting plugging ball under different working conditions.The experimental results show that:the best flow rate of near-water density adjusting plugging ball is 12.20 15.70 L/min,and the sealing efficiency of single density adjusting plugging ball is lower,and it can realize 60%80%sealing efficiency only in the horizontal well working condition.Compound density adjustable plugging ball is suitable for different well inclination conditions,and the sealing efficiency of the borehole can reach 100%.The simulated working conditions of this device are in high compliance with the working conditions in the field,which can provide guidance for the design of process parameters of water injection,acidizing and other plugging measures in oilfield production.Key words:near-water density ball blocking;evaluation of plugging effect;design density window;visualization experiment 156 实 验 技 术 与 管 理 近水密度调堵球与井筒流体具有密度相似的特征，在注入流体的携带下，近水密度调堵球运移至井筒炮眼，可实现智能调堵1-3。该技术已在常规油藏大斜度井注水4-6、污染油层选择性酸化7-8和非常规油藏水平井簇间转向压裂等增产措施的应用中取得了较好的效果9-11。该技术的核心目标是实现调堵球高效封堵炮眼，并达到暂堵的效果12-13。在实际工程中，坐封率受不同井况和注入参数的影响，需开展室内实验研究。如：文献1416基于调堵球作业过程中的运移规律及坐封过程中的力学分析，建立了理想状态下调堵球在井筒中的运动模型，并分析了调堵球密度、流体注入排量和黏度对其运动状态的影响；文献17提供了单球和多球的运移模型；文献18研究了直井段堵球运移规律；文献19通过分析调堵球的力学性质，建立了堵球在井下的运动方程。然而，理论模型无法准确模拟实际工况下不同密度窗口、流体注入参数和井斜参数下对调堵球坐封率的影响规律，且无法有效指导调堵球的现场工艺设计。在调堵球评价实验装置方面的研究有：文献20发明了一种多簇射孔压裂调堵球可视化运移模拟实验装置，可模拟在水平井或垂直井压裂过程中的调堵球运移规律；文献21发明了一种用于模拟水平井暂堵压裂的模拟装置，可评价暂堵射孔炮眼前后流体变化、调堵球的运移轨迹等参数；文献22发明了一种评价调堵球封堵性能的装置和测试方法，适用于模拟和评价水平井暂堵转向压裂效果。然而，现有的实验装置主要用于模拟水平井或直井压裂过程暂堵后的液流转向规律，无法研究不同井斜、不同井段对近水密度调堵球封堵率的影响规律。为明确不同井况和注入参数下近水密度调堵球封堵炮眼的情况，本文研发了一种近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验装置。1 实验原理 调堵球在井筒中不同位置运动状态下的受力分析如图 1 所示，其运动状态可分为 3 个阶段：阶段为调堵球在无射孔井筒段的运移；阶段为调堵球进入射孔井段封堵炮眼的过程；阶段为调堵球坐封炮眼后的状态。图 1 中，G 为调堵球所受重力；Ff为调堵球所受浮力；F1为调堵球在水平方向所受惯性力；Fz为流体在垂直方向对调堵球的拖曳力；Fh为调堵球所 图 1 调堵球在井筒中受力分析 受持球力；Fu为流体沿井筒方向对调堵球的脱落力；为井筒与垂线的夹角，表示井筒的井斜角。调堵球在无射孔井筒段的运动主要包括两个阶段：投球初期短暂的加速运动和长时间的匀速运动23。由于加速运动时间非常短，可忽略不计，因此本文仅考虑调堵球达到受力平衡状态时的匀速运动。当调堵球进入射孔井段后，受到射孔流场产生的拖曳力影响，受力平衡被破坏，导致调堵球向射孔处运移并最终坐封在射孔炮眼上。由于井筒中的流固流动属于稀疏固体流动，本文忽略附加质量力、Basset 力、Magnus 力、Saffman 力等影响。调堵球所受重力 G 为 3bb12Gdg=（1）式中，bd为调堵球直径，m；b为调堵球密度，g/cm；g 为重力加速度，m/s。调堵球所受浮力fF为 3fbl43Fdg=（2）式中，l为流体密度，g/cm。水平方向所受惯性力 F1为 32bb15c2 700d QFd=（3）式中，Q 为排量，m3/min；cd为套管直径，m。部分液体从射孔孔眼中流出，在垂直方向上对调堵球产生的拖曳力zF为 22lbz242oD7 200zfd QFn d C=（4）式中，zf为井筒对调堵球的阻力系数，无因次量；DC为流量系数，无因次量；n为炮眼数；od为射孔孔眼直径，m。当调堵球坐封在射孔孔眼上时，除受到重力和浮力外，套管内和地层之间的压力差也作用在调堵球上，形成的坐封力使调堵球密封孔眼。其中，持球力hF为 2ho4Fdp=（5）式中，p 为套管内与被封堵的孔眼外的压力差。筒内流体沿井筒方向对调堵球的脱落力 Fu为 2uzlb l12FfA v=（6）式中，zf 为调球坐封炮眼的阻力系数，无因次量；bA为调堵球坐封在炮眼处的横截面积，m2；vl为套管中流体流速，m/s。2 实验系统设计 近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验装置能够开展不同井筒参数（井斜角、井段位置、单个炮眼 陶世林，等：近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验设计及装置 157 吸液强度、炮眼直径）、流体参数（流体的密度、黏度、排量）、类型球（直径、密度）等因素对调堵过程影响的模拟实验。实验包括 5 个部分：循环注入系统、投球系统、井筒模拟系统、井型模拟系统和数据采集与参数控制系统（图 2），可确保测试的准确性和稳定性。注：1-循环注入系统；2-投球系统；3-压力表；4-安全阀；5-井筒模拟系统；6-排液口；7-井型模拟系统；8-数据采集与参数控制系统。图 2 近水密度球智能封堵可视化实验装置结构图 2.1 井筒模拟系统 2.1.1 材质选择 模拟套管和模拟油管采用高强度有机玻璃（PMMA）制成，主要成分为聚甲基丙烯酸甲酯。具有以下特点：透明度高，可实现实验过程的可视化；机械强度高；重量轻；易加工。设计可视化井筒模拟的实验工况为：系统耐压 5 MPa，流体流速范围 0100 m3/d，模拟管在 090可调，流体温度在 2080 可调。2.1.2 功能设计 为实现不同井筒和流体参数的近水密度球井筒调堵实验模拟，井筒模拟系统需具备 3 个功能：套管炮眼尺寸可调，满足现有不同炮眼尺寸（8、10 mm）下近水密度调堵球直径的需求；油管出口位置可调，适应不同注入部位对近水密度调堵球封堵的影响；模拟真实工况，选用的套管尺寸、油管尺寸与油田现场应用尺寸一致，炮眼尺寸、调堵球尺寸和流体注入速度等与油田现场工况相一致。2.1.3 结构设计 井筒模拟系统包括模拟可视套管、模拟油管、可拆卸式炮眼接头以及具有密封功能的模拟管上法兰和下法兰等，如图 3 所示。图 3 井筒模拟系统 设计了炮眼直径为 10 和 8 mm两种规格的模拟套管，模拟套管长度均为 2 m，内径均为 120 mm。在管壁上设计了 18 个螺旋分布的射孔炮眼，每米设有 16孔，上、下部分别预留 0.4 m。为安全起见，在模拟套管上安装了带视窗的钢箍。模拟油管使用同心法兰与模拟套管连接，模拟油管外径为 75 mm，内径为 60 mm，长度分别为 0.6、1.2 和 1.6 m，可设置于模拟套管的上、中和下部，用于模拟不同管柱结构。出口收球装置位于模拟套管底部，在井筒底部设计导角，通过变径套管向外延伸与三通连接。其中一个通道带有箭头方向标识，为排液出口；另一通道为取球通道。2.2 循环注入系统 注入循环系统包括储液罐、离心泵、入口管线和出口管线等部件。根据不同工况，配制不同密度、黏度的注入流体，置于容积为 2.5 m3的储液罐内；储液罐配备温度调控装置，用于预加热注入流体，加热控制温度范围为 2080；在储液罐中，离心泵为循环系统提供给水压力；储液罐循环管线采用钢丝软管制成，入口管线连接投球系统，由流量控制阀控制注入排量。投球系统连接井筒模拟系统，而出口与储液罐连接，实现模拟液体的循环利用，节能减排。2.3 投球系统 投球系统通过钢丝软管连接入口管线和井筒模拟系统。投球系统设计了两条管道：一条为液体流通管道；一条为投球管道。投球管道与流通管道并连，投球管道两侧均安装球阀，用于控制其开关，在投球管道的中间部分加装三通，同时在三通上外接一个球阀，用于控制投球通道的开关，实现对投球数量和速度的控制（图 4）。图 4 投球系统结构示意图 2.4 井型模拟系统 井型模拟系统用于调整井筒模拟系统的角度，以实现近水密度调堵球在不同工况下（直井、大斜度井、水平井等）的实验模拟。该模拟系统包括模拟管支架及转动副、导轨及传动机构、电机及减速机构、立式支架及立式轨道、控制电路及控制面板等。158 实 验 技 术 与 管 理 模拟管支架及转动副设计了刚性支架和转动装置，方便模拟管在不同位置的转动和支撑。导轨及传动机构主要由导轨、滑块、丝杠及丝杠螺母、滑台等部分组成，用于牵引模拟套管，实现角度模拟，同时可以调整井斜角模拟不同工况。电机及减速机构主要由直流电动机、减速箱和联轴节等部分组成，可控制模拟套管处于不同位置，以便进行角度模拟。立式支架及立式轨道主要由立式框式支架、工字钢轨道灯和挡板组成，主要用于支撑模拟套管，并垂直支撑其支架。控制电路及控制面板采用 A3 钢板喷塑加工而成，主要用于控制井筒模拟管角度的供电和位移。2.5 数据采集与参数控制系统 监测控制系统用于监控和控制实验过程中注入流体流速、流体注入压力和炮眼吸水强度等参数，并输出数据，分析不同工况下近水密度调堵球的封堵率。该系统包括流量控制器、流量计、计算机及流量采集软件。流量控制器位于入口管线、每个炮眼出口和出口管线处。入口管线处的流量控制器可调节整个实验的泵入排量，炮眼上的流量控制器可调节炮眼吸水量，出口管线处的流量控制器可调节出口排量，以模拟不同井段的情况。流量计与流量控制器连接，用于监测井筒泵入排量、每个炮眼吸水量和井筒排出流量，并采集每个流量计的数据。流量采集软件用于实时监控和记录井筒及炮眼的流量。3 实验测试与分析 3.1 实验方法 基于近水密度调堵球现场实施工况和实验装置功能特点，设计近水密度调堵球的实验测试方法。具体步骤如下。（1）前期准备。检查设备各模块运行稳定性和模拟套管的密封性；关闭投球阀门和取球阀门，加注实验流体到储液罐，并设置实验流体温度；准备所需类型和数量的实验用球；打开软件采集系统。（2）设置井型参数。调整模拟套管与垂线的夹角，模拟所需的井斜角，根据实验需求调整油管下入深度。（3）注水。根据实验需求设定注水速度和炮眼吸水强度，开启水泵注水，并采集炮眼流量、中心管流量和注入口流量数据，待管内空气排出，流量稳定后准备投球。（4）投球。按照实验计划，通过投球系统投放调堵球。（5）记录调堵球在井筒的运移情况和坐封情况，以及封堵后炮眼吸水量数据。（6）井筒排液。连接井筒底部出口与储液罐，实验结束后关闭水泵，排尽井筒中的液体。（7）收球。打开取球通道阀门，取出投放的调堵球。实验调堵球可循环利用，以便进行下组实验。3.2 实验结果与分析 以辽河油田金海采油厂 X 块储层注入水为模拟水，配制与储层温度下地层水密度相似的携带流体（0.998 g/cm3）。选取密度为 0.987、0.999、1.008 和1.013 g/cm3调堵球开展近水密度调堵球封堵实验评价。设计了 10 组实验研究调堵球在井筒中的坐封情况，实验方案如表 1 所示，研究流体注入速度、井斜角和调堵球密度等因素对封堵效率的影响。实验组 15 研究调堵球密度对封堵效率的影响；实验组 69研究井斜角对封堵效率的影响；实验组 10 讨论流体黏度对封堵效率的影响。表 1 实验设计方案 实验编号注入排量/(Lmin1)调堵球密度/(gcm3)流体黏度/(mPas)井斜角/()1 025 0.987 1 90 2 025 0.999 1 90 3 025 1.008 1 90 4 025 1.013 1 90 5 025 0.987、0.999 1 90 6 025 0.999 1 0 7 025 0.999 1 30 8 025 0.999 1 60 9 025 0.999 1 90 10 025 0.999 150 0 3.2.1 流体流速对炮眼封堵率影响 选取与流体密度差值为0.011 g/cm的调堵球，开展不同流体流速（7.320.4 L/min）和井斜角度工况下的模拟实验，包括 0（与地平面垂直，模拟直井）、30、60、90（与地面平行，模拟水平井）。通过研究调堵球对炮眼封堵率的影响，确定调堵球的合理流体流速，实验结果如图 5 所示：随着流体注入速度的增大，封堵率先增大后减小。当流体流速小于 12.2 L/min 时，炮眼对调堵球的拖曳力较小，导致流体无法将调堵球携带至井筒下部炮眼位置，只能封堵井筒上部炮 图 5 不同流体流速对调堵球封堵率的影响 陶世林，等：近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验设计及装置 159 眼，封堵效率较低；当流体流速大于 15.7 L/min 时，调堵球速度超过了炮眼的调堵球的拖拽力，导致整体的封堵效率降低；而当流体流速在12.215.7 L/min时，流体对调堵球具有较好的携带作用，既能将调堵球携带至炮眼，又不会因速度过快而导致调堵球无法坐封。因此，设计调堵球现场实施注入参数时，建议注入流速为 12.2015.70 L/min，如油层长度较长，建议实时分段调堵，可提高调堵球的封堵率。3.2.2 不同井斜角对炮眼封堵率影响 在流体流速为 15.7 L/min 时，研究不同井斜角度工况下不同密度的调堵球对炮眼封堵率的影响，实验结果如图 6 所示：随井斜角度的降低，不同密度调堵球的封堵率均呈下降趋势。在井斜角为 90时，对调堵球的密度窗口要求最宽松，0.0110.015 g/cm的调堵球都可实现 60%及以上的封堵率；而在井斜角为 0时，对调堵球的密度要求最严格，仅有0.011 g/cm的调堵球才能达到 40%的封堵率。原因是在井斜角为90时，若 bl，则受重力作用下沉，调堵球主要封堵下部炮眼；若 bl，则受浮力作用上浮，调堵球主要封堵上部炮眼；若 bl，调堵球随携带流体封堵炮眼，受重力及浮力影响较小，封堵率最高。在选择单一密度调堵球封堵时，水平井的密度窗口最大，优先选择与流体密度相近的调堵球，可实现封堵率最高；在有一定井斜角的定向井中，调堵球密度略低于携带流体的密度，可实现较高的封堵率。图 6 不同井斜角对调堵球封堵率的影响 3.2.3 混合封堵 近水密度调堵球可通过合理的密度窗口在特定的工况下实现智能调堵，实验发现，当 bl时，调堵球受重力影响较大，主要封堵管柱下方的炮眼。因此，针对定向井单一调堵球封堵率低的问题，可采取组合封堵的方式，即使用不同密度的调堵球组合投球，以提高调堵球对炮眼的封堵率。在组合封堵实验中，选择了两种封堵率较高的调堵球，密度为 0.987 g/cm3（与流体密度差为0.011 g/cm）和 0.999 g/cm（与流体密度差为 0.001 g/cm），在 30井斜角下进行了封堵实验评价，并选择最佳组合开展不同井斜角实验评价。实验结果如图 7 和图 8 所示。从图 7 可以看出，在井斜角为 30时，单一密度调堵球的最高封堵率为 42%。然而，使用组合密度的调堵球后，炮眼的封堵率大幅提高，当 n0.001n0.011=12时，封堵率最高，达 83%，较单一密度调堵球封堵率，提高了 41%。图 7 不同复合球比例对调堵球封堵率的影响 在图 8 中，当组合密度 n0.001n0.011=12 时，调堵球在不同井斜角工况下的封堵率也有大幅提升，均超过 60%，当井斜角超过 60后，炮眼的封堵率超过90%，在井斜角为 90时，炮眼封堵率达 100%。因此，在近水密度球调堵工艺中，建议现场应用的密度窗口范围为0.0110.001 g/cm。图 8 不同井斜角下调堵球封堵率 3.2.4 流体黏度 选用直径为 14 mm、密度为 0.999 g/cm的调堵球，开展不同井斜工况和不同流体黏度（150 mPas）工况对炮眼封堵率的影响实验，结果如图 9 所示：随着流体黏度的增加，封堵率也会增加。结合调堵球受力分析，其原因为流体黏度增大，炮眼对调堵球的拖曳力迅速增大，调堵球坐封概率显著增大。因此，建议在现场施工时，适当增大注入流体的黏度。160 实 验 技 术 与 管 理 图 9 不同流体黏度调堵球封堵率 4 结语 本文设计了一种近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验装置，能够准确模拟不同工况下近水密度调堵球的封堵率，为油田增产措施（如注水、酸化、压裂等）的调堵工艺设计提供指导。本文还进行了调堵球封堵率的主要影响因素实验，并基于可视化实验模拟结果，实现了近水密度调堵球注入工艺的优化设计，可有效提高调堵措施的效率，同时减少注水、化学驱等流体的无效注入，实现油田注水增产的绿色、低碳和高效开发。参考文献(References)1 WANG D,WANG X Z,LIU G Z,et al.A 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