基于水力喷射泵携砂采油的方法与流程

本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及一种基于水力喷射泵携砂采油的方法。

背景技术：

随着我国大部分油田不断深入的开发，油井的含水量逐年上升，地层的压力逐渐下降，放大压差生产，造成地层出砂严重。目前针对出砂油井，主要有两种采油方法：防砂采油和携砂采油。相对于防砂采油，携砂采油是采用一定的方法将油砂混合液一起排出地表，无需采用防砂装置，不仅适应于含有粗砂的油井，也适用于含有细砂的油井。水力喷射泵负压冲砂技术是携砂采油方法中常用的技术，该技术利用水力喷射泵强制排砂原理，通过使用冲砂泵车作为动力，连续冲砂，仅仅依靠负压将井筒内砂子排出，达到排砂的目的，不污染油层。

在现有的水力喷射泵负压冲砂技术中，通过将动力液送至井下的水力喷射泵，水力喷射泵将其与地层液混合形成混合液并通过横截面积小的井下混合液管送至地面，保证混合液以远大于砂粒沉降速度的流速向上通过井下混合液管顺利排出地面。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

使用现有技术对出砂油井进行携砂采油的过程中，需要保证动力液管的横截面积大于混合液管的横截面积，从而使得混合液以远大于砂粒沉降速度的流速向上通过井下混合液管顺利排出地面。由于井下混合液管的横截面积变小，在油井出砂量少，产液量高的情况下，采用现有技术会导致油井泵效偏低。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种基于水力喷射泵携砂采油的方法。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种基于水力喷射泵携砂采油的方法，所述方法包括：

通过目标油井的井口装置的动力液进口以及井下动力液管，将动力液通过所述目标油井内的水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管以及所述水力喷射泵侧端的泵芯流道注入所述水力喷射泵内；

在所述动力液的注入压力作用下，将所述动力液注入所述水力喷射泵内所述泵芯流道上方的喷嘴和所述喷嘴上方的喉道，以在所述喉道内产生负压区；

在所述喉道内的负压区的作用下，将包含油的地层液通过所述水力喷射泵下端的尾管和泵吸入口吸入所述喉道内，以将所述地层液与所述动力液进行混合得到混合液；

在所述动力液的注入压力和注入排量作用下，将所述混合液从所述喉道内注入所述喉道上部的扩散室和所述扩散室上部的所述水力喷射泵的内管，以排出地面。

可选地，当所述目标油井的含砂量大于指定阈值时，所述目标油井的井筒套管内径为第一指定内径，所述水力喷射泵的内管的内径为第二指定内径；或者，

当所述目标油井的含砂量小于或等于指定阈值时，所述目标油井的井筒套管的内径为第三指定内径，所述水力喷射泵的内管的内径为第二指定内径，所述第一指定内径大于所述第三指定内径。

可选地，所述动力液的注入压力为指定注入压力，所述指定注入压力为基于所述喷嘴与所述喉道之间的横截面积之比、所述尾管的长度以及所述泵吸入口与所述井口装置之间的距离确定得到。

可选地，所述喷嘴与所述喉道之间的横截面积之比为基于所述目标油井的动液面深度、井口回压及最大泵效情况下的流量比确定得到。

可选地，所述的动力液的注入排量为指定注入排量，所述指定注入排量为基于所述泵吸入口的地层液流量、所述动力液的注入压力、所述泵吸入口的地层流压及所述水力喷射泵出口混合液的压力确定得到。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

将动力液通过目标油井内的水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管以及水力喷射泵侧端的泵芯流道注入水力喷射泵内，并在喉道内的负压区的作用下，将包含油的地层液通过水力喷射泵下端的尾管和泵吸入口吸入喉道内，以将地层液与动力液进行混合得到混合液，然后将混合液从喉道内注入喉道上部的扩散室和水力喷射泵的内管，以排出地面。由于目标油井一般具有出砂现象，也即是，将动力液与地层液混合之后形成的混合液中含有砂，通过本发明实施例提供的方法，将包含砂的混合液通过水力喷射泵的内管排出地面，而不是通过水力喷射泵侧端的泵芯流道和水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管排出地面，且一般水力喷射泵的内管的横截面积小于水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管的横截面积，混合液流经的管道的横截面积变小了，从而增大了混合液的流速，提高了系统的携砂能力。另外，在与现有技术的井筒套管的横截面积相等的情况下，本发明实施例提供的方法可以提高混合液的流量，增加了系统的采油量，从而提高了油井泵效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种水力喷射泵结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于水力喷射泵携砂采油的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在对本发明实施例进行详细的解释说明之前，先对本发明实施例的研究背景进行介绍。随着油田开发进入中后期，油井出砂现象日趋严重。针对油井出砂现象，现有技术主要有防砂采油技术和携砂采油技术，但是单纯的防砂采油技术必然造成油井产量下降，甚至供液不足，因此携砂采油技术逐渐受到人们的青睐。携砂采油技术是在短期内将近井地层内未胶结的游离砂强行排出地面，形成相对清洁的井壁。水力喷射泵负压冲砂技术是携砂采油技术中常用的技术，水力喷射泵负压冲砂技术利用高压水作为动力液来驱动井下装置，利用动力液的高压将地层液从地层吸入水力喷射泵内，并将动力液和地层液进行混合得到混合液，以在动力液的作用下，将混合液排出地面来达到采油的目的。使用现有技术对油井进行携砂采油的过程中，需要保证混合液以远大于砂粒沉降速度的流速向上顺利排出地面。由于在混合液流量一定的情况下，混合液的流速和混合液流经的管道的横截面积成反比，因此，在混合液流量一定的情况下，为了提高混合液的流速，需要减小混合液流经的管道的横截面积，而当混合液流经的管道的横截面积变小时，也即混合液流经的管道的体积变小，此时在油井出砂量少，产液量高的情况下，采用现有技术会导致油井泵效偏低。

因此，本发明实施例提供了一种基于水力喷射泵携砂采油的方法，通过将动力液从水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管和水力喷射泵侧端的泵芯流道注入水力喷射泵内，在水力喷射泵的喉道内与地层液混合以形成混合液，然后混合液经水力喷射泵的内管排出地面。由于油井一般具有出砂现象，也即是，将动力液与地层液混合之后形成的混合液中含有砂，通过本发明实施例提供的方法，将包含砂的混合液通过水力喷射泵的内管排出地面，而不是通过水力喷射泵侧端的泵芯流道和水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管排出地面，且一般水力喷射泵的内管的横截面积小于水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管的横截面积，混合液流经的管道的横截面积变小了，从而增大了混合液的流速，提高了系统的携砂能力。另外，在与现有技术的井筒套管的横截面积相等的情况下，本发明实施例提供的方法可以提高混合液的流量，增加了系统的采油量，从而提高了油井泵效。

图1是本发明实施例提供的一种水力喷射泵结构示意图，如图1所示，该水力喷射泵100包括泵芯流道101、喷嘴102、泵吸入口103、喉道104、扩散室105、水力喷射泵的内管106和水力喷射泵与井筒套管108之间的内外环空管107。其中，泵芯流道101位于水力喷射泵100的侧端，泵吸入口103位于水力喷射泵100的底端，喷嘴102位于泵吸水口103的上方，喉道104位于喷嘴102的上方，扩散室105位于喉道104的上方，且喉道104的横截面积小于扩散室105的横截面积，内管106位于扩散室105的上方，水力喷射泵与井筒套管108之间的内外环空管107是指井筒套管108和内管106之间的环形管道。

图2是本发明实施例提供的一种基于水力喷射泵携砂采油的方法的流程图，如图2所示，该基于水力喷射泵携砂采油的方法，包括以下步骤。

步骤201：通过目标油井的井口装置的动力液进口以及井下动力液管，将动力液通过目标油井内的水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管以及水力喷射泵侧端的泵芯流道注入水力喷射泵内。

进一步地，通过本发明实施例提供的方法采油之前，还可以通过如下步骤(1)-(2)来确定目标油井的井筒套管108的内径和水力喷射泵的内管106的内径：

(1)、确定目标油井的含砂量。

在油田开发的中后期，由于长期注水或注气开采破坏了储层骨架，造成油井出砂，或若油藏储层为疏松胶结砂岩时，油井也会出砂。油井出砂会产生砂埋产层，造成油井减产或停产；高速的砂粒，会加速地面和井下设备的磨蚀；同时出砂会导致地层亏空并坍塌，造成套筒损坏使油井报废。因此油井出砂，会造成油井产量搭建，作业成本激增，经济损失严重。同时根据油井含砂量的不同，需要采用不同的采油作业流程。因此，在对目标油井进行携砂采油的过程中，首先需要确定目标油井的含砂量。

含砂量为目标油井中砂粒粒径大于粒径指定阈值的砂粒的体积与该目标油井中的水、油和砂体积总和之间的比值。

需要说明的是，粒径指定阈值为预先设置的指定的砂粒粒径的值。比如，粒径指定阈值可以为200目、300目等等，本发明实施例对此不作具体限定。

例如，对于目标油井中的砂粒，若粒径指定阈值为200目，也即0.074μm，则含砂量为目标油井的砂粒粒径大于0.074μm的砂粒的体积与该目标油井产出的水、油和砂体积总和之间的比值。

目标油井的含砂量可以通过含砂量测试仪测试确定得到，含砂量测试仪是一种简单、可靠、有效和准确测试目标油井中含砂量的仪器装置，它使用滤网分解的方法确定目标油井中砂子的含量。

(2)、根据目标油井的含砂量，确定水力喷射泵的内管的内径和目标油井的井筒套管的内径。

本发明实施例中，动力液流经的管道为目标油井的井筒套筒108和水力喷射泵内管106之间的内外环空管107，混合液流经的管道为水力喷射泵的内管106，因此，通过水力喷射泵的内管106的内径和目标油井的井筒套管108的内径可以确定动力液和混合液流经的管道的横截面积。其中，该动力液的流量、动力液的流速和动力液流经的管道的横截面积三者之间满足如下关系，同理，混合液的流量、混合液的流速和混合液流经的管道的横截面积三者之间也满足如下关系：

其中，v为动力液或者混合液的流速，q为动力液或者混合液的流量，a为动力液或者混合液流经的管道的横截面积。

因此，在动力液流量一定的情况下，当增大动力液流经的管道的横截面积时，动力液的流速将降低，相应地，当减小动力液流经的管道的横截面积时，动力液的流速将上升。同理，在混合液流量一定的情况下，当增大混合液流经的管道的横截面积时，混合液的流速将降低，相应地，当减小混合液流经的管道的横截面积时，混合液的流速将上升。

基于上述描述，由于目标油井的含砂量是指目标油井的地层液中砂粒粒径大于粒径指定阈值的砂粒的体积与该地层液中的水、油和砂体积总和之间的比值，且目标油井是出砂油井，因此，当目标油井的含砂量较大时，混合液中含砂量也较大，为了提高系统的携砂能力，需要增大混合液的流速，为了增大混合液的流速，则应保证混合液流经的管道的横截面积小于动力液流经的管道的横截面积，以便混合液能够高速排出地面；而当目标油井的含砂量较小时，混合液的含砂量也较小，此时为了提高目标油井的产油量，只需混合液流经的管道的横截面积能够确保混合液中砂粒沉降的速度小于混合液排出的速度即可，无需混合液高速排出地面。因此，应根据目标油井的含砂量的不同，选择相应的混合液流经的管道的横截面积和动力液流经的管道的横截面积。

在本发明实施例中，动力液流经的管道为目标油井的井筒套管108和水力喷射泵内管106之间的内外环空管107，混合液流经的管道为水力喷射泵100的内管106；而现有技术中，动力液流经的管道为水力喷射泵100的内管106，混合液流经的管道为目标油井的井筒套管108和水力喷射泵100的内管106之间的内外环空管107。因此，针对于本发明实施例，选择混合液流经的管道的横截面积，也即选择水力喷射泵的内管106的内径，选择动力液流经的管道的横截面积，也即选择目标油井的井筒套管与水力喷射泵之间的内外环空管107的横截面积，也即选择井筒套管108的内径和水力喷射泵的内管106的内径。

具体地，根据目标油井的含砂量，确定水力喷射泵的内管的内径和目标油井的井筒套管的内径，可以包括以下两个方面：

第一方面：当目标油井的含砂量大于指定阈值时，目标油井的井筒套管内径为第一指定内径，水力喷射泵的内管的内径为第二指定内径。

指定阈值是指预先设定的具体的含砂量值，将指定阈值和目标油井的含砂量值进行比较，根据比较的结果，选择相应地目标油井的井筒套管108的内径和水力喷射泵的内管106的内径。具体地，当目标油井的含砂量大于指定阈值时，此时选择的井筒套管108的内径为第一指定内径，选择的内管106的内径为第二指定内径。

需要说明的是，第一指定内径和第二指定内径也是预先设置的，比如，第一指定内径可以为89mm、90mm等等，第二指定内径可以为48.3mm，49mm等等，本发明实施例对此不做具体限定。

例如，预先设定指定阈值为60％，当目标油井的含砂量大于60％时，此时目标油井的地层液中砂的体积比重大于地层液中油的体积比重，因此目标油井产油量较低，选择目标油井的井筒套管108内径和水力喷射泵的内管106的内径分别为89mm和48.3mm，也即，第一指定内径为89mm，第二指定内径为48.3mm。

经试验发现，在现有技术中，混合液流经的管道的横截面积，也即井筒套筒108和水力喷射泵的内管106之间的内外环空管107的横截面积为2702.84mm²；在本发明实施例中，混合液流经的管道的横截面积，也即水力喷射泵的内管106的横截面积为1831.3mm²。因此，本发明实施例中的混合液流经的管道的横截面积变小，并且由于在混合液流量一定的情况下，混合液的流速和混合液流经的管道的横截面积成反比，因此当目标油井的含砂量较大时，本发明实施例中混合液排出地面的流速明显高于现有技术中混合液排出地面的流速，从而提高了系统的携砂能力。

第二方面：当目标油井的含砂量小于或等于指定阈值时，目标油井的井筒套管的内径为第三指定内径，水力喷射泵的内管的内径为第二指定内径，第一指定内径大于第三指定内径。

例如，当目标油井的含砂量小于或等于60％时，此时目标油井的地层液中油的体积比重较大，因此目标油井的产油量较高，选择目标油井的井筒套管内径和水力喷射泵的内管的内径分别为73mm和48.3mm，也即，第三指定内径为73mm，第二指定内径为48.3mm。

因此，在目标油井含砂量小的情况下，在现有技术中，混合液流经的管道的横截面积，也即井筒套管108和水力喷射泵的内管106之间的内外环空管107的横截面积为1186.2mm²；本发明实施例中，混合液流经的管道的横截面积，也即水力喷射泵的内管106的横截面积为1831.3mm²。因此，本发明实施例中的混合液流经的管道的横截面积变大。由于在混合液流速一定的情况下，混合液的流量和混合液流经的管道的横截面积成反比，因此当目标油井的含砂量较小时，通过本发明实施例提供的方法可以增加混合液的流量，相应地，增加地层液的流量，从而增加了系统的产油量，提高油井泵效。

进一步地，将具有一定注入压力和注入排量的动力液注入井下动力液管之前，需要通过地面增压泵将动力液进行加压，地面增压泵为动力液加的压力即为动力液的注入压力。该动力液的注入压力一般为指定注入压力，且该指定注入压力为预先设定的动力液的注入压力，该指定注入压力和注入排量可以通过如下(3)-(5)的步骤来确定。

(3)、基于目标油井的动液面深度、井口回压以及最大泵效情况下的流量比，确定喷嘴和喉道之间的横截面积之比。

由于在水力喷射泵出厂时，每个水力喷射泵都设置有对应的特性曲线，而该特性曲线是用来表示采油过程中的流量比、压头比、泵效及水力喷射泵的喷嘴和喉道之间的横截面积之比四个参数之间的关系，因此，可以基于目标油井的动液面深度和井口回压，确定水力喷射泵的压头比，基于水力喷射泵的压头比，确定水力喷射泵的最大泵效，确定水力喷射泵在最大泵效下的流量比，根据水力喷射泵的压头比、最大泵效和最大泵效下的流量比，从水力喷射泵的特性曲线中，确定喷嘴和喉道之间的横截面积之比。

其中，基于目标油井的动液面深度和井口回压，确定水力喷射泵的压头比的操作可以为：基于目标油井的动液面深度，确定地层液在进入水力喷射泵的压力；基于井口回压，确定水力喷射泵喷嘴102下部的压力；基于地层液在进入水力喷射泵的压力和水力喷射泵喷嘴102下部的压力，通过如下公式确定水力喷射泵的压头比，

其中，在上述公式中，h为水力喷射泵的压头比，p1为水力喷射泵喷嘴102下部的压力，p2为事先对目标油井的采油装置中的液柱的压力测量得到，p3为地层液在进入水力喷射泵的压力。

其中，基于目标油井的动液面深度，确定地层液在进入水力喷射泵的压力，基于井口回压，确定水力喷射泵喷嘴102下部的压力的方法均可以参考相关技术，本发明实施例对此不再详细阐述。

需要说明的是，动液面是指目标油井在正常生产时，地层液在泵吸入口处的液面。动液面深度可以用井口到动液面的距离表示，也可以用油层中部到动液面的距离表示。

另外，井口回压是指在对目标油井采油的过程中，目标油井的地层液从地层上升到地面后的剩余压力，也即地面上地层液的压力，可以用地面油压表示。

再者，基于水力喷射泵的压头比，确定水力喷射泵的最大泵效，确定水力喷射泵在最大泵效下的流量比的方法可以参考相关技术，本发明实施例对此不再详细阐述。

(4)、基于喷嘴与喉道之间的横截面积之比、尾管的长度以及泵吸入口与井口装置之间的距离，确定指定注入压力。

其中，基于喷嘴与喉道之间的横截面积之比、尾管的长度以及泵吸入口与井口装置之间的距离，确定动力液的指定注入压力可以参考现有技术，本发明实施例对此不作具体限定。

(5)、基于泵吸入口的地层液流量、指定注入压力、泵吸入口的地层流压及水力喷射泵出口混合液的压力，确定动力液的注入排量。

其中，基于泵吸入口的地层液流量、指定注入压力、泵吸入口的地层流压及水力喷射泵出口混合液的压力，确定动力液的注入排量的方法可以参考相关技术，本发明实施例对此不做详细阐述。

本发明实施例中，根据已经确定的动力液的注入压力和注入排量，将该动力液通过井下动力液管注入与水力喷射泵100的内管106和井筒套筒108之间的内外环空管107，动力液在注入压力的作用下通过泵芯流道101进入水力喷射泵100内，动力液的流动方向如图1中的箭头方向所示。

步骤202：在动力液的注入压力作用下，将动力液注入水力喷射泵内泵芯流道上方的喷嘴和喷嘴上方的喉道，以在喉道内产生负压区。

动力液在注入压力的作用下，进入水力喷射泵的喷嘴102内，由于喷嘴102是锥形结构，该锥形结构的喷嘴102在水力喷射泵100内的横截面积从下部到上部是逐渐减小的，因此，动力液在流经喷嘴102时，在动力液流量一定的情况下，由于动力液的流速和动力液流经的喷嘴的横截面积成反比，因此，动力液的流速会随着喷嘴102的横截面积减小而增大，此时动力液的压能转换为动能，故而在喷嘴102的出口位置产生负压区，也即，在喷嘴102上方的喉道104内产生负压区。

步骤203：在喉道内的负压区的作用下，将包含油的地层液通过水力喷射泵下端的尾管和泵吸入口吸入喉道内，以将地层液与动力液进行混合得到混合液。

在喉道104内的负压区的作用下，位于水力喷射泵100下端的地层液被迫从泵吸入口103吸入水力喷射泵100内，并在喉道104内与喷嘴102出口的高速射流的动力液混合，形成具有一定能量的混合液。

需要说明的是，地层液中一般包括水、油和砂三部分物质，通过将地层液吸入水力喷射泵内，达到携砂采油的目的。

步骤204：在动力液的注入压力和注入排量作用下，将混合液从喉道内注入喉道上部的扩散室和扩散室上部的水力喷射泵的内管，以排出地面。

混合液的流动方向如图1中的箭头方向所示，混合液在动力液的注入压力和注入排量的作用下，从喉道104向扩散室105流动。如图1所示，由于扩散室105的横截面积比喉道104的横截面积大，同样地，在混合液流量一定的情况下，混合液的流速和混合液流经的扩散室的横截面积成反比，因此当混合液流经横截面积变大的扩散室时，混合液的流速将降低，此时混合液的高速动能转换为压能，该压能促使混合液从水力喷射泵的内管106排出地面。

在本发明实施例中，将一定注入压力和注入排量的动力液通过目标油井内的水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管以及水力喷射泵侧端的泵芯流道注入水力喷射泵内，并在喉道内的负压区的作用下，将包含油的地层液通过水力喷射泵下端的尾管和泵吸入口吸入喉道内，以将地层液与动力液进行混合得到混合液，然后将混合液从喉道内注入喉道上部的扩散室和与水力喷射泵连接的井下混合液内管将混合液排出地面。由于目标油井一般具有出砂现象，也即是，将动力液与地层液混合之后形成的混合液中含有砂，通过本发明实施例提供的方法，将包含砂的混合液通过水力喷射泵的内管排出地面，而不是通过水力喷射泵侧端的泵芯流道和水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管排出地面，且一般水力喷射泵的内管的横截面积小于水力喷射泵与井筒套管之间的内外环空管的横截面积，混合液流经的管道的横截面积变小了，从而增大了混合液的流速，提高了系统的携砂能力。另外，在与现有技术的井筒套管的横截面积相等的情况下，本发明实施例提供的方法可以提高混合液的流量，增加了系统的采油量，从而提高了油井泵效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。