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在石油和天然气开采过程中,水平井开采技术因其高效的采收率而被广泛应用于当前油气井开发。特别是在疏松砂岩油气藏中,油井常会发生出砂问题,且水平井筒中砂粒的流动由于受重力方向与流体流动方向垂直,易使砂粒在井筒内沉积形成砂床。如果不及时清理井筒内沉积的砂床,容易造成井眼堵塞及加速井下设备的磨损,影响油井正常开采,严重时会引发安全事故致使井眼报废等问题。因此,除在油井生产前对井筒采取防砂措施之外,还需要在生产过程中及时清理井筒沉砂。本文针对这一问题,主要开展如下几个方面的研究。首先,本文对水平井段环空内砂粒运移机理进行分析,建立砂粒受力模型,并利用CFD模拟分析环空间隙、管柱偏心度、携砂液流量、粘度及砂粒粒径对水平井环空流场流动规律的影响。发现环空间隙越小,砂粒在环空流道区域流动状态影响越大,越易于形成砂床;管柱偏心度引起了砂粒在环空流域中流动的不均匀性,砂粒易于沉积形成砂床;携砂液入口流量与砂粒的轴向速度正相关,能减缓形成砂床;高携砂液粘度增大了流体流动阻力,易致使部分砂粒因动力不足发生二次沉积,易于砂床形成。然后,基于环空流场中对携砂液流体与砂粒的两相流分析模型,研究携砂液流量、粘度及砂粒粒径等参数对环空流场中砂粒的沉降规律影响。分析结果表明:增大流体流量,有利于砂粒悬浮,减小砂床沉积厚度;携砂液粘度的增加,不利于砂粒悬浮,携砂液粘度?(28)0.6Pa?s时,在该工况下砂粒,砂粒沉降趋势最大,砂床厚度也是最大的;砂粒粒径增加,砂粒在环空流场流动过程中更易于沉降下来形成砂床。最后,基于砂粒运移机理,设计了一种新型清砂工具,该清砂工具设置有前向清洗喷头、后向喷头及换向机构。清砂工具通过换向机构实现正向冲洗井底胶结的沉砂及逆向冲洗悬浮二次沉积砂床。基于管柱偏心度、携砂液流量、粘度及砂粒粒径等因素对水平井环空流场流动规律及对环空流场中砂粒的沉降规律影响,主要优选了喷嘴的结构参数,发现前向喷嘴直径、喷嘴倾斜角度分别为4mm、55°时,在该工况条件下正向清洗效果最佳;后向喷嘴直径、喷嘴倾斜角度分别为4mm、45°时,在该工况条件下逆向冲洗,砂粒获得上返速度最大,清洗效果最佳。本文结合现场数据及模拟分析,优选的清砂工具设计参数为清砂工具设计及现场作业提供了理论及设计依据。