連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝管柱研究及應(yīng)用

吳 劍，王 良，王 靜，張書榮

（吐哈油田a.工程技術(shù)研究院；b.井下作業(yè)公司，新疆鄯善838202）①

連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝管柱研究及應(yīng)用

吳 劍a，王 良a，王 靜a，張書榮b

（吐哈油田a.工程技術(shù)研究院；b.井下作業(yè)公司，新疆鄯善838202）①

隨著油氣田的開發(fā)進(jìn)入中后期，地層壓力系數(shù)降低、虧空嚴(yán)重，部分井甚至出現(xiàn)負(fù)壓倒吸現(xiàn)象。在油氣井生產(chǎn)過程中，由于地層出砂情況嚴(yán)重，最終導(dǎo)致砂埋油層，油井停產(chǎn)甚至報(bào)廢。對(duì)于該類油氣井，由于地層漏失嚴(yán)重，常規(guī)的沖（撈）砂技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。針對(duì)這一情況，開展了連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝技術(shù)研究，利用雙級(jí)喉管噴射液體產(chǎn)生負(fù)壓，并吸附井底埋砂，以及雙層管為液體提供循環(huán)通道，從而實(shí)現(xiàn)了與地層隔離、減少?zèng)_砂液體漏失的目的。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該新型沖砂工藝技術(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，不僅完全滿足漏失嚴(yán)重的油氣井沖砂需要，而且避免了常規(guī)沖砂對(duì)地層造成傷害、儲(chǔ)層污染的問題，具有推廣價(jià)值。

沖砂；負(fù)壓；工藝；管柱

隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期，油氣井出砂問題越來越突出，油氣井砂埋的現(xiàn)象也是非常普遍，如何針對(duì)不同類型的砂埋油氣井進(jìn)行沖（撈）砂已越來越重要。對(duì)于采用衰竭式開采的油氣田，地層壓力低，漏失大，沖砂時(shí)必須防止沖砂液漏失進(jìn)入地層，避免儲(chǔ)層污染［1-2］。常規(guī)沖砂工藝無法滿足漏失量大的井的沖砂需求。針對(duì)這種情況，開展連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝技術(shù)研究，解決漏失井沖砂難題，避免儲(chǔ)層污染，滿足實(shí)際需求。

1 連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝管柱

1.1 管柱設(shè)計(jì)思路

普通沖砂工藝管柱為斜尖＋油管［1-2］，采用1～2臺(tái)水泥車將攜砂液泵入井中循環(huán)，以便將井底砂子攜帶出來。但是對(duì)于地層壓力系數(shù)低、漏失量比較大、需要避免儲(chǔ)層污染的油井，采用這種沖砂工藝管柱，就不能很好地滿足要求。主要難點(diǎn)是：①攜砂液漏失進(jìn)入地層，造成出口液很小，流速低，從而無法有效攜帶砂子，甚至是無法建立循環(huán)；②攜砂液進(jìn)入地層，造成儲(chǔ)層污染，甚至?xí)绊懹途漠a(chǎn)量等。針對(duì)這些問題，采用在井底產(chǎn)生負(fù)壓的沖砂工藝，同時(shí)將儲(chǔ)層盡量與攜砂液封隔開，從而有效避免攜砂液漏失進(jìn)入地層，污染儲(chǔ)層［3-4］。負(fù)壓區(qū)能有效吸收井底砂子，且揚(yáng)程較高，大部分?jǐn)y砂液將返出地面，能把砂子攜帶出來。

1.2 管柱結(jié)構(gòu)及工作原理

連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝管柱主要由普通油管連續(xù)沖砂部件、液流轉(zhuǎn)化部件、負(fù)壓沖砂部件組成（如圖1）。連續(xù)沖砂部件主要由沖砂自封、特殊懸掛器、密封工作筒、反沖洗閥組成；液流轉(zhuǎn)化部件主要由液流換向器組成；負(fù)壓沖砂部件主要由負(fù)壓沖砂泵組成。管柱采用負(fù)壓吸砂原理，可用于直井、斜井及水平井的連續(xù)沖砂作業(yè)，尤其適用于漏失井的沖砂施工。

圖1 負(fù)壓沖砂工藝管柱

進(jìn)行沖砂時(shí)，井口四通為進(jìn)液端，沖砂自封側(cè)孔為出液端。下井時(shí)，反沖洗閥接在每根油管上端，在其進(jìn)入沖砂自封之前，內(nèi)部通道處于關(guān)閉位置，油管內(nèi)的堵塞器不能繼續(xù)上移，在此處堵塞油管，因而攜砂液不能從油管上端排出。當(dāng)反沖洗閥通過沖砂自封時(shí)，內(nèi)部通道處于打開位置，堵塞器上行至上一級(jí)反洗閥，繼續(xù)堵塞油管。油管內(nèi)的攜砂液打開反沖洗閥活塞，進(jìn)入襯管、油管環(huán)空，由于反沖洗閥外密封環(huán)將環(huán)空密封，所以攜砂液只能向上通過自封側(cè)孔排出井外。當(dāng)反沖洗閥下于襯管以外時(shí)，彈簧力將活塞關(guān)閉，此時(shí)反沖洗閥僅相當(dāng)于一根油管短節(jié)。

1.3 室內(nèi)試驗(yàn)

該工藝管柱室內(nèi)試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 負(fù)壓沖砂器測(cè)試流程

試驗(yàn)曲線如圖3，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

圖3 負(fù)壓沖砂器測(cè)試流程

1） 當(dāng)動(dòng)力液壓力一定時(shí)，隨著出口壓力的增加，吸液量降低，呈現(xiàn)非線性變化。且當(dāng)出口壓力增大到一定值時(shí)，沖砂泵出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。

2） 當(dāng)出口壓力一定時(shí)，隨著動(dòng)力液壓力的增加，吸液量增加。

3） 當(dāng)動(dòng)力液壓力增加時(shí)，出現(xiàn)倒流時(shí)的出口壓力隨之增加。

4） 動(dòng)力液壓力為8～15 M Pa時(shí)，揚(yáng)程可達(dá)300～900 m，提高動(dòng)力液壓力，揚(yáng)程可進(jìn)一步提高。

5） 試驗(yàn)時(shí)泵的沉沒度幾乎為零，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)泵的沉沒度會(huì)較大，因此該沖砂器吸液量將會(huì)大幅提高。

表1 負(fù)壓沖砂器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4 施工步驟

1） 起出原井內(nèi)全部管柱。

2） 施工時(shí)，依次將負(fù)壓沖砂泵、雙層油管、換向器下入井內(nèi)，當(dāng)管柱下至距砂面30 m時(shí)，下入工作筒，裝好沖砂自封，再接入帶有反沖洗閥的油管，并使第1個(gè)反沖洗閥位于工作筒內(nèi)，第2個(gè)反沖洗閥位于油管柱最上端。

3） 開泵下放沖洗，直至沖到設(shè)計(jì)深度。

4） 沖到設(shè)計(jì)深度后，注意觀察返出液含砂情況，含砂量小于0.1%視為達(dá)到?jīng)_洗要求，停泵；按與下入相反的順序起出油管及井內(nèi)工具。

1.5 注意事項(xiàng)

1） 泵壓設(shè)計(jì)要根據(jù)液面情況定（參見負(fù)壓沖砂泵試驗(yàn)曲線），設(shè)計(jì)泵壓≤20 M Pa。

2） 換向器和負(fù)壓沖砂泵距離≥沖砂井底和油層頂界距離。

3） 沖砂時(shí)下放管柱速度應(yīng)當(dāng)緩慢。

4） 施工前檢查泵車，確保在沖砂過程中不停泵。

2 配套工具研制

2.1 反沖洗閥

反沖洗閥的結(jié)構(gòu)如圖4。利用與井口沖砂自封膠皮之間的摩擦力使活動(dòng)套上行，從而達(dá)到開啟中心通道的限位機(jī)構(gòu)的目的。在進(jìn)入井口前，反沖洗閥的限位機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài)，與堵塞器一起將油管中心通道封閉，從而起到井口安全閥的作用。當(dāng)反沖洗閥通過沖砂自封時(shí)，在摩擦力的作用下，活動(dòng)套上行，鋼球落入孔中，從而開啟中心通道，堵塞器可上行到上一級(jí)反沖洗閥繼續(xù)堵塞油管。

圖4 反沖洗閥結(jié)構(gòu)

主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 反沖洗閥的主要技術(shù)參數(shù)

2.2 液流換向器

液流換向器［3］的結(jié)構(gòu)如圖5。液流換向器通過2級(jí)相向的皮碗將上部油套環(huán)空高壓液體轉(zhuǎn)向處理，流經(jīng)膠筒座與中心管之間的環(huán)空，在不經(jīng)過下部油套環(huán)空的情況下，直接進(jìn)入底部的負(fù)壓沖砂泵，從而達(dá)到?jīng)_洗井底砂體的目的。同時(shí)，封隔油層與沖洗液，盡量避免高壓沖砂液進(jìn)入地層。

圖5 液流換向器結(jié)構(gòu)

主要技術(shù)參數(shù)如表3。

表3 液流換向器的主要技術(shù)參數(shù)

2.3 負(fù)壓沖砂泵

負(fù)壓沖砂泵的結(jié)構(gòu)如圖6，主要結(jié)構(gòu)為2級(jí)喉管和噴嘴。施工時(shí)井口注入的高速液體通過喉管一側(cè)的旁通孔進(jìn)入井底，將底部的沉砂充分?jǐn)噭?dòng)起來；由于沖砂泵2級(jí)喉管和噴嘴設(shè)計(jì)有傘狀放大機(jī)構(gòu)，用以增強(qiáng)對(duì)液體的吸附力，可以在局部產(chǎn)生負(fù)壓效果，所以剛被沖刷起來的攜砂液將經(jīng)過2級(jí)喉管和噴嘴進(jìn)入油管返至地面，從而避免了攜砂液再次從地層漏失。

圖6 負(fù)壓沖砂泵結(jié)構(gòu)

主要技術(shù)參數(shù)如表4。

表4 負(fù)壓沖砂泵的主要技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 吐哈油田W X3-617井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該井壓裂S3（2）S3（3）層，日產(chǎn)液4.75 m3，日產(chǎn)油3.62 t，含水2.9%，壓后轉(zhuǎn)抽，塞面2 547.397 m；生產(chǎn)半年后檢泵作業(yè)，發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)大量沉積壓裂砂，下沖砂管柱探得砂面2 348.972 m，用1.2%儲(chǔ)層保護(hù)液120 m3反循環(huán)沖砂，泵壓3～6 M Pa，排量1 100～1 200 L／min，170 min井口無返液；后繼續(xù)用含1.2%儲(chǔ)層保護(hù)液的清水260 m3反循環(huán)沖砂，泵壓3～6 M Pa，排量1 500～2 000 L／min，歷時(shí)440 min，井口同樣不返液。

分析原因是該井的漏失量大，普通沖砂作業(yè)無法建立循環(huán)，因此采用連續(xù)負(fù)壓沖砂管柱。負(fù)壓沖砂管柱下到位后探得砂面為2 349.0 m，上提1.5 m開始沖砂。采用1部水泥車進(jìn)行反洗作業(yè)，泵車排量為400～500 L／min，壓力為6～10 M Pa，井口出口排量為370～400 L／min；反洗5 h后井口開始大量返砂，30 min后返砂結(jié)束；候沉20 min緩慢下放管柱直至砂面，重復(fù)以上沖砂過程，總共出砂3次，下放管柱3次，最終探得砂面2 430.839 m（油層底界2 404 m），達(dá)到設(shè)計(jì)要求，起出沖砂管柱。此次施工完成沖砂距離81.8 m，總計(jì)出砂1.5 m3。

3.2 蘇丹油田應(yīng)用情況

該技術(shù)在蘇丹六區(qū)成功應(yīng)用2口井，施工數(shù)據(jù)如表5。

表5 連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝在蘇丹六區(qū)2口井的施工數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1） 連續(xù)負(fù)壓沖砂技術(shù)能有效解決漏失大的油井沖砂問題。

2） 該技術(shù)可應(yīng)用于稀油井，但在稠油井中的適應(yīng)性差。

3） 負(fù)壓沖砂泵能有效造成井底負(fù)壓，但應(yīng)考慮旋轉(zhuǎn)可能造成的工具脫扣等問題。

4） 該工藝較為復(fù)雜。對(duì)于一般油井或漏失小的油井，采取常規(guī)沖砂比較合適。

［1］ 羅英俊，萬仁薄.采油技術(shù)手冊(cè)［K］.3版.北京：石油工業(yè)出版社，2005.

［2］ 萬仁薄.采油工程技術(shù)手冊(cè)（上冊(cè)）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

［3］ 管恩東.雙級(jí)同心整體沖砂管柱工藝研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（2）：63-65.

［4］ 李樹臻，李光磊，王亞娟.油井負(fù)壓沖砂裝置研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（3）：21-23.

Study and Application of Continuous Underbalance Sand Cleaning String

W U Jiana，W A N G Lianga，W A N G Jinga，Z H A N G Shu-rongb
（a．Research and Develop ment Center；b．Dow nhole O peration Department，Tuha Oilfield Com pany，Shanshan838202，China）

As oilfield isin the intermediary and later stage of develop ment and recovery ratio develops，formation pressure coefficient is decreased.In this case，so me production wells even appear suck-back pheno menon.W hen these wells go to production，sands will flow out fro m reservoir heavily and cover the reservoir，and then oil well stops production or is abandoned.Because of the heavily leak formation，normal sand cleaning or bailing technology is not suitable for these wells. According to the situation，continuous underbalance sand cleaning technology is studied，w hich uses negative pressure to adsorb dow nhole sand by tw o-stage throat，isolate formation and decrease leakage of sand cleaning fluid by tw o-layer tubing.Not only is the new sand cleaning technology suitable for the heavily leak wells，but also it can preventformation from pollution.So the continuous underbalance sand cleaning technology is useful and can be popularized and appl ied in oi lfield.

sand cleaning；negative pressure；technology；pipe string

T E935

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.020

1001-3482（2014）08-0088-05

2014-02-08

吳 劍（1981-），男，湖北武漢人，2003年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事井下工具設(shè)計(jì)，以及井下完井作業(yè)技術(shù)研究，E-mail：w ujian6＠petrochina.co m.cn。