旋轉(zhuǎn)撈砂儲(chǔ)砂管的改進(jìn)及其在煤層氣井的應(yīng)用

秦紹鋒

中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 （北京 100028）

隨著煤層氣井的排采生產(chǎn)，煤層反吐壓裂砂、出煤粉煤粒越來越多， 導(dǎo)致沉砂口袋減小直至砂埋煤層、砂埋管柱，影響了井的正常生產(chǎn)。 清理口袋內(nèi)沉積的壓裂砂、 煤粉煤粒是必須也是必要的維護(hù)井正常生產(chǎn)的作業(yè)。但由于煤儲(chǔ)層壓力低、裂隙發(fā)育以及排水降壓的生產(chǎn)特點(diǎn)， 不適合采用沖砂方式進(jìn)行清理。 普通撈砂泵工藝雖然克服了沖砂液循環(huán)沖砂的缺點(diǎn)[1-2]，但對(duì)于板結(jié)的砂面及較大粒徑的煤粒無法清理，而旋轉(zhuǎn)撈砂泵工藝可以轉(zhuǎn)動(dòng)管柱[3]，帶動(dòng)底部鉆頭破碎煤粒及松散砂面， 但仍然存在撈砂效率不理想的情況。為此，在沁水盆地南部柿莊煤層氣田采用旋轉(zhuǎn)撈砂泵工藝配套改進(jìn)的儲(chǔ)砂管技術(shù)進(jìn)行撈砂作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了高效撈砂作業(yè)，降低了作業(yè)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

改進(jìn)前管柱結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)力油管、旋轉(zhuǎn)撈砂泵、儲(chǔ)砂管、底閥總成組成[4-5]，但是在遇到板結(jié)的砂面及較大粒徑的煤粒后， 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)管柱破碎板結(jié)的砂面或煤粒時(shí)， 儲(chǔ)砂管內(nèi)的砂粒和煤粒沉降后壓覆在翻板之上，如圖1（a）所示，再次撈砂時(shí)翻板會(huì)發(fā)生延遲打開或打開程度降低的問題， 影響撈砂效果甚至造成撈砂無進(jìn)尺。

圖1 改進(jìn)前及改進(jìn)后儲(chǔ)砂管示意圖

為解決上述問題， 在儲(chǔ)砂管內(nèi)增加了內(nèi)沉砂杯結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。 內(nèi)沉砂杯形狀如開口杯子，分布在儲(chǔ)砂管內(nèi)壁， 其數(shù)量可以根據(jù)儲(chǔ)砂管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度確定。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)管柱鉆板結(jié)的砂面和煤粒時(shí)，儲(chǔ)砂管內(nèi)的砂粒和煤粒在重力作用下下沉， 被內(nèi)沉砂杯捕獲后沉積在其內(nèi)， 從而減少了下沉至翻板上的煤粉和砂粒的數(shù)量， 提高了再次撈砂時(shí)翻板開啟的能力。

改進(jìn)后管柱結(jié)構(gòu)由上而下主要由動(dòng)力油管、旋轉(zhuǎn)撈砂泵、改進(jìn)儲(chǔ)砂管、底閥總成組成，如圖2 所示。其中旋轉(zhuǎn)撈砂泵由工作筒、循環(huán)接頭、外六方傳動(dòng)螺母、六方活塞拉桿和軟活塞組成。底閥總成由鉆頭和翻板組成，鉆頭可以為刮刀鉆頭、套銑鉆頭或磨鞋鉆頭。 翻板為單流閥的一種，考慮到煤粒較大，故采用翻板以便于大塊煤粒經(jīng)翻板進(jìn)入儲(chǔ)砂管。

組配管柱時(shí)，首先根據(jù)儲(chǔ)砂管的內(nèi)徑，計(jì)算出把井筒沉砂和煤粒全部撈進(jìn)儲(chǔ)砂管內(nèi)需要的儲(chǔ)砂管長(zhǎng)度，實(shí)際組配管柱時(shí)按照120%的系數(shù)組配長(zhǎng)度，但儲(chǔ)砂管長(zhǎng)度不能超過200 m。然后依次下入鉆頭、儲(chǔ)砂管、旋轉(zhuǎn)撈砂泵和動(dòng)力油管。

圖2 旋轉(zhuǎn)撈砂儲(chǔ)砂管的改進(jìn)工藝管柱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

當(dāng)鉆頭接觸沉砂口袋內(nèi)的砂面后， 地面指重表指示井下管柱懸重下降， 需要將儲(chǔ)砂管的全部重量加在砂面上，活塞開始下行，地面指重不變，為動(dòng)力油管的重量；在活塞繼續(xù)下行的過程中，底閥總成中的翻板關(guān)閉，循環(huán)接頭的單流閥打開，泵內(nèi)液體向上經(jīng)單流閥進(jìn)入循環(huán)接頭，再經(jīng)循環(huán)接頭的旁排液孔，循環(huán)到油套環(huán)空內(nèi)；當(dāng)活塞下行沖程結(jié)束，即活塞下行至下死點(diǎn)后，地面指重表懸重稍有下降，此時(shí)停止下放，開始上提動(dòng)力油管，活塞開始上行，上單流閥關(guān)閉， 工作筒內(nèi)通過軟活塞與泵筒的間隙配合形成低壓，并在泵筒與油套環(huán)空內(nèi)液柱的壓差下，底閥總成中的翻板打開， 砂面上的沉砂和煤粒隨井筒水經(jīng)翻板后一起進(jìn)入儲(chǔ)砂管內(nèi)。隨著活塞繼續(xù)上行，沉砂和煤粒不斷進(jìn)入儲(chǔ)砂管，如圖3（a）所示。 當(dāng)活塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，地面指重表懸重突然上升，這時(shí)停止上提管柱，開始下放管柱。 泵內(nèi)液體經(jīng)單流閥，通過排液孔流入油套環(huán)空內(nèi)， 而砂子和煤粒在儲(chǔ)砂管內(nèi)呈懸浮狀態(tài)。通過及時(shí)的往復(fù)上提下放動(dòng)力油管，井筒內(nèi)的沉砂和煤粒就會(huì)不斷進(jìn)入到儲(chǔ)砂管內(nèi)。

若鉆頭接觸板結(jié)的砂面或粒度大的煤塊， 則撈砂無進(jìn)尺，可用井口液壓鉗旋轉(zhuǎn)井口動(dòng)力油管柱，從而將扭矩傳遞給井下的六方活塞拉桿和六方傳動(dòng)螺母，再傳遞給儲(chǔ)砂管，最后傳遞給鉆頭，鉆松板結(jié)的砂面和鉆碎較大的煤粒后，再撈進(jìn)儲(chǔ)砂管內(nèi)。在旋轉(zhuǎn)管柱時(shí)，儲(chǔ)砂管內(nèi)呈懸浮狀的砂粒和煤粒開始下沉，大部分被內(nèi)沉砂杯捕獲， 少部分沉降后壓覆在翻板之上，如圖3（b）所示。 因此大大減少了壓覆在翻板之上的砂粒和煤粒， 當(dāng)鉆進(jìn)后再次撈砂時(shí)翻板能夠及時(shí)、暢通的打開。

圖3 改進(jìn)的儲(chǔ)砂管進(jìn)砂和內(nèi)沉砂杯儲(chǔ)砂示意圖

2 主要技術(shù)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)撈砂泵外徑：Φ89 mm、Φ99 mm、Φ110 mm；

旋轉(zhuǎn)撈砂泵行程：3 m；

泵筒長(zhǎng)度：3.6 m；

六方活塞桿長(zhǎng)度：3 m；

軟活塞長(zhǎng)度：0.4 m；

動(dòng)力油管外徑：Φ73 mm 加厚油管；

儲(chǔ)砂管外徑：Φ73 mm 加厚油管， 長(zhǎng)度50 m，內(nèi)部具有分散式內(nèi)沉砂杯；

鉆頭外徑：Φ95 mm、Φ102 mm、Φ114 mm。

3 使用注意事項(xiàng)

1）套變井、井內(nèi)有落物井不宜使用旋轉(zhuǎn)撈砂泵。

2）井斜大于30°的煤層氣井不宜使用。

3）下井前，對(duì)撈砂泵地面試抽，驗(yàn)證抽吸能力。

4）在撈砂無進(jìn)尺時(shí)可采用鉆塞方式，鉆塞后立即進(jìn)行撈砂作業(yè)。

5）鉆進(jìn)1 個(gè)單根后，盡快完成井口接單根。

6）多次撈砂無進(jìn)尺，需起出管柱檢查軟活塞，必要時(shí)及時(shí)更換。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效益分析

2018 年7 月至9 月，改進(jìn)了儲(chǔ)砂管的旋轉(zhuǎn)撈砂工藝在柿莊煤層氣區(qū)塊應(yīng)用20 井次，施工有效率達(dá)100%，有效地解決了因旋轉(zhuǎn)管柱鉆板結(jié)的砂面和煤粒時(shí)， 儲(chǔ)砂管內(nèi)的砂粒和煤粒沉降后壓覆在翻板之上，撈砂時(shí)翻板延遲打開和打開程度降低的問題，保證了氣井下一步措施的順利進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明， 采用改進(jìn)了儲(chǔ)砂管的旋轉(zhuǎn)撈砂工藝進(jìn)行煤層氣井的清砂作業(yè)， 在不需要泵車、罐車、 轉(zhuǎn)盤等特殊車輛和設(shè)備以及大量沖砂液的條件下，能夠快速、高效地完成清理井筒沉砂的工作，與沒有使用改進(jìn)的儲(chǔ)砂管相比， 至少減少1 井次的起下管柱作業(yè)，節(jié)約成本5 000 元。 按照2018 年7 月至9 月實(shí)施的20 井次計(jì)算， 共計(jì)降低作業(yè)費(fèi)用10萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）改進(jìn)的儲(chǔ)砂管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，便于現(xiàn)場(chǎng)的改造使用。

2）改進(jìn)了儲(chǔ)砂管的旋轉(zhuǎn)撈砂工藝能夠有效解決因旋轉(zhuǎn)管柱鉆板結(jié)的砂面和煤粒時(shí)， 儲(chǔ)砂管內(nèi)的砂粒和煤粒沉降后壓覆在翻板之上， 撈砂時(shí)翻板延遲打開和打開程度降低的問題。

3）改進(jìn)了儲(chǔ)砂管的旋轉(zhuǎn)撈砂工藝撈砂成功率高，可大大降低作業(yè)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。