機(jī)械撈砂作業(yè)管柱設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用研究

潘先國(guó)

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司坪北經(jīng)理部，陜西 安塞717408）

坪北油田為典型的低壓、低飽和度、低滲透油田，采油經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低，所有油井不經(jīng)過(guò)壓裂沒(méi)有自然產(chǎn)能。油井經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)，地層返吐，在井筒內(nèi)存在一定數(shù)量的壓裂砂和地層砂。由于坪北地層水敏、地層負(fù)壓虧空限制，洗井沖砂液進(jìn)入地層易造成油層污染，使常規(guī)清砂方法在坪北受限。

油田現(xiàn)有的常規(guī)清砂方法主要是水力沖砂和機(jī)械撈砂。水力沖砂法具有一次沖砂量大、清洗井底干凈的特點(diǎn)，但需要多種特種車輛配合，作業(yè)費(fèi)用高，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)低時(shí)，沖砂液會(huì)大量漏進(jìn)地層，污染油層；水力沖砂法不能應(yīng)用于一些特殊作業(yè)，如測(cè)剩余油時(shí)，要求修井液不能漏進(jìn)地層，否則，會(huì)影響測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。機(jī)械撈砂作業(yè)具有保護(hù)油層，減少油層傷害，降低施工成本，操作簡(jiǎn)單，施工風(fēng)險(xiǎn)低的優(yōu)點(diǎn)，并能滿足特殊作業(yè)的需要。

1 機(jī)械撈砂作業(yè)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)械撈砂作業(yè)一直被廣大科技人員及現(xiàn)場(chǎng)施工人員所重視，被廣泛用于油氣水井的清砂作業(yè)。國(guó)內(nèi)許多油氣田的科技人員都對(duì)機(jī)械撈砂作業(yè)進(jìn)行過(guò)研究，并進(jìn)行了直徑、斜井，以及非常規(guī)油氣井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用。

早在1998年遼河石油勘探局技術(shù)人員就運(yùn)用該技術(shù)年撈砂266井次，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。2005年吉林油田科研人員開(kāi)展了關(guān)于撈砂抽汲速度的室內(nèi)試驗(yàn)，得出了不同粒徑砂子在不同的抽汲速度下的自由沉降速度，進(jìn)而找到現(xiàn)場(chǎng)撈砂作業(yè)不同粒徑時(shí)動(dòng)力管柱的上提下放速度。2005年至2011年中原油田和華東石油局的技術(shù)人員通過(guò)在煤層氣井的直井和斜井中應(yīng)用，驗(yàn)證了機(jī)械撈砂作業(yè)在非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)中的作用，解決了煤層氣井沖砂作業(yè)困難的難題。2010年中國(guó)石油大學(xué)和安東石油科研人員研制出了水平井撈砂泵及配套工具，為大斜度及水平井的清砂提供了一種更加可靠的方式。2009年坪北油區(qū)的技術(shù)人員通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，坪北油區(qū)撈砂有效率僅僅為16.7%。撈砂成功率低的關(guān)鍵在于儲(chǔ)砂管柱設(shè)計(jì)不合理，撈砂泵作業(yè)活動(dòng)范圍未避開(kāi)大斜度井段等原因。從2011開(kāi)始，坪北油田建立了機(jī)械撈砂管柱設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型并逐步推廣應(yīng)用。

2 機(jī)械撈砂作業(yè)原理

機(jī)械撈砂是根據(jù)井筒液面情況和井筒砂柱情況，將尾管和抽砂泵組配完成。撈砂泵由底閥、活門開(kāi)關(guān)、活塞桿、軟活塞、硬活塞、單流閥、撈砂懸繩器等組成。機(jī)械撈砂作業(yè)管柱示意圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 機(jī)械撈砂作業(yè)管柱

機(jī)械撈砂作業(yè)原理:上沖程時(shí)，上下活動(dòng)管柱（鋼絲繩），管柱（鋼絲繩）帶動(dòng)活塞桿、軟活塞和硬活塞上行，上部單流閥關(guān)閉，泵腔容積增大，下部底閥活門打開(kāi)，撈砂泵內(nèi)形成真空，撈砂泵內(nèi)與環(huán)空形成一個(gè)壓差（該壓差等于底閥的沉沒(méi)度形成的壓差和泵內(nèi)真空之和減去儲(chǔ)砂油管內(nèi)攜砂液形成的壓差），井內(nèi)液體靠此壓差攜帶砂子高速進(jìn)入儲(chǔ)砂油管，儲(chǔ)砂油管隨井內(nèi)砂面的降低而下降。當(dāng)儲(chǔ)砂油管中砂子和井液上行時(shí)，砂子和液體靠重力分離，液體在上，砂子在下。下沖程時(shí)，下部底閥活門關(guān)閉，泵腔容積減小，壓力增大，上部單流閥打開(kāi)，攜砂流體經(jīng)初步沉降后液體被轉(zhuǎn)移到柱塞上部，當(dāng)液面達(dá)到排液短節(jié)的循環(huán)口時(shí)，攜砂流體中液體通過(guò)循環(huán)孔和單流閥返回油套環(huán)形空間，而砂粒不能回到油套環(huán)形空間。

從機(jī)械撈砂作業(yè)原理可以看出，機(jī)械撈砂過(guò)程沒(méi)有任何外來(lái)液進(jìn)入井筒，不對(duì)地層產(chǎn)生絲毫污染，屬于純綠色清砂。要想提高撈砂成功率，完善的撈砂工藝設(shè)計(jì)、性能優(yōu)良的撈砂泵以及細(xì)致的撈砂現(xiàn)場(chǎng)施工三者缺一不可。

3 機(jī)械撈砂管柱設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

3.1 油套容積系數(shù)的引入

撈砂作業(yè)管柱示意圖（見(jiàn)圖2）。相同質(zhì)量的顆粒，在油管內(nèi)的堆積體積與套管內(nèi)的容積體積的比值稱為油套容積系數(shù)。理論上這個(gè)系數(shù)與顆粒的粒徑、分選型及油套管的內(nèi)徑有關(guān)。

式中:K－油套容積系數(shù)；V油容－質(zhì)量為m的顆粒在油管內(nèi)所占容積，m3；ρ油堆－質(zhì)量為m的顆粒在油管內(nèi)的堆積密度，kg／m3；V套容－質(zhì)量為 m的顆粒在套管內(nèi)的容積，m3；ρ套堆－質(zhì)量為m的顆粒在套管內(nèi)的堆積密度，kg／m3。

圖2 撈砂作業(yè)管柱示意

在撈砂作業(yè)中，當(dāng)K＜1時(shí)，套管內(nèi)的砂柱為砂橋或者撈砂過(guò)程中形成了砂洞，這也是是否需要再下一趟撈砂作業(yè)管柱的依據(jù)之一。

3.2 撈砂管柱設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

經(jīng)過(guò)4年的摸索、試驗(yàn)和應(yīng)用，總結(jié)出管柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是儲(chǔ)砂管的設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，在滿足管柱（鋼絲繩）抗拉強(qiáng)度（儲(chǔ)砂管柱長(zhǎng)度不超過(guò)允許最大長(zhǎng)度）的條件下?lián)粕皶r(shí)，儲(chǔ)砂管滿足以下條件:

1）單趟撈砂作業(yè)儲(chǔ)砂管長(zhǎng)度必須滿足以下公式:

式中:L－儲(chǔ)砂管長(zhǎng)度，m；H－為井筒內(nèi)動(dòng)液面或井斜超過(guò)30°的井段底界與砂面之間的距離，m；L1－撈砂泵拉出活塞桿時(shí)的長(zhǎng)度，m；D－套管內(nèi)徑，mm；d－儲(chǔ)砂管內(nèi)徑，mm；h－井底沉砂厚度，m；K－油套容積系數(shù)，無(wú)量綱，當(dāng)套管內(nèi)徑為124.3mm，儲(chǔ)砂管的內(nèi)徑為62mm時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為1.06～1.2，建議現(xiàn)場(chǎng)取較大值1.2；L安－撈砂泵防卡安全距離，m。

2）當(dāng)液面和井斜不能滿足一趟撈完井底沉砂時(shí)，可進(jìn)行多趟作業(yè)，每趟撈砂進(jìn)尺應(yīng)滿足以下條件:

能清理完井底沉砂的條件是:

儲(chǔ)砂管柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件:

在實(shí)際工作中，當(dāng)撈砂作業(yè)需要進(jìn)行多趟操作時(shí)，就運(yùn)用以上兩組模型，根據(jù)每次撈砂進(jìn)尺及出砂量進(jìn)行管柱設(shè)計(jì)和撈砂操作。當(dāng)k＜1時(shí)，要按照實(shí)際出砂量計(jì)算下一趟撈砂作業(yè)管柱數(shù)據(jù)及撈砂進(jìn)尺。

3）最大井斜超過(guò)30°時(shí)，撈砂泵在工作狀態(tài)下的活動(dòng)范圍應(yīng)在小于30°的井段；管柱設(shè)計(jì)，單趟作業(yè)時(shí)應(yīng)符合式1，多趟作業(yè)時(shí)應(yīng)符合式2，3。

4 機(jī)械撈砂作業(yè)操作及注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，撈砂泵撈砂工藝可以滿足低產(chǎn)、低壓、地層虧空井清砂需要。在應(yīng)用過(guò)程中，需要注意以下事項(xiàng):

1）撈砂作業(yè)前應(yīng)處理井筒，確保撈砂工具能在井內(nèi)順利起下。

2）以動(dòng)力管柱（鋼絲繩 ）抗拉強(qiáng)度為前提條件，按照公式1，2，3科學(xué)設(shè)計(jì)撈砂作業(yè)管柱以及撈砂作業(yè)的次數(shù)。

3）撈砂泵必須在井筒靜液面以下工作。隨著撈砂泵沉沒(méi)度增大，其形成的壓差增大，攜砂能力增強(qiáng)，撈砂效果越好。但隨著儲(chǔ)砂管儲(chǔ)砂量的增多，其儲(chǔ)砂管的攜砂液形成的壓差在增大，攜砂能力和撈砂效果也隨之降低。若撈砂泵沉沒(méi)度太小，其攜砂能力可以降至零，使撈砂失敗。

4）儲(chǔ)砂油管長(zhǎng)度要適當(dāng)。儲(chǔ)砂油管受井筒液面的限制，長(zhǎng)度要適當(dāng)。儲(chǔ)砂油管太長(zhǎng)，儲(chǔ)砂量大，攜砂能力降低，撈砂效率低，也增加管柱負(fù)荷；儲(chǔ)砂油管太短，攜砂能力強(qiáng)，撈砂效率好，但儲(chǔ)砂容量不夠，易使砂子進(jìn)入泵筒，造成泵筒和活塞損壞。一般儲(chǔ)砂管長(zhǎng)度根據(jù)本井的情況，以不超過(guò)200m為宜。

5）進(jìn)行撈砂作業(yè)時(shí)，撈砂操作要求平穩(wěn)、勻速，同時(shí)注意負(fù)荷變化，盡量不要使底閥離開(kāi)砂面過(guò)多，使底閥底部一直接觸砂面為最佳。為避免在撈砂過(guò)程中形成砂洞，一旦開(kāi)始撈砂，就要連續(xù)進(jìn)行，不要讓撈砂筒在井底停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。撈至預(yù)定位置后，應(yīng)及時(shí)上提管柱至原砂面以上50m，以防止在大直徑套管內(nèi)形成砂洞，砂壁坍塌后砂卡管柱。

6）繩索撈砂時(shí)，下放速度不能過(guò)快，以防鋼絲繩在井下打扭。每提撈2－3次之后，必須檢查一次繩帽、拉桿、活塞有否松動(dòng)和損壞現(xiàn)象，防止發(fā)生掉落事故。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

撈砂前應(yīng)對(duì)撈砂施工進(jìn)行精心設(shè)計(jì):在起原井管柱時(shí)，要記錄油管外液面，并與查詢的日常生產(chǎn)動(dòng)液面進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)查詢?nèi)睌?shù)據(jù)；根據(jù)具體情況，依據(jù)式1，2，3科學(xué)設(shè)計(jì)撈砂管柱及撈砂趟數(shù)。

5.1 單井應(yīng)用實(shí)例

P76－114為SP199井區(qū)油井，2012年5月為落實(shí)剩余油情況，需進(jìn)行PNN測(cè)試至人工井底，該井基本數(shù)據(jù)情況如下:人工井底為1 466.57m，套管規(guī)格為139.7mm×7.72mm×1 451.92m，最大井斜為1 175m×32.05°，動(dòng)液面948m，實(shí)探砂面為1 405.66m，油管為 Φ73.02 mm×5.51mm。

已知:k＝1.2，D＝124.26mm，d＝62mm，h＝40.91m，L1＝8.5m，L安＝50m。若一次撈完井底沉砂尾管長(zhǎng)度:

若一次撈完，則撈砂泵的活動(dòng)范圍在:1141.01m～1184.92m。查井斜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，井斜在大于30°井段為950m～1250m。在綜合考慮沉沒(méi)度與井斜的條件下，撈砂泵必須下至1 250m以下。

則:H＝1405.66－1250＝155.66m

則兩趟撈砂就可以完成清砂作業(yè)，每趟儲(chǔ)砂管最大長(zhǎng)度:

則P76－114進(jìn)行了兩次撈砂作業(yè)，第一趟下入儲(chǔ)砂管144.30m（15根 ），第二趟下入儲(chǔ)砂管162.83m（17根），清除了井底沉砂。

5.2 綜合應(yīng)用情況

2011－2014年，通過(guò)對(duì)11口油井的沉砂量、井斜、動(dòng)液面科學(xué)設(shè)計(jì)，合理安排機(jī)械撈砂作業(yè)的次數(shù)、儲(chǔ)砂管長(zhǎng)度，取得了較好的施工效果（見(jiàn)表1）。

從表1中可以看出，在參加撈砂作業(yè)的11口井中除了P69－119井在起出時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞卡在撈砂泵里外，其余10口井全部達(dá)到施工目的。其最大撈砂進(jìn)尺為35.05 m，最大撈砂量為448.93L，施工有效率為100%。

效果分析:

1）對(duì)于斜度小的井，在井況較好的情況下，沉砂會(huì)撈得很干凈，而且施工周期較短。

2）在撈砂過(guò)程中，如遇到有落物、套變井，普遍撈砂效果不好。

3）遇到待撈砂面堅(jiān)硬，筆尖無(wú)法沖破的井，會(huì)造成撈砂失敗。

4）撈砂井段不宜超過(guò)30m。超過(guò)30m，撈砂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，砂漿液通過(guò)撈砂泵上的泄液孔返至油、套環(huán)形空間，有時(shí)會(huì)卡管柱，也會(huì)有砂堵油管、卡活塞等情況，影響施工進(jìn)度。

5）抽砂泵每使用1次，檢測(cè)1次。抽子膠皮每5口井更換1次，膠皮質(zhì)量好壞是撈砂泵抽砂的關(guān)鍵。

表1 坪北油田機(jī)械撈砂作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論與建議

1）撈砂管柱必須根據(jù)施工井的沉砂量、井斜和動(dòng)液面科學(xué)設(shè)計(jì)，才能收到較好的撈砂效果與經(jīng)濟(jì)效益。

2）與傳統(tǒng)的沖砂作業(yè)方法相比，機(jī)械撈砂具有工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械撈砂作業(yè)能有效地保護(hù)油層，減少油層傷害，適用于有特殊油層保護(hù)要求施工的井。

3）油管（鉆桿）傳輸撈砂作業(yè)的效率較低，建議引進(jìn)用鋼絲繩傳輸撈砂作業(yè)的技術(shù)和設(shè)備，提高機(jī)械撈砂作業(yè)效率。

4）目前機(jī)械撈砂作業(yè)尚不具備行業(yè)操作標(biāo)準(zhǔn)，建議下一步積極進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，逐步完善撈砂工藝規(guī)范。

［1］陳強(qiáng)，常峰.抽砂泵的應(yīng)用及其抽砂效果分析［J］.鉆采工藝，2006（05）:76－78.

［2］孫愛(ài)軍，張懷俊，等.撈砂泵抽汲速度的試驗(yàn)研究［J］.石油機(jī)械，2006，34（02）:52－53.

［3］楊漢軍，謝永全，等.坪北油田2009年撈砂施工工藝的分析與改進(jìn)［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，23（04）:33－35.