淺析幾種沉砂工藝在出砂油井中的應用

張 棟，顏 曼，丁秀英

（1.長江大學，湖北 荊州434023；2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

前 言

隨著江漢油區(qū)各開發(fā)單元進入開發(fā)后期，油井出砂現(xiàn)象日益加劇。截至目前，45個開發(fā)單元中，出砂區(qū)塊就有35個，主要集中在西區(qū)、王廣、黃場、廣二區(qū)、周磯、老一、老二、馬36等區(qū)塊。出砂油井共計376口，占油井開井總數(shù)的47.4% ，出砂油井產(chǎn)量約占江漢油區(qū)總產(chǎn)量的30.5%。

在油井維護性作業(yè)中，出砂致使抽油泵磨損、砂卡、阻塞、漏失及其它工具失效等故障井次也日益增多。近年來，油井出砂導致檢泵作業(yè)所占百分比達到了8.8% ，且整體呈進一步上升趨勢。

從江漢油區(qū)出砂油井砂樣檢測數(shù)據(jù)來看，中砂（粒徑＞0.3mm）成分占4% 、細砂（粒徑0.3～0.1mm）占8% 、粉砂（粒徑0.1～0.05mm）占72% 、油泥（粒徑＜0.05mm）占16% 。油井出砂主要以粉砂和油泥為主。

結合江漢油區(qū)生產(chǎn)實際，“沉砂”技術相對于“擋砂”、“沖砂”及“撈砂”等其它油井防砂技術具有工藝成熟、設備簡單、施工方便、適用性強及投入成本低等優(yōu)點。因此，近年來，在傳統(tǒng)沉砂工藝的基礎上，先后研發(fā)并綜合運用了泵上沉砂、尾管沉砂及口袋沉砂等多種“沉砂”工藝技術，取得了良好的現(xiàn)場應用效果。

1 抽油泵砂卡（堵）機理分析

如圖1所示，上沖程時，柱塞將井液向上平移，液體沒有沖刷作用，柱塞上部積砂與泵筒內(nèi)漲擴大的縫隙易產(chǎn)生鑲楔現(xiàn)象而發(fā)生砂卡；下沖程時，井液通過柱塞內(nèi)孔流向柱塞上部泵腔內(nèi)，液體有沖刷作用，柱塞運動方向與砂粒沉積方向相同，雖然泵筒有變形，但發(fā)生砂卡機會比上沖程小。

在圖A位置處，泵筒與柱塞工作過程中相對位置是偏斜的，會形成楔形存砂區(qū)，造成抽油泵砂卡；在圖B位置處，柱塞上部的縮徑、出油窗流道下部與泵筒之間的環(huán)空都是積砂的存儲空間，從而容易造成卡泵。

圖1 砂粒在抽油管柱內(nèi)的沉積過程

2 幾種沉砂工藝技術原理及現(xiàn)場應用情況

2.1 口袋沉砂技術

該技術是目前油井生產(chǎn)過程中應用最廣泛的沉砂技術。在鉆井完井后，口袋長度一般已經(jīng)確定，所以在生產(chǎn)中為了使地層砂盡可能多地向下沉入沉砂口袋，在滿足油井摻水解鹽等工藝所要求尾管下入深度的前提下，下泵過程中盡量使尾管進液口在油層上界以上較大的距離，一般保持在10～50m左右。近年來，江漢油區(qū)油井平均尾管深度上升了4.2m／a，對緩解進泵含砂量起到了積極作用。

2.2 泵上沉砂技術

2.2.1 倒置式防砂泵

從抽油泵砂卡堵機理分析可知，防砂泵起防砂作用的主要原理就是使砂不易沉積在泵筒內(nèi)以及柱塞與泵筒的配合間隙中。江漢油區(qū)最先引進的倒置式防砂泵結構及工作原理如圖2所示。其特點是該泵型采用長柱塞，短泵筒，側(cè)向進油，環(huán)空沉砂結構，柱塞上凡爾罩始終置于泵筒外，可有效避免工作和停抽時砂粒沉入泵筒內(nèi)，而使其沿環(huán)空沉砂通道沉入沉砂尾管中，沉砂尾管采用27／8"平式油管，沉砂量大。

但由于江漢油區(qū)部分油井因摻水解鹽需要，泵抽管柱進液口需置于油層上界10m以內(nèi)，所以該泵不能用于摻水解鹽井，應用僅局限在新溝、老15、老一、老二、拖市等新溝嘴組油藏水敏區(qū)塊。另外，由于要確保留有足夠的環(huán)空沉砂體積，該泵整體最大外徑達114mm，對于套變井及大斜度井，其下入深度也存在一定限制。目前，江漢油區(qū)井下使用該泵型50余臺，基本可以滿足常規(guī)油藏地層出砂以及油井酸化或壓裂后正常生產(chǎn)需要。

圖2 倒置式防砂泵結構及工作原理圖

2.2.2 可摻水倒置式防砂泵

江漢油區(qū)潛江組儲層以細砂巖和粉砂巖為主，膠結物主要是泥質(zhì)、灰質(zhì)和泥白云巖，膠結物含量10%～20%，膠結類型以孔隙、接觸式為主。隨著開發(fā)的不斷深入，地層出砂程度愈發(fā)加劇，且地層礦化度高，氯離子平均含量高達16×104mg／L，該儲層類型油井普遍結鹽嚴重。

針對油井出砂嚴重又需摻水解鹽的生產(chǎn)現(xiàn)狀，在“倒置式防砂泵”的結構原理基礎上，開發(fā)設計出了一種新型“可摻水倒置式防砂泵”，其結構如圖3所示。主要是在原倒置式防砂泵的雙通接頭結構基礎上外掛摻水泵套，形成內(nèi)沉砂管儲砂、外摻水泵套底部篩管進液的結構形式。但由于其最大外徑仍是114mm，同樣不適于套變井及大斜度井的生產(chǎn)使用。目前，潛江組油藏井下使用該泵型40余臺，平均泵深2 350m。從現(xiàn)場使用情況來看，滿足了潛江組油藏油井防砂和解鹽的雙重要求。

圖3 可摻水倒置式防砂泵結構圖

2.2.3 小外圓防砂泵

如前所述，由于倒置式和可摻水式兩種防砂泵受到最大外徑尺寸的限制，對于套變井及大斜度井不適用。因此，在比較了各種防砂泵的結構特點后，設計并制造了更加適用于江漢油區(qū)井況特征的自帶沉砂泵套的小外圓防砂泵，如圖4所示。

其主要性能特點包括：

1）采用防砂泵類長柱塞，短泵筒的結構形式，柱塞上游動閥罩始終處在泵筒外面，這樣可以有效避免運行或停抽時砂?；芈溥M入泵筒內(nèi)，而是使砂沉降在沉砂泵套與泵筒之間形成的環(huán)腔里。

2）泵筒采取底部固定，上部用特制扶正環(huán)扶正的結構設計（即泵筒底部固定，上部懸浮的倒置懸掛式結構），固定閥連接在沉砂泵套上，即使在上沖程過程中沉砂泵套內(nèi)也要承受一定的液柱重量，這樣就相應減小了上沖程中油管柱的彈性收縮量及泵筒的鼓脹效應，有利于提高泵效及減少抽油泵的間隙漏失量。

3）由沉砂泵套承受包括尾管、油管錨定、封隔器座封所產(chǎn)生在管柱上的附加拉壓力，泵筒上部懸浮，受力簡單，減輕了彎曲變形，相應緩解了柱塞與泵筒之間的磨損，使這種改制泵相對普通泵來講，對于斜井段使用的適應性更強。

4）泵筒的內(nèi)外壓差相同，再加之三級扶正器的剛性支撐，大大改善了泵筒的受力狀況，使這種泵更適宜深井使用。

其技術優(yōu)勢在于：

1）在保證結構強度的前提下，減小了外形尺寸，其泵身結構最大外徑尺寸為89mm，下泵施工時更加順暢，不容易發(fā)生卡阻故障。

2）由于出油窗工作在泵筒外，加大了其外形尺寸，結構強度大大提高，避免了上罩斷裂故障的發(fā)生。

圖4 小外圓防砂泵結構圖

截至目前，江漢油區(qū)共投用這種自制小外圓防砂泵385臺，均未發(fā)生砂卡柱塞、砂堵泵筒和固定閥被堵死的現(xiàn)象，使用效果良好。其中，油井王西7斜－1井從起出解泵情況來看，泵上沉砂腔內(nèi)已經(jīng)充滿了粉砂及油泥，而固定閥完好，閥罩上未見沉砂，說明小外圓防砂泵起到了良好的沉砂作用。

2.3 尾管沉砂技術

2.3.1 常規(guī)尾管沉砂

部分出砂嚴重井，主要是酸化、壓裂等大型措施后的嚴重出砂井，常會出現(xiàn)篩管或繞絲篩管被泥砂“糊死”的現(xiàn)象。其原因為篩管或繞絲篩管底部直接安裝絲堵（或?qū)уF），使進入尾管中的砂粒沉降后逐漸堆積在篩管或繞絲篩管內(nèi)壁，致使油流通道阻塞。

針對這一現(xiàn)象，在篩管或繞絲篩管與絲堵（或?qū)уF）之間加裝一定長度的油管，使尾管內(nèi)的沉積砂不易在篩管或繞絲篩管內(nèi)壁積累，如圖5所示。但對于潛江組油藏，由于受摻水解鹽要求的限制，進液口與絲堵之間的儲砂管長度受到限制，必須使用油管短節(jié)，從而導致其儲砂能力有限。因此，現(xiàn)場應用具有一定局限性。

圖5 篩管或繞絲篩管下加裝油管示意圖

2.3.2 旋流式沉砂器

旋流分離是利用不互溶介質(zhì)之間的密度差進行離心分離，如圖6所示。

圖6 旋流分離示意圖

從切向進液口高速進入旋流腔的液體在腔內(nèi)急劇旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強烈的渦流并向下運動，其運動呈螺旋形。錐角段是發(fā)生分離的主要區(qū)域，由于液體產(chǎn)生渦流運動時，沿徑向方向的壓力分布不等，邊界處較高，核心區(qū)域較低，對連續(xù)相液體中的液滴產(chǎn)生向心壓差，促使輕質(zhì)相（油滴）向中心移動，重質(zhì)相（砂等雜質(zhì)）向邊壁移動，從而實現(xiàn)兩相分離。

旋流沉砂器就是根據(jù)這一原理設計而成的，它的上接頭接在抽油泵下，下接頭連接沉砂尾管，具有結構簡單，安裝使用方便的優(yōu)點，其主體結構如圖7所示。

圖7 旋流沉砂器結構示意圖

截至目前，已累計在出砂嚴重的油井使用這種旋流沉砂器15臺。油井累計平均檢泵周期延長了85天，防沉砂效果明顯。其中，總4井該工具下井前檢泵周期為219天，使用該工具后，免修期達到了530天。另外，泵抽尾管安裝使用的外徑73mm旋流沉砂器也是滿足江漢油區(qū)側(cè)鉆井（4"小套管、內(nèi)徑86mm）中唯一可利用的防砂工具。

2.3.3 可摻水旋流式沉砂器

由于旋流式沉砂器進液口在上，而沉砂尾管在下，為了實現(xiàn)在潛江組油藏摻水解鹽出砂井的使用，設計了旋流沉砂器專用可摻水外管及沉砂尾管，如圖8所示。

圖8 可摻水旋流式沉砂器尾管

3 應用效果

1）2014年，在綜合運用各種沉砂工藝技術后，江漢油區(qū)減少因砂卡（堵）所導致的維護作業(yè)井次下降了近20井次，大幅降低了檢泵作業(yè)費用，年節(jié)約作業(yè)成本近150余萬元。

2）在降低維護作業(yè)井次的同時，在一定程度上提高了油井整體采油時率，減少了因作業(yè)造成的產(chǎn)量損失，年挽回產(chǎn)量損失近300t，經(jīng)濟效益明顯。

4 結論

1）油田進入開發(fā)后期，地層出砂現(xiàn)象日益加劇，且砂粒主要以粉砂和油泥為主，且砂粒進入生產(chǎn)管柱易造成油井失效作業(yè)。

2）幾種沉砂技術各有所長，使用過程中應充分考慮油井實際生產(chǎn)特點。

3）相對于新溝嘴組，潛江組油藏在制定沉砂工藝時，應兼顧摻水解鹽需要。

4）針對側(cè)鉆井、大斜度井等復雜井況油井，其沉砂、防砂工藝技術還有進一步改進空間。

［1］萬仁溥.采油工程手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

［2］楊延紅.偏磨和出砂的原因分析及對策［J］.江漢石油職工大學學報，2012，25（2）：42－45.