海上多層防砂生產(chǎn)井新型沖砂管柱設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張　磊，曹硯峰，劉傳剛，王丙剛（.中海油　研究總院，北京0008；.中海油　能源發(fā)展股份有限公司，天津30045）

海上多層防砂生產(chǎn)井新型沖砂管柱設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張磊1，曹硯峰1，劉傳剛2，王丙剛2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津300452）

在油井生產(chǎn)過程中，由于地層砂以及細(xì)顆粒從地層產(chǎn)出，容易堵塞篩管和篩套環(huán)空，導(dǎo)致滲透性降低，造成油井產(chǎn)能逐漸降低以及篩管沖蝕破壞等問題。常規(guī)的沖砂管柱需要下入多趟管柱，作業(yè)過程相對(duì)繁瑣，同時(shí)沖砂作業(yè)周期較長。在對(duì)當(dāng)前沖砂解堵技術(shù)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行了管柱和工具設(shè)計(jì)，研制出滿足現(xiàn)場(chǎng)沖砂解堵需求的工具，為防砂井沖砂解堵提供技術(shù)保障。

油井；沖砂；篩套環(huán)空；管柱設(shè)計(jì)

在油氣井開發(fā)生產(chǎn)階段，防止油層出砂是維持油田正常生產(chǎn)的關(guān)鍵措施之一，有效阻止儲(chǔ)層出砂是保證油田穩(wěn)定生產(chǎn)的重要技術(shù)措施［1］。導(dǎo)致生產(chǎn)井失效及生產(chǎn)井防砂失敗的主要原因：一是防砂措施失效，地層砂進(jìn)入井筒掩埋油層而使油井產(chǎn)量降低或停產(chǎn)；二是各種防砂管柱或擋砂礫石層并未損壞，而是地層中的粘土、粉細(xì)砂或其他物質(zhì)堵塞了管外的充填礫石防砂管縫隙。對(duì)于防砂失效的油井，通常的處理方法是清洗返排井下的砂柱；對(duì)于堵塞嚴(yán)重的井下防砂管，有時(shí)必須起出更換，不但成本很高（相當(dāng)于大修），而且作業(yè)周期較長，影響油田正常生產(chǎn)。沖砂解堵處理技術(shù)是一種物理解堵技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的增產(chǎn)增注效果，不僅有效疏通油層，延長油井防砂有效期，同時(shí)還達(dá)到疏通儲(chǔ)層、恢復(fù)產(chǎn)能，降低采油成本的目的。

1　多層防砂生產(chǎn)井簡介

我國海上油田一般采用機(jī)械防砂，考慮到海上油田鉆完井作業(yè)費(fèi)率高，選用防砂工藝技術(shù)的基本要求是作業(yè)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小。目前，海上油田常用的防砂工藝技術(shù)主要有5種，分別是套管井獨(dú)立篩管防砂工藝技術(shù)、套管井單層礫石充填防砂工藝技術(shù)、套管井一趟多層礫石充填防砂工藝技術(shù)、裸眼井獨(dú)立篩管防砂工藝技術(shù)、裸眼井礫石充填防砂工藝技術(shù)。礫石充填防砂工藝技術(shù)是油氣井在套管射孔后，產(chǎn)層下入篩管并利用封隔器進(jìn)行封隔，地面利用防砂泵將一定質(zhì)量濃度的砂漿從鉆桿（油管）泵入井內(nèi)，通過選擇性轉(zhuǎn)換工具使砂漿充填在射孔炮眼內(nèi)及篩管／套管、盲管／套管環(huán)形空間，直至覆蓋整個(gè)防砂段，這樣地層砂就被較大的礫石擋住，而礫石本身又被篩管擋住，實(shí)現(xiàn)防砂目的。礫石充填防砂工藝技術(shù)適應(yīng)于部分地層砂分布不均勻，粒度較細(xì)，泥質(zhì)含量高，油品性質(zhì)差的地層。

2　礫石充填防砂管柱

海上油田244.475mm（9英寸）礫石充填防砂管柱如圖1所示。常用防砂工具基本尺寸：頂部封隔器內(nèi)徑為152.4mm（6英寸），隔離封隔器內(nèi)徑為127mm（5英寸），隔離封隔器上下密封筒內(nèi)徑為120.65mm（4.75英寸），139.7mm（5英寸）盲管和優(yōu)質(zhì)篩管內(nèi)徑為124.26mm（4.892英寸）。

圖1　224.475mm礫石充填防砂管柱示意

3　沖砂解堵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

沖砂解堵技術(shù)主要包括井下電脈沖解堵技術(shù)、負(fù)壓法地層解堵技術(shù)、水力振動(dòng)解堵技術(shù)、高壓旋轉(zhuǎn)水射流解堵技術(shù)、化學(xué)解堵技術(shù)等。其中井下電脈沖解堵技術(shù)主要是利用一定頻率的高電壓脈沖電流，使之發(fā)生空化現(xiàn)象，從而解除儲(chǔ)層堵塞與污染；負(fù)壓法地層解堵技術(shù)是通過負(fù)壓發(fā)生器以及開關(guān)泵組的方法，對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生負(fù)壓，利用壓降，解除對(duì)近井地帶的污染；水力振動(dòng)解堵技術(shù)是利用水力振動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊波，使堵地層及篩管中的堵塞物松動(dòng)并脫落，進(jìn)一步達(dá)到清除巖石孔隙及篩縫中堵塞物的目的；高壓旋轉(zhuǎn)水射流解堵技術(shù)是利用可控旋轉(zhuǎn)自振空化射流工具在井筒中上下移動(dòng)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)噴頭產(chǎn)生水力脈沖沖擊以及高頻振蕩等作用，沖擊防砂管，達(dá)到解除堵塞的目的。以上技術(shù)也可配合酸液等化學(xué)解堵方法一起使用，可進(jìn)一步增強(qiáng)解堵效果［2-5］。

4　新型沖砂管柱

通過對(duì)解堵技術(shù)的調(diào)研，本文確定2種解堵技術(shù)：

1）高壓旋轉(zhuǎn)射流技術(shù)。是一種新型的解堵技術(shù)，它是利用高壓旋轉(zhuǎn)射流工具將攜砂液打入地層，使得篩管、盲管和套管環(huán)空之間的地層砂處于懸浮狀態(tài)，并通過攜砂液將砂礫帶出。

2）篩套環(huán)空沖砂技術(shù)（大通徑防、沖砂一體管柱技術(shù)）。是國內(nèi)最先進(jìn)的機(jī)械篩管丟手防砂工藝管柱技術(shù)，該技術(shù)可徹底解決油田普通使用的丟手割機(jī)械篩管防砂所存在的問題，可實(shí)現(xiàn)在多次不起出原防砂管柱的基礎(chǔ)上徹底沖砂，可清除人工井底以上至套管頭以下所有可能積砂處的沉砂。當(dāng)完成沖砂作業(yè)，起出沖刷管柱后，該機(jī)械防砂管柱結(jié)構(gòu)仍留在井內(nèi)，可繼續(xù)起到防砂作用。

由于整個(gè)管柱內(nèi)徑變化較小，采用高壓旋轉(zhuǎn)沖洗工具沖洗篩管內(nèi)部細(xì)砂，采用皮碗封隔器上下封堵沖洗篩套環(huán)空細(xì)砂。結(jié)合渤海油田完井防砂管柱特點(diǎn)及沖砂工具技術(shù)特點(diǎn)，新型沖砂管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　沖砂管柱示意

4.1篩管內(nèi)部沖砂解堵作業(yè)

將沖砂管柱下入篩管內(nèi)至沖洗位置后，開啟設(shè)定排量對(duì)篩管內(nèi)壁進(jìn)行沖洗，可以配合連續(xù)循環(huán)短節(jié)或者連續(xù)油管等其他不間斷沖洗作業(yè)設(shè)施實(shí)現(xiàn)不停泵沖洗作業(yè)，當(dāng)沖洗至管柱最下端后，加大排量或者采用大排量循環(huán)閥導(dǎo)通，之后進(jìn)行大排量洗井作業(yè)，直至所有細(xì)粉砂等返出干凈。

圖3　沖砂管柱作業(yè)示意

4.2篩套環(huán)空沖砂解堵作業(yè)

將沖砂管柱下入篩管內(nèi)至厚壁密封筒，用負(fù)荷顯示器的噸位顯示來判斷管柱下入位置，經(jīng)過上層充填滑套時(shí)，滑套開關(guān)工具通過雙向臺(tái)階裝置將上層充填滑套打開，上提管柱至滑套關(guān)閉工具經(jīng)過上層滑套從而關(guān)閉滑套；同理通過中層滑套，經(jīng)過底層滑套時(shí)打開滑套，建立循環(huán)通道，繼續(xù)下入到設(shè)計(jì)沖砂位置后，投入鋼球小排量泵送至單流閥處將其閥口封住，使管柱內(nèi)部憋壓，如圖3。同時(shí)開泵加入高壓攜砂液，使內(nèi)部壓力升高促使上部液壓皮碗封隔器和下部液壓皮碗封隔器坐封在篩管內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)沖砂段的上下兩端的封堵，從高壓沖砂管噴嘴處噴出高壓沖砂液對(duì)篩管和套管環(huán)空的細(xì)粉砂及聚合物進(jìn)行沖洗，同時(shí)高壓沖洗液將沖洗掉的雜質(zhì)經(jīng)滑套返出至井口，完成洗井作業(yè)。當(dāng)該段作業(yè)結(jié)束后，停泵或降低泵沖，上提管柱至一定高度實(shí)現(xiàn)底層防砂段的分段沖洗，當(dāng)?shù)讓臃郎岸螞_洗結(jié)束后，上提管柱滑套關(guān)閉工具通過單向臺(tái)階裝置將滑套關(guān)閉位置，滑套開關(guān)工具過滑套再次對(duì)滑套進(jìn)行關(guān)閉，確保滑套正常關(guān)閉，中層和頂層防砂段沖砂與底層同理。

4.3關(guān)鍵工具技術(shù)特點(diǎn)

4.3.1高壓沖洗工具

高壓旋轉(zhuǎn)沖洗工具結(jié)構(gòu)如圖4所示。工具上下兩端采用API標(biāo)準(zhǔn)螺紋，內(nèi)部有液體流道，下部有不同方向的噴嘴，在高壓沖洗液的作用下，旋轉(zhuǎn)噴嘴提供切向力，促使工具旋轉(zhuǎn)，沖洗側(cè)面的管柱內(nèi)壁。工具內(nèi)部安裝一對(duì)單列圓錐滾子軸承，在承受高壓作用下軸的推力同時(shí)減小工具在旋轉(zhuǎn)過程中的阻力。高壓旋轉(zhuǎn)沖洗工具工作原理如圖5所示，可以對(duì)生產(chǎn)管柱內(nèi)部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗，不僅將管柱內(nèi)部細(xì)砂沖出，還能通過循環(huán)將砂粒排出，具有疏通儲(chǔ)層恢復(fù)產(chǎn)能等功能。

圖4　高壓旋轉(zhuǎn)沖洗工具結(jié)構(gòu)

圖5　高壓旋轉(zhuǎn)沖洗工具工作原理

4.3.2高壓沖砂管

高壓沖砂管是靠水力作用的沖砂機(jī)構(gòu)，采用水力噴射原理進(jìn)行噴嘴優(yōu)化和布孔設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的沖砂排量下，由于噴嘴出口面積小于管柱內(nèi)部通徑面積，管柱內(nèi)部憋起高壓，一方面促使皮碗封隔器坐封于篩管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)沖砂段上下端的封堵；另一方面流體從噴嘴高速噴出經(jīng)井筒內(nèi)液柱沖擊篩管，對(duì)篩管上附著的油污和細(xì)粉砂進(jìn)行有效沖擊，最后經(jīng)篩管和套管之間形成的環(huán)空向上返出，如圖6所示。

圖6　高壓沖砂管工具示意

4.3.3液壓皮碗封隔器

沖砂用液壓皮碗封隔器如圖7所示。是一種靠水力噴射產(chǎn)生的管柱內(nèi)部壓力進(jìn)行坐封，從而封隔篩管目標(biāo)沖砂段上下端的液壓坐封封隔器。包括皮碗膠筒和活塞機(jī)構(gòu)，在沖砂管柱中2套液壓皮碗封隔器安裝方向相反，從而實(shí)現(xiàn)坐封時(shí)封隔目標(biāo)沖砂段。在下入過程中，皮碗膠筒外徑小于篩管內(nèi)徑，當(dāng)下入至目標(biāo)段后，開泵沖砂作業(yè)，管柱內(nèi)部憋壓，在液壓的作用下工具內(nèi)部憋壓使活塞移動(dòng)，使皮碗膠筒受壓產(chǎn)生變形坐封于篩管內(nèi)壁，泄壓后膠筒恢復(fù)形變自動(dòng)解封。

圖7　液壓皮碗封隔器示意

4.4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型沖砂管柱技術(shù)已在渤海綏中、南堡等油田進(jìn)行了5口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好沖砂效果。

5　結(jié)論

1）通過研究沖砂解堵工具及配套工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)海上低產(chǎn)、低效井的沖砂解堵作業(yè)工藝技術(shù)和工具?？捎行柰ㄓ蛯印⒀娱L油井防砂有效期、降低采油成本。提出了一種解決海上篩管堵塞的方法。

2）利用物理解堵法實(shí)現(xiàn)沖砂解堵作業(yè)，可以滿足基本沖砂要求，配合攜砂液沖砂，在清理砂堵的同時(shí)有良好的攜砂效果。

［1］萬仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［2］鄭金龍.油井解堵技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（1）：104-105.

［3］黃中偉，李根生，羅洪斌，等.水平井防砂管內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流沖砂解堵機(jī)理與試驗(yàn)［J］.石油鉆采工藝，2008（3）：93-96.

［4］黃中偉，馬家驥，李根生，等.高壓旋轉(zhuǎn)射流解除井下防砂管柱的堵塞［J］.石油鉆采工藝，2004（6）：65-67.

［5］汪偉英.注水井解堵增注技術(shù)綜述［J］.鉆采工藝，1995 （4）：35-38.

Research and Application of New Type Sand Washing String based on Multi Sand Production Well

ZHANG Lei1，CAO Yanfeng1，LIU Chuangang2，WANG Binggang2
（1．Research Institute，CNOOC，Beijing 100028，China；2．EnerTech-Drilling&Production Co．，CNOOC，Tianjin 300452，China）

In oil production，due to the formation of sand and fine particles from the output of the formation，they are easy to block the screen and casing annulus，resulting in permeability decrea-ses，causing well productivity decreased gradually and screen erosion damage，conventional sand washing string in many times ripping，operation process is relatively cumbersome and sand opera-tion cycle is longer.In view of the above questions，this paper in the sand washing solution tech-nology is studied based on the combination of the actual data and the data were sand washing string design，detailed design tool，developed to meet the field sand washing plugging tool require-ments，and provide technical support for washing sand plugging of sand control wells.

oil well；sand washing；screen and casing annulus；string design

TE952

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.011

1001-3482（2015）12-0045-04

2015-06-12

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”（2011ZX05024-003）

張磊（1984-），男，工程師，碩士，主要從事海底管道的設(shè)計(jì)與技術(shù)研究。