一種新型不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置的分析與應用

張艷鳴（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

一種新型不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置的分析與應用

張艷鳴（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

隨著油田開采的不斷深入，油水井井下作業(yè)難度越來越大，井下作業(yè)事故呈逐年增加的趨勢。尤其是進入油田開發(fā)后期，地層壓力降較大，注采不平衡的矛盾凸顯，工作液滲漏，導致沖砂作業(yè)失敗，不僅導致油層傷害，而且作業(yè)成本也不斷攀升。介紹了一種新型的不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置，通過和其他裝置的對比、效率分析以及現(xiàn)場應用驗證了它的高效性，對油田生產(chǎn)有著至關重要的意義。

井下作業(yè)；不間斷循環(huán)；沖砂刮蠟裝置

沖砂是油水井作業(yè)施工常用的一項工序。據(jù)統(tǒng)計，在沖砂過程中，每次換單根停泵前需要徹底循環(huán)沖洗20 min，人力、物力資源浪費較為嚴重；甚至在沉砂嚴重情況下導致卡鉆，無法繼續(xù)施工，為此研究不間斷循環(huán)沖砂技術，治理嚴重砂埋井。

1 井下作業(yè)沖砂技術現(xiàn)狀

油田開發(fā)后期，地層壓力較大，注采比較低，下大泵提液和注采失衡，導致油層較早出砂[1]。具體原因是地層壓力較小，引起漏砂，井筒內的地層砂被限制在井筒內。首先，油井開井后沖進底層的散砂又重新回到井筒內，在油井開井后有大量散砂流出，易造成泵砂卡和泵活塞的損壞，油井供液變差，甚至停止工作，嚴重時會縮短油井的免修期。其次，沖砂液滲漏到地層中，會損害油層。最后被沖起來的砂子可能會散落，容易造成砂卡，加大了沖砂管柱施工作業(yè)的難度。以下介紹幾種常用的井下作業(yè)沖砂技術[2]。

1.1 水力沖砂

水力沖砂法利用高速流動的液體將井底的砂子沖散，同時利用循環(huán)上返的液流把散落的砂子帶回地面。水力沖砂技術包括油田凈化水循環(huán)沖砂、化學堵漏沖砂。

1）油田凈化水循環(huán)沖砂。主要用在地層能量較高，不漏砂或者輕微漏砂的油井中，應用范圍占待清砂井的一半。該方法具有操作連續(xù)、技術簡單的優(yōu)點，在井下狀況復雜的油井中應用效果明顯，需要注意的是該技術不能在漏失的地層中使用。

2）化學堵漏沖砂。高分子增黏材料是目前常用的化學堵漏材料，它由凍膠型暫時堵漏劑、屏蔽型暫蜻劑構成，以聚合物交聯(lián)體系為主。高分子增黏材料具有以下功能：能夠利用固定顆粒暫時堵漏；利用自身黏度減少沖砂液的滲漏。屏蔽型暫蜻劑具有較強的流動性及增堵建墻能力，可對較大裂縫的漏失層和空隙進行快速有效的封堵?；瘜W堵漏沖砂技術工藝簡單，對于漏失層的油井較為適合，但作業(yè)成本高，成功率有待提高。

1.2 加裝小套管式?jīng)_砂

加裝小套管式?jīng)_砂技術連續(xù)沖砂工具的主體部分是在中間管柱內向下移動的，防止上提沖砂管柱時遇卡，設計的防卡接頭安裝在中間管柱的底部，而且連續(xù)沖砂工具的主體部分以下的沖砂管柱選用倒角油管。其工具結構緊湊、操作簡便，提高了作業(yè)施工效率，與常規(guī)的沖砂作業(yè)相比，減少了井下作業(yè)事故，同時解決了大位移井和水平井的沖砂問題。

缺點是所需套管要用專用大車拉運，專用小套管變形后無法使用，技術套管間隙小，大顆粒無法沖出地面，密封點易損壞且無法檢測。

1.3 自封加閘板式?jīng)_砂

一種油水井不停泵連續(xù)沖砂裝置，主要解決現(xiàn)有沖砂裝置單一進液、間斷開式循環(huán)的問題。其特征在于：半封封井器上連接有可循環(huán)自封封井器，穿過半封封井器及可循環(huán)自封封井器的油管上連接有雙向單流閥。該油水井不停泵連續(xù)沖砂裝置具有雙向進液及連續(xù)不間斷密閉循環(huán)的特點。其缺點是每個單根需開關一次防噴器，且無法檢驗雙向密封性。

1.4 連接式?jīng)_砂

由液流控制組合閥、帶軟管線的快速接頭及上接頭構成，只需要在液流控制組合閥中安裝3個閥體即可。用上接頭、帶軟管線的快速接頭的接入和卸下分別來控制上流控制閥和側液控制閥的開與關，克服了原技術沖砂時在地面不斷接入排砂管線和接入沖砂管柱而停泵出現(xiàn)蹩泵和砂卡的現(xiàn)象。該技術結構簡單，施工安全，沖砂時間短，降低了作業(yè)成本，可廣泛用于各種規(guī)格套管的出砂井。

缺點是每一個單根需要裝拆專用循環(huán)連接密封工具，費時、費力。

1.5 下探式?jīng)_砂

下探式?jīng)_砂技術是由一種伸縮式連續(xù)沖砂裝置完成的，伸縮管可以上下活動，無須邊沖砂邊下管，沖砂時間大大縮短，勞動強度得以減輕，且該裝置不需維修，能反復使用。

缺點是需要單獨制作一套小直徑管和密封配件，成本比較高，連接處密封性無法檢測，且無法對砂質堅硬處進行沖砂，沖砂深度測定比較困難。

2 不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置

針對以上技術存在的問題，設計了一種新型不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置，該裝置可以減少用水量，縮短作業(yè)施工時間，減少卡鉆的事故，提高沖砂效率。

2.1 裝置的組成

不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置由地面三通控制閥組部分、雙向控制自封部件和入井控制閥部分組成。其中地面三通控制閥組由三通、油管循環(huán)控制閥、油管放空閥、自封循環(huán)控制閥、壓力表和水泥車接口組成（圖1）。

圖1 地面三通控制閥組

雙向控制自封部件由雙向自封殼體、2個鋼骨架硫化固定自封膠芯、自封頂蓋等組成（圖2）。

圖2 雙向控制自封部件

入井控制閥部分由自上而下為固定長度的油管短接、單流閥、循環(huán)閥和油管單根組成（圖3）。

圖3 入井控制閥

2.2 工作原理

液流的循環(huán)路線：

◇正常沖砂時液流從地面三通—沖砂彎頭—油管單根—固定長度短接—單流閥—循環(huán)閥—管柱—井底；

◇倒單根時液流從地面三通—雙向自封接頭雙向自封—循環(huán)閥—管柱—井底。

2.3 效率分析

由多重積分的意義可知，通過閉曲面S從時刻t到時刻t+Δt流入Ω的沖砂液質量為

式中：cosα、cosβ、cosγ為S的外法向余弦。

由高斯定理可知：

從t時刻到t+Δt時刻Ω沖砂液減少量為

由于液體是不斷流動的，沖砂液從t時刻到t+ Δt時刻流出S的質量為

同理，由高斯定理可知：

閉曲面S內從t時刻到t+Δt時刻沖砂液排放量為

從另一個角度看，由于濃度的變化引起Ω內質量的增加量為

由質量守恒定理得

所以，沖砂裝置的4D數(shù)學模型即四維重金屬污染模型為

初始條件為

合并同類項，即

解此線性微分方程得

對上式左右兩邊同時進行傅里葉變換得

利用計算機進行沖砂時的數(shù)值模擬，假設條件如下：土壤表層空氣橫向流速ux=1.5 m/s，縱向流速uy=0.2 m/s，豎直方向的流速uz=2 m2/s，橫向擴散系數(shù)Dx=50 m2/s，縱向擴散系數(shù)Dy=5 m2/s，豎直方向的擴散系數(shù)Dz=2 m2/s，地表平均深度H=20 m（提供地表深度是為了讓污染物的擴散有邊界限制），土壤表層空氣流量q=300 m3/s，即可通過計算機虛擬技術繪出沖砂裝置的三維變化（圖4）。

圖4 計算機虛擬沖砂裝置三維變化

由圖4可知，隨著時間的推移，水平面（也包括其他切面）擴散的速度在不斷減弱，達到一定的時間以后，其效率可以到達90%以上。

3 現(xiàn)場應用

將該裝置在現(xiàn)場進行沖砂應用，沖砂效果如圖5、圖6所示。

圖5 單次沖砂進尺對比

圖6 累計沖砂進尺對比

對效果分析后可知，單次沖砂效果提高2～3倍，目前具備連續(xù)沖砂100 m施工能力。增加循環(huán)閥組20件，最大連續(xù)沖砂距離由100 m可延至300 m，具備了水平井沖砂的能力。

通過制作小孔眼水泥車的入水口濾網(wǎng)（孔眼直徑由10 mm縮減到5 mm），滿足了循環(huán)水中雜質的過篩能力，避免砂粒二次入井。同時對循環(huán)閥入口的銳邊進行倒盾，將原來濾網(wǎng)式改為柵欄式過濾，增強了裝置的篩砂性。

4 結論

不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置在實際應用中具備了較強的適應性，可減少卡鉆事故，縮短作業(yè)周期，提高沖砂效率，進而實現(xiàn)了降本增效的目的。

[1]賈致芳．石油地質學[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1981：71-76.

[2]胡博仲．油水井大修工藝技術[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1998：10-15.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.010

2016-03-29

（編輯 李珊梅）

張艷鳴，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學院，從事采油工程與工藝的研究與試驗工作，E-mail：zhangymgc@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司第二采油廠工程技術大隊，163414。