沖砂試壓一體化技術(shù)在二次防砂油井中的應(yīng)用

徐路

中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院（遼寧 盤錦 124010）

遼河油田儲層多為疏松砂巖油氣藏，出砂問題嚴(yán)重。在進(jìn)行防砂施工前需進(jìn)行沖砂作業(yè)和油管試壓，以保證防砂管柱順利下入和施工安全。由于缺少專用的沖砂工具和油管試壓工具，以往的施工中存在沖砂不干凈的問題和安全、環(huán)保隱患[1-3]。同時(shí)上述兩項(xiàng)工序分步進(jìn)行，需要起下兩趟管柱，應(yīng)用兩套車組，增加了作業(yè)費(fèi)用。因此，研發(fā)油管沖砂試壓一體化技術(shù)，將油管沖砂、試壓兩項(xiàng)作業(yè)整合成一種工藝，節(jié)約了作業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)高效沖砂的同時(shí)也消除試壓過程中的安全、環(huán)保隱患，具有較高推廣價(jià)值。

1 技術(shù)研發(fā)背景

在油井防砂施工前的準(zhǔn)備工作主要有2項(xiàng)：一是沖砂洗井，即將原井筒內(nèi)的地層砂沖出地面，便于二次防砂管柱下入。目前現(xiàn)場沖砂作業(yè)主要應(yīng)用沖砂筆尖。二是油管試壓，保證篩管防砂過程中封隔器順利坐封和壓裂防砂過程中的施工安全。目前現(xiàn)場油管試壓一般采取投球打壓方式，起壓后保持設(shè)計(jì)壓力在一定時(shí)間內(nèi)不下降（一般為15 MPa，5～10min），即為油管試壓合格。試壓合格后，繼續(xù)打壓至球座剪切銷釘剪斷，油管上下貫通，施工完畢[4-5]。

目前沖砂、試壓施工主要存在以下問題：

1）沖砂、試壓施工分兩次進(jìn)行，需要起下兩趟管柱，應(yīng)用兩套車組，作業(yè)費(fèi)用高。

2）沖砂作業(yè)無專門工具，特別是在水平井中，沖砂洗井水力參數(shù)研究較少，沖砂效果不好[6-9]。

3）試壓過程剪切銷釘剪切力設(shè)計(jì)窗口范圍小，設(shè)計(jì)困難。剪切銷釘?shù)募羟袕?qiáng)度必須大于油管試壓的設(shè)計(jì)壓力。若剪切力設(shè)置過低，剪切銷釘在試壓過程中容易被誤剪斷，造成試壓失敗；若剪切力設(shè)置較高，則施工結(jié)束后難以剪斷，且存在安全隱患。

4）試壓失敗后起管柱困難，環(huán)境污染。油管試壓過程如果剪切銷釘出現(xiàn)問題，球座打不掉，油管上下不連通，起出管柱過程中油管內(nèi)液體會隨著油管的卸開而流到地面，不僅給起出油管施工帶來困難，也對環(huán)境造成污染[10]。

2 沖砂試壓一體化技術(shù)設(shè)計(jì)原理

2.1 管柱結(jié)構(gòu)及原理

2.1.1 管柱結(jié)構(gòu)

油管沖砂試壓一體化技術(shù)的核心為油管沖砂試壓一體化管柱，該管柱在功能上可以分為試壓總成和沖砂總成兩個(gè)部分。試壓總成自上而下依次由外筒、鋼球、球座、彈簧和頂桿等組成，沖砂總成自上而下依次由滑套外管、滑塊、滑套內(nèi)管、沖砂腔管和噴嘴組成。

其中球座和滑套外管設(shè)置于外筒內(nèi)，與外筒通過絲扣連接。頂桿、滑套內(nèi)管、沖砂接頭、噴嘴和砂鏟通過絲扣連接，組成一個(gè)可以上下滑動的部件，依靠滑塊與滑套外管相連。

2.1.2 沖砂技術(shù)原理

如圖1所示，沖砂總成的滑套內(nèi)管上部設(shè)置數(shù)個(gè)徑向通孔，使得滑套內(nèi)管內(nèi)外相連通?；變?nèi)管外壁設(shè)置多個(gè)長短軌道?；變?nèi)管通過滑塊與滑套外管相連接，滑塊卡在滑套內(nèi)管的軌道內(nèi)，滑套內(nèi)管可以相對于滑套外管上下移動、換軌，換軌過程中砂鏟隨滑套內(nèi)管旋轉(zhuǎn)。

圖1 沖砂試壓一體化管柱結(jié)構(gòu)示意圖

將該管柱上部連接油管，下入油井中，至底部工具到套管內(nèi)地層砂位置。下放管柱，滑套完成換軌，砂鏟旋轉(zhuǎn)，堆積地層砂被破碎。地面自油套環(huán)空泵入沖砂液，沖砂液攜帶地層砂進(jìn)入管柱內(nèi)部，往上流至油管，最終返出地面。

1）砂鏟與換軌設(shè)計(jì)。砂鏟如圖2所示，設(shè)計(jì)為十字形，中間有通孔，下部設(shè)計(jì)為尖狀，便于插入地層砂。管柱下入至沖砂位置，砂鏟與地層砂接觸，繼續(xù)施加載荷，滑塊沿長軌道往下移動到軌道最下端。上提管柱，滑塊在彈簧彈力作用下進(jìn)入短軌道，并進(jìn)一步上移至短軌道最上部，同時(shí)，滑套內(nèi)管帶動砂鏟旋轉(zhuǎn)，將地層砂松動。砂鏟和滑套結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 砂鏟結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 滑套中長短軌設(shè)計(jì)示意圖

2）沖砂頭設(shè)計(jì)。如圖4所示，沖砂頭由沖砂腔管和噴嘴組成。沖砂腔管內(nèi)部膨大形成液腔，沖砂腔管上設(shè)置水眼。噴嘴內(nèi)徑為變徑設(shè)計(jì)，自外而內(nèi)逐漸變小。

圖4 沖砂頭結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)伯努利方程：

式中：PA，PB分別為A和B處的壓力，MPa；AA，AB分別為A和B處的截面積，m2；vA，vB分別為A和B處的流速，m3/s；ρ為流體密度，g/m3；g為重力加速度,m/s2。

根據(jù)連續(xù)性方程得：vA=vB（AB/AA），同時(shí)由于AB＞AA知vB＞vA，所以PA＜PB，即沖砂過程中液腔內(nèi)形成負(fù)壓。

沖砂液經(jīng)油套環(huán)空泵入井內(nèi)，經(jīng)噴嘴進(jìn)入液腔。液流攜帶地層砂由噴嘴進(jìn)入液腔內(nèi)部往上流動過程中，由于噴嘴內(nèi)通徑變化使得液腔形成負(fù)壓，對水眼外部地層砂形成抽吸作用，側(cè)部地層砂被吸進(jìn)砂腔。同時(shí)水眼直徑設(shè)計(jì)為外小內(nèi)大，以減小液體過留阻力并防止堵塞。

2.1.3 油管試壓技術(shù)原理

試壓總成自上而下依次由外管、鋼球、球座、彈簧和頂桿等組成。

沖砂結(jié)束后，自油管內(nèi)投入鋼球，鋼球落到球座上，如圖5所示。自地面向油管泵入清水，對油管進(jìn)行試壓。試壓結(jié)束后下放管柱至井底，上提管柱時(shí)滑套換軌，頂桿向上頂起鋼球，油管內(nèi)外連通、泄壓。

圖5 管柱試壓結(jié)束后結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 技術(shù)參數(shù)

油管沖砂、試壓一體化管柱主要參數(shù)見表1。

表1 工具主要參數(shù)

2.3 沖砂試壓操作步驟

第一步：沖砂試壓管柱上部連接油管，下入井內(nèi)。

第二步：待管柱下到需沖砂部位，地面泵車向油套環(huán)空注入洗井液，反循環(huán)沖砂洗井過程中下放管柱至井底，下壓載荷1～2t后上提管柱，重復(fù)此操作直至返出液體無砂，沖砂結(jié)束。

第三步：地面更換管線，油管內(nèi)投入鋼球，泵車連接油管，根據(jù)施工設(shè)計(jì)進(jìn)行試壓；若不起壓，下壓管柱1～2t，上提管柱，繼續(xù)試壓操作。

第四步：試壓結(jié)束，下壓管柱1～2t，上提管柱，待管柱泄壓，將管柱起出地面。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

遼河油田杜813區(qū)塊開發(fā)層位是興隆臺油層，為高孔、高滲儲層，平均孔隙度為32.4%，平均滲透率為1664×10-3μm2。原油屬于超稠油，密度(20℃)平均為1.0098 g/cm3，采用蒸汽吞吐開發(fā)方式，生產(chǎn)過程中出砂嚴(yán)重、出砂量大，出砂粒度中值為0.224 mm。近年來，隨著蒸汽吞吐輪次增多，套損套壞現(xiàn)象增多，大量油井需要二次防砂，防砂方式為篩管防砂和管內(nèi)礫石充填防砂。主要存在問題如下：

1）由于杜813區(qū)塊儲為高孔高滲疏松砂巖油藏，出砂嚴(yán)重，且蒸汽吞吐開發(fā)后期套損造成出砂量大，導(dǎo)致二次防砂過程中原有防砂管柱內(nèi)地層砂堆積，沖砂困難。

2）二次防砂施工中防砂封隔器坐封壓力為18～22MPa，設(shè)計(jì)試壓壓力為22MPa，而由于區(qū)塊地理環(huán)境限制和濕地環(huán)保要求，泵車最高壓力限制在25 MPa，使得試壓剪切銷釘剪斷壓力在22～25MPa，設(shè)計(jì)要求精度高。

為此在杜813區(qū)塊二次防砂施工過程中，實(shí)施沖砂試壓一體化技術(shù)，2018年至今，該技術(shù)累計(jì)應(yīng)用28井次，施工成功率100%，單井縮短作業(yè)占井時(shí)間8h，單井節(jié)約作業(yè)及車組費(fèi)用1.2 萬元，無因沖砂、試壓環(huán)節(jié)導(dǎo)致防砂施工質(zhì)量問題，累計(jì)節(jié)省直接作業(yè)和車組成本33萬元，取得良好經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）沖砂試壓一體化技術(shù)是在常規(guī)沖砂、試壓基礎(chǔ)上發(fā)明的一種新工藝，通過一趟管柱實(shí)現(xiàn)沖砂和試壓兩個(gè)工序，節(jié)省了作業(yè)和車組費(fèi)用，縮短了占井時(shí)間。

2）油管沖砂試壓一體化管柱可旋轉(zhuǎn)砂鏟和沖砂頭的設(shè)計(jì)保證了沖砂過程的高效，降低了因沖砂不干凈導(dǎo)致防砂管柱下入困難的風(fēng)險(xiǎn)。

3）油管沖砂試壓一體化管柱改變以往試壓工具需要剪切球座的方式，避免了剪切銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)以及因?yàn)榍蜃虿坏粼斐傻沫h(huán)境污染和施工困難。

4）該工具適合于Φ139.7 mm及以上規(guī)格、無縮徑套變的油井二次防砂作業(yè)。