低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂技術配套裝置的研制與應用

管恩東

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124125)

0 引 言

遼河油田大部分油藏開采已經進入中后期，油藏壓力低，儲層物性差，油層漏失和出砂嚴重，造成砂埋油層，目前常規(guī)的暫堵沖砂等技術無法在該類井中建立有效循環(huán)，經常發(fā)生沖砂液漏失及砂卡現(xiàn)象，造成油層污染及井下事故，制約油井產量的提高[1-5]。針對該難題，低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂工藝技術(簡稱自吸式沖砂技術，下同)逐步得到推廣應用[6-10]，但在現(xiàn)場應用過程中，存在作業(yè)工期長、沖砂液漏失、易砂堵等問題[11-14]。為此，對自吸式沖砂技術裝置進行了改進，研制了雙級整體管柱和強制循環(huán)閥等配套裝置，形成了一套完整的低壓漏失井連續(xù)沖砂工藝技術，為低壓漏失井的沖砂治理提供了技術支持。

1 工藝結構及原理

1.1 工藝結構

自吸式沖砂技術裝置主要由井下動力系統(tǒng)、井下循環(huán)系統(tǒng)和地面配套系統(tǒng)三大部分組成(圖1)。

圖1 低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂工藝結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of the structure of the self-priming continuous sand flushing technology for low-pressure absorption wells

井下動力系統(tǒng)主要由水力噴射泵、噴砂器等部件組成。該系統(tǒng)主要是將地面壓力轉化為井下動力，水力噴射泵可將地面泵入的動力液與井下地層砂形成的混砂液，由高速低壓流動狀態(tài)轉變?yōu)榈退俑邏毫鲃訝顟B(tài)，為混砂液提供足夠的舉升力，將混砂液舉升至地面，達到連續(xù)排砂目的。

井下循環(huán)系統(tǒng)主要是雙層油管結構，外層為Φ88.9 mm油管，內層為Φ48.3 mm油管。外層油管連接水力噴射泵后先下入井內預定位置，然后再下入內管，建立起混砂液的內外循環(huán)通道。

地面配套系統(tǒng)包括雙級特殊沖砂接頭、雙級反循環(huán)連續(xù)沖砂裝置、旋流除砂裝置等關鍵部件。該系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)出口混砂液的有效分流和循環(huán)利用，達到不停泵連續(xù)沖砂的目的。

雙級特殊沖砂接頭主要由沖砂連接管、彎管接頭、推力軸承等部件組成，其連接在雙層油管的上端，與雙層油管共同形成2個獨立的循環(huán)通道，將入井動力液與返出混砂液有效分流，實現(xiàn)混砂液的循環(huán)利用。

雙級反循環(huán)連續(xù)沖砂裝置由雙管連續(xù)沖砂內管總成和雙管連續(xù)沖砂井口自封裝置兩部分組成。雙管連續(xù)沖砂內管總成與雙層油管連接并依次下入井內，井口自封裝置則安裝在井口大四通上。該裝置可利用雙級管柱形成內循環(huán)通道，由滑動換向裝置實現(xiàn)進出口液體轉換，保證不停泵下連接沖砂單根，又能返排混砂液，實現(xiàn)連續(xù)沖砂作業(yè)。

旋流除砂裝置安裝在循環(huán)系統(tǒng)出口末端，其作用是對井下返出混砂液進行液砂自動分離，避免地層砂再次返入地層。

1.2 工藝原理

自吸式沖砂技術系統(tǒng)的動力由地面配套系統(tǒng)中的水泥車提供，首先動力液通過高壓管匯、雙級特殊沖砂接頭、雙管連續(xù)沖砂內管總成、雙管連續(xù)沖砂井口自封，經過雙層油管環(huán)空，進入井下水力噴射泵，經噴射泵形成高速射流后，與井下混砂液混合后壓力升高，進入雙層油管內管，從井口返出，通過不斷下放管柱直至把井筒內的砂子全部返排至井口，實現(xiàn)低壓漏失井的連續(xù)沖砂作業(yè)[6-7]。

2 自吸式沖砂技術存在問題

自吸式沖砂技術在應用過程中逐步出現(xiàn)了一些問題。

(1) 原有循環(huán)系統(tǒng)中的雙層油管需分批次下入，導致施工作業(yè)時間長，且密封效果差，導致部分循環(huán)液漏失。

(2) 受水力噴射泵本身泵效、機械效率等因素影響，沖砂液漏失量較大，降低了返排速度和沖砂效率，需要不斷補充動力液和延長循環(huán)時間來達到排砂目的，導致施工周期延長，增加砂堵等井下事故風險。

針對上述2個主要問題，研制了雙級整體管柱和強制循環(huán)閥。

3 配套裝置研制

3.1 雙級整體管柱的研制

3.1.1 結構與原理

針對原工藝中雙層油管存在作業(yè)時間長、密封效果差的問題，研制了雙級整體管柱，內管和外管為一體化結構，可在作業(yè)過程中一次下入，且密封效果好，可有效建立內外2個獨立循環(huán)通道。雙級整體管柱主要由上接頭、接箍、雙級整體內管、雙級整體外管、下接頭、密封膠圈等組成(圖2)。

圖2 雙級整體管柱組合示意圖Fig.2 The schematic diagram of two-stage integral pipe string assembly

雙級整體管柱的主要作用是將井下動力系統(tǒng)和地面配套系統(tǒng)串聯(lián)在一起。雙級整體管柱外管為Φ88.9加厚油管；雙級整體管柱內管由上接頭、Φ48.3 mm油管和下接頭組成。雙級整體管柱內管的上接頭直接卡坐于雙級整體管柱外管接箍的臺肩處，實現(xiàn)內外管的連接；雙級整體管柱內管的下接頭與另一根雙級整體管柱內管的上接頭采用插入式密封的方式連接，同時配合使用密封膠圈實現(xiàn)密封；2根雙級整體管柱的外管則采用絲扣的方式進行連接。雙級整體管柱與地面安裝管線和雙級特殊沖砂接頭連接，建立一套密閉的內外循環(huán)通道[8-12],通過反循環(huán)沖砂方式完成沖砂工藝過程。雙級整體管柱內外管是一體化結構，可一次性下入井筒內，相對原工藝，減少了管柱下井流程，可有效縮短作業(yè)工期。

3.1.2 抗拉強度校核

根據(jù)井身結構和作業(yè)要求，雙級整體管柱外管選用Φ88.9 mm N 80加厚油管，內管選用Φ48.3 mm N 80油管。為保證雙級整體管柱的密封性和完整性，雙級整體管柱的抗拉強度需大于其最大載荷。雙級整體管柱的最大載荷出現(xiàn)在雙級整體管柱與井口采油樹連接位置。雙級整體管柱的載荷包括3個部分：Φ88.9 mm N 80加厚油管的重力、Φ48.3 mm N 80油管的重力、雙級整體管柱內管及環(huán)空液體的重力。

雙級整體管柱強度校核公式為：

P>G1+G2+G3

(1)

式中：P為Φ88.9mm N80加厚油管的抗拉強度，kN；G1為Φ88.9 mm N 80加厚油管的重力，kN；G2為Φ48.3 mm N 80油管的重力，kN；G3為雙級整體管柱內管及環(huán)空液體的重力，kN。

以該技術常用油藏平均埋深(2 000 m)為例，Φ88.9 mm N 80加厚油管的抗拉強度為53.80 kN，G1、G2、G3分別為27.31、8.95、7.96 kN，三者之和為44.22 kN，即雙級整體管柱抗拉強度滿足現(xiàn)場需要。

3.1.3 攜砂速度校核

混砂液是通過雙級整體管柱內管返出地面的，因此，需要確定垂直井筒內混砂液的最小攜砂速度。當沖砂裝置出口的返排流速大于最小攜砂速度時，混砂液可充分返排出井筒，實現(xiàn)沖砂目的。垂直井筒最小攜砂速度：

(2)

式中：Uc為最小攜砂速度，m/s；ρs為砂子的密度，kg/m3；ρ1為動力液的密度，kg/m3；g為重力加速度；dp為砂粒直徑，mm；CD為混砂液助力系數(shù)，7.28×10-2N/m。

出口返排流速為：

(3)

式中：V為沖砂裝置出口返排流速，m/s；Q為沖砂裝置進口最低流量，一般取值為0.25 m3/min；D為外管直徑，m；d為內管直徑，m。

根據(jù)現(xiàn)場經驗，平均砂粒直徑為380 μm，ρs=1500 kg/m3，ρ1=1000 kg/m3，D=0.0762 m，d=0.0483 m。將數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)計算可知，Uc=1.12 m/s，V=4.80 m/s。出口返排流速大于垂直井筒最小攜砂速度，即系統(tǒng)可順利將混砂液返排至井口。

3.1.4 技術參數(shù)

雙級整體管柱長度為9 500 mm；外管外徑為88.9 mm，內徑為76.2 mm；內管外徑為48.3 mm，內管內徑為38.0 mm；密封接頭耐壓為50 MPa，耐溫為200 ℃。

3.2 強制循環(huán)閥的研制

3.2.1 結構與原理

強制循環(huán)閥主要由閥門彈簧上座板、外管、閥門彈簧、閥門密封圈、閥門彈簧下座板、閥門座密封圈、閥門座、壓板、導桿等部件組成(圖3)。

強制循環(huán)閥工作原理如圖4(圖中紅色箭頭為混砂液流動方向)所示。強制循環(huán)閥安裝在水力噴射泵的下端，沖砂管柱下放，當壓板接觸到井底砂面后，導桿帶動閥門彈簧下座板上行，左右通道同時打開并連通，井底混砂液經過通道進入水力噴射泵低壓區(qū)，與高壓動力液一起排出地面。隨著砂面降低，壓板離開砂面，在重力以及彈簧力作用下，導桿帶動閥門彈簧下座板下行，封住左右通道，保證動力液可以全部進入雙級整體管柱內管。當沖砂長度達到一根油管長度時，停泵再接入下一根雙級整體管柱，重復下輪沖砂作業(yè)，直到沖砂至人工井底或魚頂之上。

圖3 強制循環(huán)閥結構示意圖Fig.3 The schematic diagram of the structure of the forced circulation valve

圖4 強制循環(huán)閥工作原理示意圖Fig.4 The schematic diagram of the working principle of the forced circulation valve

3.2.2 強制循環(huán)閥彈簧優(yōu)選

為確保循環(huán)閥彈簧工作可靠，綜合考慮井下工況、強制循環(huán)閥結構及彈力需求，根據(jù)工作載荷(1 350 N)和彈簧最大變形量(200 mm)等參數(shù)，確定彈簧各項參數(shù)：彈簧材質為碳素彈簧鋼絲C級，彈簧鋼絲直徑為8 mm，彈簧中徑為75 mm，彈簧長度為720 mm，總圈數(shù)為18圈。經計算，其疲勞安全系數(shù)為1.37，在安全系數(shù)范圍內。

4 現(xiàn)場應用

低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂配套裝置研制成功后，該技術累計沖砂施工300余井次，沖砂成功率為95%，簡化了作業(yè)施工程序，縮短了施工工期，提高了生產時效及系統(tǒng)效率，推廣應用前景十分廣泛。

典型井例：高2-2-96井。該井位于遼河油田稠油區(qū)塊高3塊，開發(fā)層位為蓮花油層，套管射孔完井，射孔井段為1 555.6～1 610.1 m，油層厚度為47.2 m，完鉆井深為1 654.0 m，套管外徑為177.8 mm。由于進入蒸汽吞吐開發(fā)后期，該井地層壓力只有3 MPa，漏失嚴重，常規(guī)沖砂技術無法建立循環(huán)，因此，采用低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂技術沖砂。700型水泥車做為動力源，下入雙級整體管柱166根，探砂面為1 583.0 m；水力噴射泵噴嘴直徑為5.7 mm，喉管直徑為9.5 mm；地面施工壓力為15 MPa，進口排量為20.0 m3/h，出口排量為19.5 m3/h；沖砂速度為0.5 m/min，單根返排時間為30 min，共計下放雙級整體管柱3根(合計27.6 m)，沖至1 610.6 m，共沖砂0.55 m3，用時4 h，施工周期縮短8 h；沖砂系統(tǒng)漏失量由原來30.0%降至2.5%，達到漏失井沖砂設計要求。

5 結 論

(1) 雙級整體管柱的研制，解決了原系統(tǒng)內外管柱單獨起下，工作量繁瑣問題，縮短了作業(yè)工期，提高了生產時效。

(2) 強制循環(huán)閥通的研制，解決了原系統(tǒng)沖砂漏失量大、效率低、停泵造成砂堵等問題。

(3) 改進后的裝置沖砂成功率為95%，簡化了作業(yè)施工程序，縮短了施工工期，提高了生產時效及系統(tǒng)效率。