水平井沖砂洗井技術(shù)進展

＊尹興雨

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 陜西 710065）

20世紀(jì)末，隨著石油開采量的增加，油田單井產(chǎn)量大幅度提高、原油采收率進一步提升，油田的效益大幅度提升。但開采過程中，油井由于長時間使用，地面產(chǎn)狀氣壓逐漸降低，往往會發(fā)生地層出砂的問題。在用砂礫回填過程中，就會發(fā)生充填性砂石大量堆積井底的現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)出較高時，砂子就會在正常產(chǎn)出的流體中出現(xiàn)漂浮的狀況，這就會使采油設(shè)備產(chǎn)生很大損壞，在到達地面后就必須對砂體加以剝離與處置，從而提高了生產(chǎn)成本。當(dāng)產(chǎn)出較低時，砂體會滯留于豎井中產(chǎn)生砂柱、砂床，并阻塞了噴砂射孔段和近地面下沉井壁的地層，使油井井底流體流速與阻力增加，生產(chǎn)率降低，嚴(yán)重時影響正常產(chǎn)出。因此，水平井的沖砂洗井效率直接影響其生產(chǎn)率和開發(fā)成本。

1.沖砂方式

沖砂方式主要有正沖砂、反沖砂、正反沖砂和聯(lián)合沖砂等幾種方式[1]。

正沖砂方法在施工中將沖砂液先沿沖砂管方向流淌，最后在沖砂口以較快的速度沖刷油井的井底沉砂，將沖散的砂子砂塊和工作液混勻，然后液體沿沖砂管和套環(huán)之間的縫隙返回地面。隨著砂堵不斷被沖開，沖砂管柱的位置逐漸加深。期間需要注意的是在下放過程中速度不宜過快，避免在插入砂堵時引起憋泵。正沖砂的好處是沖砂強度大，缺點是攜砂力較弱。大粒砂子不易被帶出，并且停泵后砂子會下沉，容易出現(xiàn)卡住的風(fēng)險。

反沖砂方法為沖砂的工具液沿套管和沖砂管環(huán)空間隙流下，直接沖擊油井井底的沉砂，當(dāng)沖散了沉砂之后，工作液與砂子結(jié)合相互攪拌，最后再順著沖砂管回流至地面，這種方法上返過程中速度比較快，能夠有效的減少卡砂的問題。但缺點是下行期間速度較低，所以無法解決砂堵嚴(yán)重問題。相比較而言：正沖砂撞擊力大，在管柱底部可帶動渦輪鉆具等沖砂用具工作，較方便的把砂堵沖散，但由于環(huán)空橫截面大，進而造成液體流動上返流速較小，不利于攜砂，若使用不規(guī)范，容易引起卡鉆。反沖砂環(huán)空液流在上返過程中速度較快，對攜砂有較好的幫助作用。但由于井口高度不易控制，液流對沉砂的撞擊力也相對小，沖砂井內(nèi)底部并沒有裝帶水動力的渦輪式鉆具[2]等沖砂器械。

正反沖砂法具有正沖砂與反沖砂的優(yōu)勢，利用正面沖砂的方法，油井井底的沉砂被沿沖砂管滴下的沖砂液沖散，使用正沖砂的方法與液體攪拌后，用反面沖砂的方法直接將砂子帶到地面，而利用正反沖砂法還有另外一個要求就是必須在井口安裝管匯，這樣就可以在轉(zhuǎn)換沖砂的方法同時快速開關(guān)閥門，進而保障沖砂的效率。缺點是管柱不能帶水動力渦輪鉆具等工具。

2.沖砂洗井技術(shù)發(fā)展

(1)真空清砂技術(shù)

同心連續(xù)管真空清砂技術(shù)在北美地區(qū)最先發(fā)展應(yīng)用是在傳統(tǒng)連續(xù)管清砂技術(shù)上的進一步完善和發(fā)展。作為一項新穎的井下作業(yè)技術(shù)，在面對井下作業(yè)出現(xiàn)棘手問題時，能夠按需求進行施工，是一種高效的洗井工藝技術(shù)。

連續(xù)管真空清砂裝置由噴射泵與同心連續(xù)油管兩部分組裝而成。其工作機理是井內(nèi)底部的射流泵在沖砂水流入同心連續(xù)管內(nèi)管后被水利效應(yīng)激發(fā)為工作狀態(tài)。因此，局部負壓在井底形成，抽吸效應(yīng)使得內(nèi)管不斷的被砂子所填充，然后將沖砂水經(jīng)過井內(nèi)自身的環(huán)空上返至地面。因為管柱設(shè)計的環(huán)空空間受到限制，受此影響環(huán)空中的液流流速較快，砂子因此會被迅速的帶往地面。因此，此技術(shù)不僅能做到快速施工，而且還為低壓水平井提供了改進的砂清除技術(shù)。

(2)密閉連續(xù)沖砂洗井技術(shù)

密閉連續(xù)沖砂洗井技術(shù)的原理是環(huán)空和油管通過井下?lián)Q向器被緊密連接到一起，通過改變流通管道使沖砂液能夠向下產(chǎn)生有力的沖擊，同時向上的返出速度較快，能夠?qū)⑸傲У降孛?，在井口處沖砂液中的砂粒會被去除[3]，為了循環(huán)利用，潔凈的沖砂液會返回到井中重復(fù)作業(yè)。泵車需要在這個過程中持續(xù)處于工作狀態(tài)。

(3)連續(xù)管沖砂洗井技術(shù)

連續(xù)管沖砂洗井技術(shù)適合大斜度井或者水平井的沖砂施工，通常會加上扶正器或彎曲管柱形體來適應(yīng)井下復(fù)雜的井深軌跡。其優(yōu)點有：工作效率高[4]，可連續(xù)工作；成本低，比常規(guī)洗井作業(yè)降低近一半；具有很強的抗拉伸性，可下較深的井底；無需把施工井原有管柱起出地面，對底層傷害小，特別適合井眼軌跡復(fù)雜的沖砂作業(yè)；易于安裝，占地面積小作業(yè)施工快。

(4)泡沫沖砂洗井技術(shù)

在實際的沖砂作業(yè)中，以上所描述的洗井技術(shù)主要用海水、鹽水、地層水、原油和柴油等易獲取的方便流體[5]。泡沫流體兼具低密度和高攜砂能力的特點，可以作為低密度沖砂液的首選。

泡沫沖砂洗井技術(shù)有三個特點：

①在同等條件下，泡沫流體阻力的最大攜砂力遠高于清水[6]，或者普通沖砂水；

②泡沫流體可通過工具調(diào)整泡沫密度，進而改變液柱壓力；

③泡沫流體因為具有較強的攜砂性，對井壁和管柱上的粘附物有著很好的清理能力。

3.水平井沖砂工具

(1)普通油管旋流連續(xù)沖砂工具

普通油管工作原理[7]是讓沖砂液在井壁與管柱之間的縫隙通過水眼進入管柱。再通過管柱的獨立環(huán)空進入噴頭。設(shè)計沖砂液通過水眼高速噴出，噴頭開始轉(zhuǎn)動，最后在井底形成高速旋轉(zhuǎn)。攪動水平井段的沉砂，沖散砂床，保持顆粒不會下沉，保持懸浮，通過上返液流把砂粒帶回地面，清理井底[8]。在這個過程中想要保持持續(xù)的沖砂就要實現(xiàn)不停泵接單根，這樣才能保持顆粒懸浮不下沉，從而避免管柱卡砂事故。水力旋流沖砂器就是為達到此目的所研制出的關(guān)鍵部件。

(2)連續(xù)管旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井工具

水平井井身構(gòu)造也存在一定特點，目前我國國內(nèi)已普遍使用連續(xù)管直接裝上螺旋噴流沖砂洗井工具來完成水平井沖砂洗井作業(yè)[9]。該工具的主體為螺旋噴嘴，噴頭通常布置于前方、側(cè)邊和后部。其中，最前端噴頭數(shù)量通常為1至3個，主要是用于撞擊破壞或定向在水平井下部膠結(jié)的砂床；側(cè)面或后部的噴頭，通常為2至4個。主要是驅(qū)使旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)動[10]，并在豎井環(huán)空內(nèi)形成旋流場，以提高砂子紊流強度，從而降低砂子的沉降速率；而后部噴頭產(chǎn)生向后噴流場，驅(qū)掃砂床以減少其在豎井內(nèi)的殘留，從而提升驅(qū)掃效能。在實際施工中先下沖砂管柱至井段后，下放速度通常小于5m/min，距砂面10m時，停止下放，卸掉自封封井器。連接換向短節(jié)（之后的每根油管上都要接，施工前應(yīng)連接好）及水龍帶后，控制排量進行循環(huán)，如泵入液量超過井筒液面以上容積1.2～1.5倍時，仍未建立循環(huán)，再適當(dāng)提高排量直至建立循環(huán)，正常沖砂過程中泵壓應(yīng)控制在7MPa以內(nèi)，下鉆速度控制在2m/min，并控制排量。設(shè)計沖砂至人工井底。達到設(shè)計深度后，充分循環(huán)洗井，當(dāng)出口含砂量合格后，上提管柱至水平井段以上，一段時間后再復(fù)探砂面，記錄深度。若發(fā)現(xiàn)沖砂返出物中有固體膠結(jié)或垢塊，需要進行泄壓、拆卸地面管線，起出管柱。

(3)同心連續(xù)管真空清砂工具

繼連續(xù)管螺旋噴流式?jīng)_砂洗井技術(shù)發(fā)展成功以后，國外企業(yè)已開始積極發(fā)展同心連續(xù)性管標(biāo)準(zhǔn)真空清砂工藝技術(shù)[11]，以求達到水平井的高效率安全沖砂洗井生產(chǎn)作業(yè)。該工藝技術(shù)一般涉及同心連續(xù)性管和國際標(biāo)準(zhǔn)真空清砂用具。國際標(biāo)準(zhǔn)真空清砂技術(shù)工具通過利用焊接接頭裝于同心連續(xù)性管下部，流體參數(shù)下由工具噴頭高速流出，在部分流體參數(shù)上返至井口，而剩下的流體則流向井底[12]。再由文丘里管腔室的功能，逆時針循環(huán)系統(tǒng)攜帶巖屑吸到工具中，再經(jīng)過同心連續(xù)性管的環(huán)空上返至井口，完成標(biāo)準(zhǔn)沖砂洗井。

4.水平井沖砂過程常見問題

(1)沖砂過程卡鉆

在沖砂中，井內(nèi)管柱會貼近下沉井壁并經(jīng)過豎直的放置井，在管柱受“鐘擺力”和摩擦力的共同影響下，砂子易卡在豎井成為砂卡，因此沖砂液對砂子的攜帶效果也會隨著黏度的增加而提高。沖砂液黏度增加，水泥層的高度也就會提高，所以當(dāng)正沖砂段時沖起的砂子在引力作用下沉降，但是由于水平段的空隙比較狹窄[13]，所以砂子就會下沉到近井眼的地方，造成卡鉆；而相對來說造斜段就更易產(chǎn)生卡鉆，因為當(dāng)經(jīng)過造斜段時砂水流動方向會出現(xiàn)變化，動能產(chǎn)生損失，流速和攜水的能力減弱，從而影響砂子沉降速率提高，這樣就會造成直井段的砂子下沉到造斜段。

沖砂液環(huán)空流量偏差過大，也是導(dǎo)致卡鉆的另一種主要因素[14]。井圍高邊油套環(huán)空的摩擦力較小，低邊的油套環(huán)空摩擦力則很大，沖砂液在井圍高邊速度較高，攜砂能力強，但在井圍低邊速度較低，攜砂能力減弱，因此在井圍低邊產(chǎn)生了大批砂子堆積構(gòu)成的砂床，導(dǎo)致井內(nèi)被卡鉆[15]。

(2)砂堵或砂卡管柱

定向段水平井在沖砂作業(yè)過程中常會出現(xiàn)保持不動的情形。因為砂子在水平階段時的下沉方位一直指向套管內(nèi)壁底側(cè)，與沖砂水流的走向幾乎呈90°。一旦沖砂液黏度太小或?qū)ι白尤狈Τ浞值膽腋∧芰16]，則井底被沖起的砂子在經(jīng)過短時間移動后，便沉淀下來成為了砂丘（或砂床），從而產(chǎn)生了砂堵或砂卡管柱的現(xiàn)狀。此外，一旦油井井底砂子經(jīng)過長時間積累后，與油井井底的巖石分子融合產(chǎn)生硬質(zhì)垢塊，沖砂水便根本無法將其沖開。而這些狀況，僅依靠提高沖砂液的黏度和排量便根部無法扭轉(zhuǎn)。

(3)解決方案

①連續(xù)沖砂

為克服沖砂口不連續(xù)的問題，可利用“反循環(huán)連續(xù)沖砂井口”及其相應(yīng)的換向短節(jié)，同時加工出反轉(zhuǎn)角接箍工具油氣管道和循環(huán)除砂裝置。倒角式接箍工具油管可減少油管與套筒之間的磨擦，并防止內(nèi)燃料管接箍在造斜階段或水平段時將外套管接箍“咬死”而造成卡鉆。

沖砂液可以通過換一個沖砂水循環(huán)管道，保證在井中沖砂水不斷循環(huán)。這套工具有如下優(yōu)點[17]：A.可以防止由于沖砂水?dāng)嗔鞫鸬目ㄉ笆录?；B.反循環(huán)法沖砂可以保持砂子一直在油管內(nèi)運動，沒有由于二次沉降產(chǎn)生鉆具卡鉆；C.環(huán)空橫截面等于油氣管內(nèi)橫截面，懸砂力強，增加了沖砂效果。

②改善沖砂液配方

為減少沖砂水的漏掉率，并提高攜砂能力，可將沖砂水由活性用水改變?yōu)楣夏z水。但因為沖砂水的黏度越高，攜砂能力也越高，所以優(yōu)先采用濃度較低且?guī)в休^高黏性的增黏劑。由于黏性加大，循環(huán)阻力也加大，因而造成循環(huán)泵壓力加大，也加大了對地面設(shè)備的需求。

③改進水平井沖砂工具

研究沖砂工具的重要目的是為了盡可能破碎砂床[18]，并增加沖砂液的上返流速，以避免砂子二次沉降，從而使管柱和井筒井壁之間的碰撞減至最小化。

沖砂工具有以下特性：A.工具的特殊構(gòu)造使它在碰到堅硬砂堆、砂橋、垢塊等時，能夠利用在活動井內(nèi)有效地破壞砂堆、砂橋、垢塊等，將其溶解而沖出豎井；B.在工具側(cè)面開窗多個水眼，使工具在流入砂體后，不會因混凝土車的憋泵造成泵壓上升，進而減少了地層的泄露危險性。沖砂井內(nèi)的密封膠粘劑皮限壓為7MPa，對其密閉特性具有良好的保障效果；C.超過水眼尺寸的石屑、膠皮、垢塊等雜質(zhì)根本無法流入返液油氣管道，因此能夠很好地解決了換向短接水眼過小的實際問題；D.水眼大小可以明顯降低沖砂液在隧道變徑處的節(jié)流效果，進而降低了由于節(jié)流能力損失使泵道壓力增大，所造成的巖石地層漏掉。

5.結(jié)束語

沖砂洗井在實際生產(chǎn)中會直接增加其產(chǎn)能，并且降低開采成本。沖砂洗井的方式很多，但各種方式的特點不同，需要根據(jù)實際情況來選擇洗井方式。在施工過程中會出現(xiàn)很多的問題，有些問題不及時做出措施處理會直接影響產(chǎn)量效益，比如常見的卡鉆和砂堵。根據(jù)出現(xiàn)問題情況類型與嚴(yán)重程度，選擇相對應(yīng)的措施能夠及時提高水平井的沖砂洗井效率，從而更好地滿足油田開發(fā)的需要。