油井泵下防砂工具的優(yōu)化設計

王 濤，王朝陽，王 鵬

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

石油開采依賴特種采油設備將其從地層深處舉升至地面，目前所使用的舉升設備包括有桿采油系統(tǒng)與無桿采油系統(tǒng)。油井的生產(chǎn)情況復雜多變，面臨的問題層出不窮，油井的出砂問題與防砂手段如影隨形，總有解決不完的出砂油井。生產(chǎn)商通過對設備的改進與優(yōu)化，在個別含砂量的少的油井中起到一定效果，檢泵周期有所延長，但是對于出砂量大、井液質(zhì)量差、出液不連續(xù)的油井，采油設備同樣面臨出砂問題的困擾。防止砂粒進泵或少進泵，是防砂工藝研究和鉆研的目的，也是延長檢泵周期的重要一環(huán)。

1 油井生產(chǎn)防砂的必要性

石油開采過程中，砂粒進泵后，不僅使得采油液含砂量增大，而且也容易使設備因砂粒的存在造成卡泵，不僅影響油井采油的效率，同時會使修井作業(yè)費、設備更換費、人工維護成本增加。油井中砂的來源一般有兩種，一種是地層出砂，原油在流出地層時本身攜帶一部分砂粒；另一種是由壓裂砂引起的，砂粒的大小及含量主要取決于井液的含砂情況（圖1）。

圖1 壓裂天然石英砂粒徑規(guī)格及試驗標準篩組合

2 防砂工具工作原理

本文介紹的防砂工具由堵頭、精密防砂篩管、雙皮碗封隔器、眼管組合而成，部件間采用油管專用螺紋連接，牢固可靠（圖2）。雙皮碗封隔器與套管形成過盈配合，封隔器以下封隔原始井液，封隔器以上為處理后含砂量少的潔凈井液。

圖2 防砂工具井下管柱組合

防砂原理為：井液的流通渠道為井底→精密防砂篩管（篩管底部用堵頭密封）→雙皮碗封隔器內(nèi)部→打孔管流出→油套管環(huán)空空間→泵體→生產(chǎn)管線。

其中，精密防砂篩管由基管、支撐泄流層、過濾介質(zhì)和外護管構(gòu)成，經(jīng)過篩管處理后井液變成潔凈的液體，再通過井皮碗封隔器內(nèi)部后由眼管釋放出來，供液穩(wěn)定，供采油設備平穩(wěn)汲取。

3 部件的優(yōu)化設計

3.1 精密防砂篩管

精密防砂篩管由基管全焊式繞絲篩管、過濾介質(zhì)、支撐環(huán)組成，基管采用符合API（American Petroleum Institute，美國石油協(xié)會）標準的油管鉆孔而成，全焊式繞絲篩管通過支撐環(huán)與基焊為一體（圖3）。它應用特制梯形（楔形）絲繞組在呈圓周式排列的一組縱向支撐桿上焊制而成，可廣泛應用于油、氣、水井防砂。全焊式焊接保證了產(chǎn)品嚴格的連續(xù)整體性，從而使其形成理想的縫隙尺寸，具有管面光滑、無生產(chǎn)棱角、無毛刺、縫隙均勻不漏脂的特點。

圖3 篩管實物

精密篩管自清潔的原理為：當儲層隨流體產(chǎn)出后，懸持在過濾介質(zhì)中，而不會在篩管表面形成堵塞，使油氣井在無壓力損失的狀態(tài)下生產(chǎn)。當砂粒在過濾介質(zhì)中達到飽和后，后續(xù)的儲層砂也會聚集在篩管表面，使篩管內(nèi)外形成壓差，壓差推動過濾介質(zhì)向內(nèi)側(cè)蠕動，從而破壞已經(jīng)形成的堵塞，即“砂粒聚集—形成壓差—過濾介質(zhì)蠕動—破壞堵塞—壓差減小—形成堵塞—建立新壓差—過濾介質(zhì)”的過程，堵塞層不斷遭到破壞，同時再次蠕動—再次破壞阻塞。這個周期周而復始，過濾介質(zhì)也在這個過程中保持自潔。

精密篩管的性能特點主要有3 個：

（1）梯形（楔形）絲的應用，使篩管跟篩板縫隙間形成V 形開口。該設計過濾精度面積更為精密比其他形式產(chǎn)品運作更高效，能起到更好的防砂作用（圖4）。

圖4 常見絲形

（2）更高的過濾精度。梯形（楔形）絲持續(xù)繞組在呈圓周式排列的支撐桿上形成持續(xù)的高密度均勻縫隙，保證了篩網(wǎng)的開口面積百分比和無堵塞性，避免沉淀物的高密度堆積造成的阻塞，從而為提高生產(chǎn)效率或延長水井的使用壽命提供保證。

（3）繞絲與所有縱向支撐桿之間均通過電焊連接組合，結(jié)實耐用，工作壽命周期更長久。

繞絲篩管擋砂精度為70～1000 μm，具體精度、整體長度及單段有效過濾長度可以根據(jù)用戶要求來確定，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 繞絲篩管技術(shù)參數(shù)mm

3.2 自封式皮碗封隔器

在投產(chǎn)過程中防砂，封隔器為采油設備在井筒內(nèi)提供一個相對穩(wěn)定的供液環(huán)境，增強泵的工作的穩(wěn)定性，增長設備在井下的使用壽命。雙皮碗封隔器是一種簡單、實用、防砂效果好的完井投產(chǎn)封隔器，是在地層產(chǎn)能較低的生產(chǎn)井配合采油泵、篩管、防砂篩管等工具進行投產(chǎn)。本文提供的皮碗式封隔器是一種靠皮碗與套管的過盈量，以及井內(nèi)壓差密封油套環(huán)空的自封式封隔器（圖5）。該自封式皮碗封隔器的規(guī)格型號為Z331-131，執(zhí)行SY/T 5106—1998《油氣田用封隔器通用技術(shù)條件》標準，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 自封式皮碗封隔器技術(shù)參數(shù)

圖5 碗封隔器實物

3.3 眼管及堵頭

4 現(xiàn)場應用

本文介紹的泵下防砂工具可提升采油設備對含砂井液的適應能力，具有以下優(yōu)勢（圖6）：

圖6 防砂工具管柱組合結(jié)構(gòu)

（1）不必獨立作業(yè)，隨采油設備一起下入泵掛處，減少油井的投資。

（2）為采油設備在井筒內(nèi)提供一個相對穩(wěn)定的供液環(huán)境，增強設備的工作的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。

（3）可修復率高，重復利用率大，是一種成本低廉的防砂工具。

（4）可實現(xiàn)油管到套管反洗井的解堵功能，減少因砂卡設備而引起的問題，這也是與類似產(chǎn)品最大的不同。

5 結(jié)束語

防砂工具不僅適用于潛油電泵、螺桿泵、柱塞泵等無桿泵系統(tǒng)，在抽油機等機采設備中也均可使用。其適用于范圍包含試油、采油、找水、酸化、防砂、洗井等工藝。

針對新投壓裂井，因入地砂量的不同可以選擇不同配比的精密篩管，達到防砂、濾砂的目的。目前已在長慶油田、新疆油田、中石化西北局、大港油田等國內(nèi)油田的壓裂新井施工近百井次，較好地解決了地層出砂的難題，大大延長檢泵周期，修復性能強，可重復利用率高，得到各油田的認可。同時陸續(xù)應用在一些出砂量較大的老井，防止砂、雜質(zhì)進泵的成效顯著，檢泵周期有所延長。其還可用于儲層砂粒度中值d50（一個樣品的累計質(zhì)量分數(shù)50%對應的粒徑）大于80 μm 的井中，在稠油、細粉砂和黏土含量高的井中使用時防砂效果更加明顯。通過系列化的設計，該裝置可以滿足不同井況對防砂工具的要求，推廣與應用市場廣闊。