江漢油區油井負壓清砂技術探討

陳金菊，程 忱，龔 兵

（1.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 潛江433123；2.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

江漢油區經歷四十多年的開發，地層壓力逐年下降，低壓油井出砂日趨嚴重，出砂導致泵漏、砂卡堵等維護作業井次攀升，甚至砂埋油層，嚴重影響油井正常生產。而目前廣泛應用的常規水力沖砂技術在負壓油井有很大不適應性，主要表現為：現場清砂液無返排、沖砂無進尺，漏失大量沖砂液導致生產排水期長，甚至污染儲層，液量下降。目前，國內外沖砂工藝的發展趨勢為：普通油管連續沖砂、連續油管、同心連續油管沖砂，綜合考慮各個沖砂工藝的優缺點，沖砂成本和江漢油油區油藏的特點，在射流泵原理基礎上，結合出砂油井結鹽、結垢實際情況，設計水力攪砂和機械搗砂為一體的射流負壓清砂工具，通過優化負壓清砂管柱和現場施工參數，形成水力循環通道與生產層的隔絕，實現油井負壓清砂的目的。

1 射流負壓清砂器結構及原理

1.1 射流泵技術原理

射流泵是一種具有混合功能的流體輸送機械，利用文丘里效應工作，其特點是本身沒有運動部件，結構簡單，且工作可靠，密封性好，適應在高壓、高溫、真空、水下和放射等特殊條件下工作。

射流泵基本結構如圖1所示，主要由3部分組成：噴嘴、喉管和擴散管。

圖1 射流泵基本結構示意圖

其工作原理是利用動力泵將工作流體加壓后，通過噴嘴高速噴出，在噴嘴處靜壓能部分轉換為動能，液體流速增大，噴嘴周圍形成真空，低速液體被吸入，兩股液體在喉管中進行混合和能量交換，壓力逐漸增加，工作液體速度減小，被吸液體速度變大，在喉管出口處速度趨于一致。混合液體通過擴散管時，隨著管路截面面積的增大，速度逐漸降低，此時動能逐漸轉化為壓能，混合液體壓力隨之升高。

1.2 射流負壓清砂器工作原理

射流負壓清砂器由特制的射流泵和攪砂噴嘴組成，如圖2所示。

圖2 射流負壓清砂器結構示意圖

其工作原理由動力液經同心管外環空進入射流負壓清砂器，一部分動力液高速向內管噴射，產生舉升力與抽吸力，另一部分動力液經清砂器噴嘴，向外噴射攪起井筒污物，使其流化，流化后的固態顆粒、“死油”、砂等被進液孔吸入內管舉升到地面。當舉升噴嘴產生的舉升力不能使含砂液舉升到地面時，通過地面泵提供動力，使井下射流負壓清砂器可有效增加舉升高度，使返出液舉升至地面。

2 油井射流負壓清砂配套技術

2.1 射流負壓清砂工藝原理

負壓清砂工藝流程主要由井下管柱和地面設備組成，井下管柱由射流負壓清砂器（負壓發生器 ）、延長密封管、同心管、清砂封隔器、橋式分流器和油管組成。地面部分由沖砂彎頭、進出液管線、供液泵車、循環罐等組成。其沖砂工藝流程如圖3所示。

圖3 射流負壓清砂工藝流程

用清水作沖砂液，泵車泵入沖砂液經套管至清砂封隔器，經橋式分流器進入同心管環空后到達負壓發生器器，其前端的噴嘴產生的射流沖擊、粉碎砂堵，同時其后端噴嘴與喉管等造成低 壓區，將混砂液吸入并噴入同心管的內管舉升至地面，在井口經沖砂彎頭、軟管排出，攜砂液在循環罐沉降過濾后循環使用。

2.2 射流負壓清砂配套工具

2.2.1 換向射流負壓清砂器

針對江漢油區出砂油井結鹽、結垢造成砂面板結的實際情況，設計集負壓抽吸和水力攪砂、機械搗砂為一體的換向射流負壓清砂工具，其工作原理為：前端的搗砂頭接觸砂面前建立循環，舉升井筒內井液；當搗砂頭與砂面接觸后，清砂器上的彈簧壓縮，射流舉升通道關閉，停止舉升井液；當管柱加壓機械搗砂的同時，射流通道開啟，沖砂液進入沖砂噴嘴射流噴出，粉碎板結砂面；當砂面沖散開，彈簧推動搗砂頭下行，射流攪砂通道關閉，同時，射流舉升通道開啟，又開始射流攜砂舉升沖散的泥砂混合液。如此反復，可實現高效清除低壓油井板結砂柱。其特征在于：

1）中心管上的沖洗堵塞進液孔和射流舉升進液孔結構，使中心管軸向運動即可交替換向；

2）換向射流負壓清砂器可反復實現沖洗和舉升交替進行的工作方式，可提高沖洗堵塞的速度和舉升效率；

3）導向頭前端是齒形，中心噴嘴在齒尖后端，這種結構既可提高導向頭沖擊、沖洗堵塞物的能力，又能防止堵塞中心噴嘴。

2.2.2 延長密封管

延長密封管連接在射流負壓清砂器上端，主要作用是調解同心內外管的長度差。其特征在于：

1）由普通油管加工而成，上、卸螺紋方便，密封可靠；

2）調節范圍大，最大可調解1.8 m；

3）插管密封件安全可靠，有效防止插管提出或插入時，密封件脫落。

2.2.3 清砂封隔器

清砂封隔器采用皮碗結構，連接在同心管的上端，主要作用是阻止沖砂液進入油層，其特征在于：

1）封隔器可在密封狀態下移動；

2）封隔器耐壓30 MPa，耐溫120℃。

2.2.4 橋式分流器

橋式分流器采用橋式機構，可以使沖砂液進入同心管的外環空，實現井下返液與入井液通道分開。

3 油井射流負壓清砂參數優化

射流負壓沖砂施工成功，需要確定合理的參數，包括管柱摩阻損失、根據地層壓力建立射流負壓能力、射流攪砂能力、攜砂舉升能力等技術參數。利用wellflo軟件，負壓射流沖砂過程的參數計算和優化，計算同心管柱流體摩租的大小，射流負壓清砂器內部流體的動態數值模擬，確定施工排量、泵壓及負壓發生器的結構參數。通過wellflo軟件輸入相關技術參數對黃7斜－7井沖砂工具和施工參數進行計算及優選。

3.1 射流負壓清砂器的特性參數

射流負壓清砂器的特性參數包括壓力比、流量比、泵效和氣蝕臨界流量比，圖4為射流負壓清砂器的特性參數隨井口壓力變化曲線。可以看出，流量比隨著井口壓力的增大而增大，與井口壓力的對數成正比關系。壓力比隨著井口壓力的增大而減小，與井口壓力的對數反正比關系，泵效在井口壓力低于7.0 MPa時隨著井口壓力的增大快速增大，當井口壓力大于7.0 MPa時，泵效基本穩定在23.5% 左右。

圖4 射流負壓清砂器特性參數變化曲線

氣蝕臨界流量比隨著井口壓力的增大而減小，與井口壓力的對數反正比關系。說明井口壓力越大，越容易產生氣蝕現象。當井口壓力大于12.56 MPa時，射流負壓清砂器的喉管將產生氣蝕現象。

3.2 射流負壓清砂參數優化

油層壓力是沖砂參數計算的重要基礎參數之一，現場實際的油層壓力難以準確掌握。油層壓力主要影響泵效、注入流體漏失百分比、攪砂流體線速度等沖砂參數。

通過wellflo軟件模擬計算，優化黃7斜－7井沖砂工具尺寸和施工參數，沖砂優選參數結果見表1。為了避免氣蝕并兼顧舉升能力，喉管直徑為10 mm，舉升噴嘴直徑采用6 mm。為了避免大量注入流體漏失進油層并兼顧攪砂流體的沖擊能力，采用4型迷宮結構，把迷宮的級數由5級改為3級。采用4個4 mm的攪砂噴嘴。沖砂時油層壓力按1.0 MPa計算。

沖砂參數預測結果見表2。

表1 黃7斜－7井沖砂優選參數

表2 黃7斜－7井沖砂參數預測結果

4 油井射流負壓清砂現場應用

江漢油區射流負壓清砂試驗4口井，成功4口井，成功率100%，其中水平井1口。負壓清砂進尺在23 m～87.05 m之間，在射流負壓清砂恢復生產同時，起到一定程度解除儲層堵塞效果，截止2011年底累計增油93.9 t。射流負壓清砂效果如表3所示。

黃7斜－7井深2 220 m，井下積砂柱23 m，由于負壓曾多次水力沖砂漏失量大，沖不出，屬典型的負壓油井，地層壓力系數只有0.4，本次射流負壓清砂在成功清除井下沉砂同時，避免儲層污染，同比減少生產排水期3天，并最大程度解除地層堵塞，清砂后日均增油1 t，有效期16天，累計增油15.4 t。

潭34－7－5 B井在雙泵沖砂失敗情況下，于2011年11月20日通過配套換向負壓沖砂器和優化施工參數，清砂進尺87.05 m，解決了嚴重負壓油井清砂技術難題，清砂后日均增油2 t，有效期18天，累計增油36 t。詳細對比效果如表4所示。

表3 射流負壓清砂效果統計

表4 潭34－7－5 B射流負壓清砂效果對比

5 結論及認識

1）在射流泵原理基礎上，研究射流負壓清砂工藝，通過優化負壓清砂管柱和現場施工參數，形成水力循環通道與生產層的隔絕，實現油井負壓清砂、油層保護，達到綠色清砂目的。

2）射流負壓清砂技術徹底解決低壓油井井下清砂技術難題，并成功實現了水平井射流負壓清砂工藝試驗，該技術為江漢油區低壓油井高效和徹底沖砂提供了技術保障。

3）射流負壓技術不但可以進行低壓油井的沖砂作業，也可開發配套酸化施工和殘酸返排為一體化管柱，用于酸化完畢及時排酸，提高殘酸返排率。

［1］羅英俊，萬仁溥.采油技術手冊（第三版）［M］.北京：石油工業出版社，2005.

［2］陸宏沂.射流泵技術的理論及應用［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［3］李樹臻，李光磊，王亞娟.油井負壓沖砂裝置研究［J］.石油礦場機械.2004，33（3）：21－23.