連續油管帶壓沖砂洗井技術在注水井中的應用

夏 健 楊春林 衛俊杰 譚金華 趙毅杰 王振東

（1.華北油田公司鉆采工程部，河北任丘 062552；2.華北油田公司第四采油廠，河北廊坊 065007； 3.華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552）

連續油管作業技術開始于20 世紀60 年代初，隨著連續油管新材料和新技術的發展，其應用領域不斷擴大，被譽為“萬能作業設備”。國外，連續油管應用于鉆井、完井、防砂、試油、采油、修井、測井等井下作業已有較長歷史，每年實施達1500 井次以上。而國內目前的連續油管技術則主要用于氣井氣舉排液、壓裂井液氮助排、水平井沖砂解堵、酸洗、酸化等一些簡單的井下作業；施工井次少，單井次應用費用高，在油水井常規維護性作業中沒有被使用過。2011 年華北油田針對一些注水井地層出砂造成砂埋注水管柱無法正常生產的實際情況，提出在注水井中利用連續油管實施帶壓沖砂洗井作業，通過規模應用，降低了單井次施工費用，取得了顯著效果。

1 實施背景

華北油田部分地層注水壓力高、出砂嚴重，導致注水井頻繁出現砂埋、套變，嚴重制約油田注水，2010 年僅京11、泉241、中岔口等油田注水井作業沖砂就達29 井次，因砂埋管柱大修5 井次，沖砂成為注水井作業的重要原因之一。而常規沖砂作業需要關井降壓，降壓時間長（別古莊油田平均91 d），影響平穩注水；帶壓作業工序復雜，作業周期一般在半個月左右。由于常規沖砂和帶壓作業沖砂周期長、成本高、造成注采失衡等問題，急需技術突破，革新作業方式；而連續油管沖砂技術優勢明顯，主要體現在以下4 個方面：一是實現帶壓沖砂，注水井壓力小于20 MPa 即可沖砂；二是縮短沖砂周期，整個沖砂過程僅需5～8 h；三是無需起下油管，減少作業隊伍占用；四是連續油管外徑小，可進入油管不能下到的套變井段。

2 連續油管沖砂工藝

2.1 連續油管作業機組成

連續油管是一種無螺紋連接、可連續下入或起出的長油管，通常使用滾筒繞卷放置。用于起下、纏繞和運輸連續油管的設備稱為連續油管作業機。連續油管作業機主要由連續油管、注入頭、滾筒、井口防噴器組、液壓動力裝置、控制臺等組成。

（1） 連續油管。長4 500 m，內徑25.4 mm，外徑31.75 mm，抗內壓88.9 MPa。

（2） 注入頭。或稱為牽引起下設備，由油管導向架、鏈條牽引總成和防噴盒組成。其主要作用是提供足夠的推拉力起下連續油管并控制其起下速度；正常起下速度912 m/h，最大上提拉力270 kN。

（3） 滾筒。用于纏繞連續油管。

（4） 井口防噴器組。用以控制井口壓力、防止井噴。包括4 套液壓驅動的防噴器芯子，自上而下排列為：全封芯子、油管剪斷芯子、卡瓦芯子和不壓井作業芯子。

（5） 液壓動力裝置。為連續油管作業提供液壓控制和操作動力，用來控制作業機全部元件的動作。

（6） 控制臺。由各種開關和儀表組成，用于監測和控制連續油管作業機所有裝置的操作。

2.2 工藝原理

現場沖砂施工時，配套使用吊車和高壓泵車。連續油管注入頭、防噴器采用吊車懸掛與采油樹測試閘門連接，連續油管通過注入頭下入到油管內指定位置后，泵車出口與連續油管進口相連接打入洗井液。啟動泵車，在連續油管和油管之間建立起循環，并繼續下放連續油管沖砂，返出液通過連續油管與油管之間的環空，從油管閘門排出，從而達到注水井沖砂洗井的目的。

2.3 沖砂作業參數優化

2.3.1 井筒凈化指標 連續油管沖砂與鉆井液循環環境極為相似，鉆井井場實踐證明，當（v-vs）/v ≥0.5 時，井眼即能保持清潔，由此可得，在沖砂過程中井眼凈化的條件為

式中，v 為沖砂時環空返速，m/s；vs為砂粒沉降速度，m/s。

這表明，不考慮別的外界條件影響，沖砂時的環空返速至少應為沉砂沉降速度的2 倍。

2.3.2 砂粒沉降速度 砂粒的沉降速度直接影響最小注入速度和工作排量，因此準確計算砂粒的沉降速度至關重要。計算砂粒沉降速度的常用方法為莫爾計算法，其計算公式為

式中，ds為砂粒直徑，m；ρs為砂粒密度，kg/m3；ρw為沖砂液密度，kg/m3。

2.3.3 雷諾數計算 液體流動有3 種基本流態：層流Re ≤2000，過渡流2000＜Re＜4000，紊流Re ＞4000。雷諾數Re 的表達式為

式中，μ 為液體黏度，mPa·s；γ 為運動黏度，m2/s；d為管子直徑，m。

2.3.4 沖砂時的水頭損失 對于牛頓流體，流態指數n=1，a、b 值分別為

管中的范寧摩擦因數為

管中的摩擦壓力損失為

式中，f 為范寧摩擦因數；L 為管路長度，m；ΔP 為總壓降，Pa。

2.3.5 等效直徑 環形空間中液體流動狀態與圓管中的流動是不相同的，這是因為與液體接觸的表面積增加了；在考慮環形空間摩擦阻力時，常用液流的等效直徑De表示環空表面積的增加量。對于內管較小、外管較大井可表示為

式中，Db為外管直徑，m；Dc為內管直徑，m。

2.3.6 連續油管強度校核 目前使用的連續油管抗內壓強度P抗為88.9 MPa，連續油管沖砂時，水泥車泵壓必須小于連續油管的抗內壓強度，即

式中，ΔP油為連續油管內部壓降，MPa；ΔP環為環空中壓降，MPa。

2.3.7 應用實例 泉241-9 井完鉆井深1 888.25 m，人工井底1 797 m；油層套管規格為?139.7 mm×7.72 mm，生產油管規格為?73 mm×5.5 mm，采用外徑?31.75 mm×3.175 mm 連續油管進行沖砂施工；水泥車排量為4 m3/h（0.067 m3/min）；沖砂液為50 ℃清水，其運動黏度為0.553×10-6m2/s，密度1×103kg/m3；井內砂粒直徑為16～20 目（1～0.85 mm），密度為2.3×103kg /m3。

管環空平均速度為

連續油管內平均速度為

根據式（8）求得環空等效直徑為

根據式（3）求得環空雷諾數為

根據式（3）求得連續油管內雷諾數為

環空中的范寧摩擦因數為

連續油管內的范寧摩擦因數為

可以看出，環形空間和連續油管內部的雷諾數均大于4 000，因此可以判斷沖砂液在連續油管內外均為紊流。根據公式（7）得環形空間、連續油管內壓降為

環形空間與連續油管內總壓力損失為

式中，Q 為液體泵注排量，m3/s；v環為管環空平均速度，m/s；v油為連續油管內平均速度，m/s；D1為連續油管內徑，mm。

砂粒沉降速度為

則攜砂液臨界速度為

沖砂要求的最低排量為

3 現場應用

采用連續油管對帶壓注水井進行沖砂洗井，現場實施58 口井，42 口井恢復正常注水；其中砂埋油管待大修井19 口，成功恢復10 口；砂埋油層注不進水井32 口，成功恢復22 口。

利用連續油管沖砂作業均采用正沖方式，為防止沖砂過程中發生砂卡事故，對施工排量、壓力等參數進行了控制。在施工過程中連續油管下至砂面以上50 m，開始起泵循環，由于連續油管長達4 500 m，且內徑僅為25.4 mm，循環過程中自身摩阻較大，起泵后泵壓一般在10 MPa 以上，循環排量在70 L/min 左右。從已沖砂的58 口井來看，沖砂前油壓在4 MPa 以上，最高16 MPa；沖砂壓力普遍為13～20 MPa，循環排量為50～70 L/min。

如趙41-60x 井，油壓22.8 MPa，日注水28 m3；2011年8月探得砂面深度為1 605 m，注水層被砂埋，2011 年12 月停注；該井于2012 年4 月進行了連續油管沖砂施工，施工后日注水由施工前的注不進水到目前的日注水40 m3，油壓21 MPa，達到了預期效果。再如泉241-24 井，2010 年11 月用?60 mm 油管沖砂在1 814 m 遇阻，提出后末根油管縮徑至45 mm；12 月砂埋注水層注不進水，軟探砂面1 720 m遇阻；2011 年4 月采用連續油管沖砂，沖出油管及上部注水層，但沖砂至1 826 m 遇阻，分析認為遇阻原因主要是套變縮徑嚴重所致。從沖砂井返出物可以看出，沖砂過程中存在砂粒分選，循環過程中返出砂粒粒徑由小到大，先沖出細粉砂和灰漿，隨后灰漿中夾帶顆粒返出。安46 井返出顆粒最大，直徑可達12 mm。

通過全油田實施的58 口井沖砂效果來看，一是施工費用成倍節約，僅用幾萬元的連續油管沖砂支出就節約了砂埋管柱用解卡、套銑等大修施工幾十萬元甚至上百萬的高額費用。二是占井時間大幅度縮短，僅用5～8 h 的施工時間就解決了常規檢管十幾天或大修幾十天的占井時間，從而提高了注水井生產時率。三是施工安全得到保障，設備的帶壓作業能力得到提高，井控安全得到保障。四是施工效率顯著提高，由于是從油管內進行沖砂，攜砂能力大大增強，比常規沖砂更加徹底。五是避免了放壓，減少外排污染環境，實現節能降耗。

4 結論

（1） 連續油管可以實現注水井帶壓沖砂洗井，降低關井降壓對平穩注水的影響；無需放壓，不污染環境。沖砂洗井工序簡單、施工周期短，可緩解作業隊伍緊張局面，減輕工人勞動強度。

（2） 連續油管具有高耐壓、高可靠性，對于目前洗井車無法施工的高壓注水井也有很好的適應性。因此連續油管在高壓注水井中沖砂洗井具有廣闊的應用前景。

（3） 連續油管長度4 500 m，沖砂深度一般不超過3 000 m；受連續油管和油管之間的環空限制，返出顆粒粒徑一般小于12 mm；因此進一步推廣應用連續油管沖砂，需要做好相關技術改進，提高技術的適應性。

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