油井沖砂管柱及沖砂方法技術研究與應用

一、前言

在油水井施工過程中，如果井底有砂子，我們需要下油管沖砂。正常情況下一般的砂柱都能被沖出，但是有種情況的砂子無法沖動，那就是一部分井壓裂后形成的砂柱。由于壓裂液中本身就含有膠結物，再加上砂柱承受特別高的壓力后，這樣形成的砂柱就特別的硬。形象的說就像本來是一堆木屑，我們給它加上膠水，然后再用液壓設備把它壓成木板一樣。面對這種情況我們常用的做法是起出沖砂管柱，下螺桿鉆去鉆洗。也就是說本來可以用水沖走的散砂，我們不得不采用鉆開堅硬巖石的方法去把它清理出來。這樣做不但延長了工期，增加了工作量，加大了成本支出，而且還大大增大了施工難度。

二、油井沖砂方法原理及沖砂工藝管柱設計

（一）沖砂方法工藝原理。該沖砂方法主要是利用投放可撈式小沖管減小原沖砂管柱的水流出口截面積，提高水流速度，最終依靠提高水流沖刺力度，達到沖散井內砂子的目的。在常規沖砂管柱下方接上兩用破砂器，如果能正常沖下去就正常沖砂。如果沖不下去，可以拆開地面管線，從油管內投入小沖管。等到小沖管坐到沖管座后就可以開始下放管柱正循環沖砂。當砂柱被高速沖砂液沖散后，改變地面管線為反循環洗井。反循環洗井時，沖管座內的小沖管就會被水流沖起并上行。當小沖管到達井口時，會被管柱上的捕獲裝置卡住，同時泵壓上升。這時停泵拆開管線，取出小沖管，再接上管線正常沖砂，直至把井內的砂子全部沖出洗凈為止。

（二）沖砂工藝管柱的設計。沖砂工藝管柱由四部分組成：一是安裝在沖砂管柱最下端的破砂器；二是安裝在破砂器內部的沖管座；三是可投可撈的沖管總成；四是安裝在管柱最上端的小沖管捕獲器。

沖砂工藝管柱結構組成是：由下自上是破砂器、沖管座、沖管總成、油管、捕獲器等組成。

破砂器：該工具的主要作用就是通過加壓和旋轉相組合，輔助沖砂液體破壞砂面，使其成為散砂，從而有利于提高破砂效果。

沖管座：該工具的主要作用就是承托沖管總成，并與沖管總成之間形成密封，從而保證沖砂液體全部由小沖管內噴出，充分發揮液體的破砂效果。

沖管總成：該工具的主要作用就是減小沖砂液的過流面積，提高液體的沖刺力，達到沖散井內砂子的目的。

油管：用于連接工具，加深管柱的目的。

捕獲器：該工具的主要作用就是捕獲小沖管。

1、油井沖砂工藝的可行性分析。根據我們設計的沖砂工藝管柱看，只要能沖開砂柱、洗出沖管總成、管柱結構簡單，就能夠實現該工藝：

A、這種沖砂方法的想法來源于以前壓裂井施工后沖砂沖不下去，懷疑套管因壓裂變形，于是下鉛印打印落實。當正循環沖洗魚頂時，卻加不上壓，直接沖下去了。所以根據這種情況看，利用沖管去沖開較硬的砂柱是可行的。

B、在以往的沖砂施工中，有過多次反循環洗井沖出加重桿的現象。我們設計的沖管直徑與加重桿相近，而重量要小得多，所以反循環洗出沖管總成是沒有問題的。

C、我們設計的沖砂管柱與常規沖砂管柱外部結構一樣，只是在內部添加了一些部件，現有的沖砂設備和輔助裝備完全可以滿足施工要求。

三、投放可撈式小沖管及輔助設施的設計

（一）沖管總成結構設計。沖管總成要達到三個目的：一是要能夠加快水流流速，提高水流的沖刺力；二是能夠與沖管座形成密封，防止沖砂液流失而降低水利效果；三是能夠在井口被捕獲。為此，我們設計的沖管總成由導向頭、捕獲膠塞、換流罩、沖管組成。導向頭是鋼制球形的，其作用是引導沖管總成順利進入捕獲接頭。捕獲膠塞是橡膠材質，它依靠泵車從下方給的壓力，擠進捕獲器內。由于它的外徑大于捕獲器的內徑，所以一旦擠進去，就不會脫落。以上兩部分保證了總成能夠被捕獲。換流罩在側面開孔，其下部連接沖管，這樣就能夠把油管內的液體引入沖管。沖管與換流罩相連，進入換流罩的液體進入沖管后，過水截面積減小，水流速度加快，增大沖擊力。這兩部分保證了沖管總成達到加快水流流速，提高水流沖刺力的目的。在沖管外壁加工一個臺階，讓其與沖管座配合，形成一個密封。從而達到防止沖砂液流失而降低水利效果的目的。

（二）沖管座結構設計。沖管座的主要作用就是承托沖管總成，并與沖管總成之間形成密封，從而保證沖砂液體全部由小沖管內噴出，充分發揮液體的破砂效果。為了達到這個目的，我們設計的沖管座上部內側加工了一個倒角，使之與沖管上的臺階相配合，從而達到密封的目的。其結構如下圖。

（三）破砂器結構設計。該工具的主要作用是破除砂床，同時也是砂液進入儲砂管的通道。因此該工具必須滿足以下幾個方面的要求

a、開口處有能戳破砂面或砂床的尖部。

b、中心有較大的導流通道。

c、進口符合液流特性，減小液體通過的阻力。

d、工具外徑必須不大于D73mm外加厚油管接箍外徑。

綜合考慮以上四方面的問題，我們設計了馬齒形破砂器。

這種破砂器就是用外徑73mm的油管為材料，在一端切出三個正旋方向的馬齒形斜尖。這種形狀的斜尖可以對砂面進行加壓下戳，也可以旋轉管柱劃破砂面，破砂效果非常好。另外三個馬齒形斜尖具有一定的高度，當破砂器與砂面接觸時，能夠保證有足夠的過水通道，減小液體通過的阻力。用外徑73mm的油管做的破砂器，外形尺寸與常規作業用的管材尺寸一樣，通用性很好，而且內徑達到62mm，中心具有較大的導流通道。

（四）捕獲器結構設計

為了簡化管柱結構，我們沒有專門設計捕獲器，而是充分利用常規管柱上的部件來替代捕獲器。安裝在常規沖砂管柱最上方的一個變徑接頭其內徑是50mm，正好可以用來捕獲沖管總成。

四、投放可撈式小沖管及輔助設施的制作

（一）沖管總成

（二）沖管座

（三）破砂器

（四）捕獲器

五、沖砂方法的設計

該沖砂方法的操作步驟：

（一）下帶有沖管座的沖砂管柱到砂面的位置。

在下沖砂管柱之前，我們一般先用一種儀器確定出井下砂面的位置，然后再把沖砂的管子下到這個位置。管柱結構如下圖。

（二）反循環沖砂。

把沖砂用的泵車管線連在套管閘門上，這是沖砂液體的進口。在沖砂的油管柱上連接一根軟管，這是沖砂液體的出口。反循環沖砂的優點是沖散的砂子能夠很快的返到地面來。缺點是水流對砂柱的沖刺力比較小，遇到一些較硬的砂面就沖不下去。

（三）如果沖不下去，改為正循環沖砂。

如果反循環沖砂沖不下去，就把沖砂液進口和出口的位置調換一下，改為正循環沖砂。正循環沖砂的優點是水流對砂面的沖刺力比較大，一般的砂面都能給沖散。缺點是沖起的砂子不能較快地返到地面來，而且有些較大的沙粒有可能就返不出來，最后又沉降回井底。

（四）如果還沖不下去，就投放小沖管。

先拆掉油管上的管線，然后把小沖管投進油管內，再連上管線，并用沖砂泵車打水，送小沖管到沖管座的位置。與現有技術相比，不必起出沖砂管柱，再下螺桿鉆去鉆洗。步驟如下圖。

（五）正循環沖開砂柱。

沖砂液體從沖管高速噴出，產生強大的沖刺力，沖開堅硬的砂柱。工況如圖5。紅虛線箭頭表示水流沖擊方向，綠色虛線箭頭表示沖開后的砂子上返方向。

（六）反循環洗出小沖管。

當把所有砂柱沖開后，改正循環沖砂為反循環洗井，水流從小沖管的下方向上流，把小沖管從沖管座內沖起、上行、直至最后鉆進井口的捕獲裝置內，被抓住。撈出小沖管的示意圖如下圖。

（七）反循環洗井

小沖管被捕獲后，拆開洗井管線，取出小沖管，再連接好洗井管線，大排量洗出井內的砂子。

六、油井沖砂工藝管柱及沖砂方法工藝試驗

選安28-31井進行試驗

（一）選井理由

安28-31井壓裂施工時，施工壓力最高達到了63MPa，井下溫度達到了58度，壓裂用液450m3。高溫、高壓、液量大，這些都是壓裂砂形成板結的有利條件，所以選擇這口井進行試驗。

（二）現場施工

下沖砂管柱，硬探砂面2939m，人工井底3125.67m，砂柱高186.67m。為了檢驗砂面硬度，我們沒有直接投放沖管總成，而是采用常規的反循環沖砂方法沖砂。泵壓3 MPa，管柱給砂面加壓50KN，連續沖洗30分鐘，沒有進尺。于是改為常規的正循環沖砂，泵壓2.5 MPa，管柱加壓50KN，多次下戳，同樣沒有進尺。最后我們往油管內投放了沖管總成，沖管總成坐到沖管座后，泵壓漲至5.8 MPa，管柱加壓50KN，2分鐘后開始有進尺，5分鐘后沖下6.5m，下放順暢。洗井20分鐘后改正循環沖砂為反循環洗井，35分鐘后泵壓漲至12 MPa。立即停泵，拆管線，從捕獲器中取出沖管總成，再次接好管線后采用常規反循環方式沖砂，直至沖砂至人工井底。

（三）效果確認

●此次沖砂試驗，投放式沖管沖開了常規沖砂工具不能沖開的砂面。

●反洗井后沖管總成順利被井口的捕獲器捕獲，達到了可投可撈的目的。

●沖砂管柱與常規配套工具設備完全兼容，現場適用性很強。

通過以上對比，我們認為這套沖砂方法達到了沖開堅硬砂面，減少施工工序，降低作業成本和風險的目的。

七、油井沖砂工藝管柱及沖砂方法效果確認

（一）沖管總成效果確認

該工具到目前為止，在25口沖砂井中進行了使用，每口井都沖開堅硬砂面，成功捕獲沖管總成，達到了設計目的。

（二）破砂器效果確認

在使用的25口井中，有3口井依靠旋轉沖砂管柱，帶動破砂器旋轉，依靠破砂器上的馬齒型斜尖劃開砂面，然后配合沖管完成施工。破砂器達到了設計目的。

（三）沖管座效果確認

由于沖管座在井內不便于確定其密封狀況，我們在地面進行了相關實驗，達到了設計目的。

（四）捕獲器效果確認

在使用的25口井中，每次捕獲器都完美的捕獲了沖管總成，完全達到了設計目的。

八、油井沖砂工藝管柱及沖砂方法關鍵與創新點

研究的關鍵技術是沖管總成的設計。主要創新點：綜合分析認為，本項目主要創新點有以下幾方面：

（一）采用沖管設計，充分利用水利切割的功能處理堅硬的砂面。

該結構工具通過減小水流通道的截流面積，提高水流的沖刺力，充分利用水流的水利切割功能刺開堅硬的砂面。

（二）馬齒形破砂器，破砂效果好。

這種形狀的斜尖可以對砂面進行加壓下戳，也可以旋轉管柱劃破砂面，破砂效果非常好。另外三個馬齒形斜尖具有一定的高度，當破砂器與砂面接觸時，能夠保證有足夠的過水通道，減小液體通過的阻力。

（三）沖管總成可投可撈，一趟管柱可進行多工序施工。

沖砂遇到沖不動的情況時，不必起出沖砂管柱后再下其它工具，而是直接投入小沖管就可以完成沖砂工序。沖砂完成后洗井撈出小沖管，還能利用這個管柱進行其它工藝的施工。省時、省力、減少開支。

（四）利用常規管柱上的配件充當捕獲器，思路巧妙。

我們利用管柱最上端的一個變徑接頭充當沖管總成的捕獲器。這樣既減少了制作成本，更是避免了使管柱結構復雜化。

（五）管柱結構與常規沖砂管柱結構相同，設備通用性高。

這套沖砂工藝管柱的外徑、扣型與常規的沖砂管柱一樣。不需要配備特別的工具設備，通用性非常好。

九、結論

通過以上效果確認，我們認為油井沖砂管柱及沖砂方法技術完全達到了我們的設計要求。它對于壓裂井的堅硬砂面、聚合物與砂子混合形成的粘稠砂面、砂面上有小件落物的井，都具有較好的適應性。能夠達到清除井筒沉砂的目的。