一種新型連續負壓清砂工具設計與應用

馮治鋒， 梁永恒， 張 楠， 呂昌帥， 王銘傳， 胡冬良， 張 佳

(1中國石油集團渤海鉆探工程有限公司國際鉆采物資供應分公司 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司華北石油工程事業部)

在砂巖油藏的開采作業過程中，地層砂剝落后隨地層流體運移到井筒底部，形成砂柱。當砂柱高度一定時，會淹沒產層，降低油氣井產量，沖蝕井下和地面管匯，嚴重情況下可能引起抽油泵漏失、井壁坍塌、套管破損等事故，造成油氣井停產[1-4]。因此，提高井筒清砂作業效率成為有效解決油氣井出砂問題的手段之一。目前，常規清砂方法主要有水力沖砂和機械撈砂兩種[5]。水力沖砂作業沖砂量大、清洗效率高，但在深層低壓油氣層中容易發生井漏，沖砂液難以返至地面，同時損害產層；機械撈砂單次作業量小、清洗效率低、作業周期較長，針對砂粒膠結、小落物以及沉砂嚴重固結的砂柱時，效果不太明顯[6-7]。鑒于此，針對深井、地層低壓、水敏性強等地層，設計一種負壓連續作業清砂工具，利用工具活塞的抽汲作用在井底產生局部負壓，建立低壓地層井筒內的正常攜砂循環，再經過反復抽汲和起下清砂管串，可以將井底沉砂全部撈出，實現安全高效的清砂作業，保護油氣儲層。

1 結構設計

新型負壓清砂工具結構如圖1，根據現場需求可以設計出不同的清砂管串組合，由上至下包括地面提升裝置、儲砂機構、清砂機構和砂鏟裝置等。

圖1 新型負壓清砂工具結構

1)提升裝置。主要為鋼絲繩或連續油管，負責將清砂工具下入井筒內，拉動撈砂泵柱做上下往復運動，保證活塞的一個沖程中撈砂泵連續吸液與排液作業。

2)儲砂機構。由多根連續連接的鉆桿組成，提供清砂管串內部砂礫存儲容積，傳遞扭矩。

3)清砂機構。是清砂管串的核心組成部分，利用活塞桿產生井底負壓，完成內外通道的打開和閉合。主要包括活塞桿、第一游動腔(由活塞桿底部、泵筒、固定底閥、第一固定閥座和泵筒下接頭等組成)活塞桿與泵筒間形成的腔室、旁通閥、第二游動腔(泵筒和殼體之間的腔室)。

4)砂鏟裝置。安裝在清砂機構殼體末端，作用是磨碎大巖塊，利用局部負壓將研磨破碎后的細小巖屑砂吸入筒。

2 工作原理與操作步驟

2.1 工作原理

新型負壓清砂工具進行清砂作業時，由于設計了兩個游動腔體，因此保證了活塞工具在一個上下行沖程內可以完成連續的吸液和排液作業，其工作原理可按照活塞桿上行和下行過程劃分。

1)活塞桿上行。首先將整個清砂工具下入井底，管串底端的砂鏟裝置最先接觸砂面，采用機械破巖的方式對井底砂面進行磨碎；活塞桿在重力作用下自動下行至活塞下死點后，提升裝置開始拉動活塞上行，此時第一游動閥封閉，第一固定閥在活塞桿抽汲作用下開啟，井底砂面形成局部負壓，攜砂液被抽汲進入第一游動腔內，該過程持續到活塞桿上行至上死點位置為止；同時，由于泵筒上接頭設置有旁通閥，活塞上行過程中會增加第二游動腔內壓力和排擠攜砂液，導致第二固定閥關閉和第二游動閥被打開，因此完成了第一游動腔吸液與第二游動腔排液過程。

2)活塞桿下行。當活塞桿從上死點開下行至下死點過程中，第一游動閥開啟，第一固定閥封閉，第一游動腔內的攜砂液沿著活塞桿通過排液孔進入儲砂機構；第二游動腔排出的攜砂液經過單流閥進入儲砂機構中，同時第二固定閥開啟，攜砂液被抽汲進入第二游動腔內；攜砂液進入儲砂機構后，沙粒在重力的作用下自然沉降，流體則通過出水孔排至油套環空繼續循環。隨著活塞桿的抽汲往復運動，井筒內的砂柱不斷被吸入由多根鉆桿連接而成的儲砂機構內，從而高效地完成井底清砂作業。

2.2 操作步驟

1)拆卸井口采油樹裝置，安裝封井器并進行壓力測試；對起出后的原生產管柱完整性進行檢測；用通徑規通井、探沉砂面高度、測量液面深度，取出通井管柱。

2)確定清砂管串長度,測量整個清砂管串上提下放載荷，控制清砂管串下放，觀察懸重表讀數；下放觸至井底砂面，下壓5 t，記錄好井底砂面高度；如果清砂管串下放過程中遇阻超過5 t，需要上提清砂管串釋放壓縮應力；如果仍然無法下放到底，則立即上提清砂管串，防止卡鉆。

3)起出清砂管串時需要記錄管串內外液面深度、間斷記錄懸重讀數變化，了解管柱內流體性質和井下工作密封狀況，必要時可取樣分析；計量一次清砂體積，清洗維護管串。

4)若第一次清砂工作順利，可重復進行下一次作業，直至井底內沉砂都被撈出。

3 臨界返速測試

在進行連續負壓清砂的作業中，攜砂液在上返過程中需要克服砂礫在靜止液柱中自由沉降的最大速度，達到一定的攜砂臨界流速才能有效地將砂體帶出。理論計算流體臨界攜砂速度如式(1)所示：

(1)

式中：α—砂粒形狀修正系數；ρs—砂粒密度，kg/m3；pl—流體密度，kg/m3；ds—砂粒直徑，mm；μ—流體黏度，Pa·s。

根據相關研究[8-9]，當流體攜砂速度大于、等于和小于砂體沉降速度2倍時，砂粒分別呈現上升、懸浮和下降的運動狀態，因此通常以砂體自由沉降的2倍速作為流體攜砂能力的臨界點計算。故需要通過試驗測試砂粒的自由沉降速度，如表1所示。

表1 砂粒的自由沉降速度

4 現場作業應用

大慶某老井正常生產時日產液量15.0 t，2018年5月下降至4.5 t，2018年6月卡泵作業，探明井底砂柱高度80 m，砂埋油藏深度2 m，進行了多次沖砂作業，地面無返出液，沖砂管柱無進尺，因此更換新型負壓清砂管串進行作業，如圖2所示。砂粒平均直徑在1.0 mm，根據室內砂粒的自由沉降速度測試結果，計算出最低攜砂液上返速度需要達到9.12 m/min。在清砂作業過程中，清砂管串行程控制在3.0～3.5 m，每分鐘撈砂次數不少于4次，即攜砂液上返速度大于12 m/min，滿足臨界攜砂速度條件。清砂前井底砂面高度1 882.01 m，人工井底為1 992.76 m，井底砂柱高度1 10.75 m，2018年6月20～25日歷時6 d，下新型負壓清砂管串進行作業4趟，儲砂高度達450 m，撈至1 970 m，撈出砂子1.78 m3。實施清砂作業后，日產液量恢復至16.0 t，日產原油10.5 t，取得了良好的效果。

圖2 現場作業圖

5 結論

1)新型連續負壓清砂工具可以有效解決深層、低壓油層以及水敏性地層常規清砂作業效果不佳、經濟性較差等問題，提高清砂作業效率，保證了油井產能。

2)兩個游動腔的存在，保證了在活塞在單次沖程過程中吸液與排液的連續性；采用多根鉆桿連接而成的儲砂機構，能夠增加單次性撈砂作業量，提高清砂作業效率。

3)根據現場作業需求，后續研究可從結合水力和機械清砂工具特點入手，并在負壓清砂工具的抽汲效率及密封性能等方面提高工具性能參數。