低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂技術(shù)配套裝置的研制與應(yīng)用

管恩東

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124125)

0 引 言

遼河油田大部分油藏開采已經(jīng)進(jìn)入中后期，油藏壓力低，儲層物性差，油層漏失和出砂嚴(yán)重，造成砂埋油層，目前常規(guī)的暫堵沖砂等技術(shù)無法在該類井中建立有效循環(huán)，經(jīng)常發(fā)生沖砂液漏失及砂卡現(xiàn)象，造成油層污染及井下事故，制約油井產(chǎn)量的提高[1-5]。針對該難題，低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂工藝技術(shù)(簡稱自吸式?jīng)_砂技術(shù)，下同)逐步得到推廣應(yīng)用[6-10]，但在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，存在作業(yè)工期長、沖砂液漏失、易砂堵等問題[11-14]。為此，對自吸式?jīng)_砂技術(shù)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，研制了雙級整體管柱和強(qiáng)制循環(huán)閥等配套裝置，形成了一套完整的低壓漏失井連續(xù)沖砂工藝技術(shù)，為低壓漏失井的沖砂治理提供了技術(shù)支持。

1 工藝結(jié)構(gòu)及原理

1.1 工藝結(jié)構(gòu)

自吸式?jīng)_砂技術(shù)裝置主要由井下動力系統(tǒng)、井下循環(huán)系統(tǒng)和地面配套系統(tǒng)三大部分組成(圖1)。

圖1 低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂工藝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the structure of the self-priming continuous sand flushing technology for low-pressure absorption wells

井下動力系統(tǒng)主要由水力噴射泵、噴砂器等部件組成。該系統(tǒng)主要是將地面壓力轉(zhuǎn)化為井下動力，水力噴射泵可將地面泵入的動力液與井下地層砂形成的混砂液，由高速低壓流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俑邏毫鲃訝顟B(tài)，為混砂液提供足夠的舉升力，將混砂液舉升至地面，達(dá)到連續(xù)排砂目的。

井下循環(huán)系統(tǒng)主要是雙層油管結(jié)構(gòu)，外層為Φ88.9 mm油管，內(nèi)層為Φ48.3 mm油管。外層油管連接水力噴射泵后先下入井內(nèi)預(yù)定位置，然后再下入內(nèi)管，建立起混砂液的內(nèi)外循環(huán)通道。

地面配套系統(tǒng)包括雙級特殊沖砂接頭、雙級反循環(huán)連續(xù)沖砂裝置、旋流除砂裝置等關(guān)鍵部件。該系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)出口混砂液的有效分流和循環(huán)利用，達(dá)到不停泵連續(xù)沖砂的目的。

雙級特殊沖砂接頭主要由沖砂連接管、彎管接頭、推力軸承等部件組成，其連接在雙層油管的上端，與雙層油管共同形成2個獨(dú)立的循環(huán)通道，將入井動力液與返出混砂液有效分流，實(shí)現(xiàn)混砂液的循環(huán)利用。

雙級反循環(huán)連續(xù)沖砂裝置由雙管連續(xù)沖砂內(nèi)管總成和雙管連續(xù)沖砂井口自封裝置兩部分組成。雙管連續(xù)沖砂內(nèi)管總成與雙層油管連接并依次下入井內(nèi)，井口自封裝置則安裝在井口大四通上。該裝置可利用雙級管柱形成內(nèi)循環(huán)通道，由滑動換向裝置實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口液體轉(zhuǎn)換，保證不停泵下連接沖砂單根，又能返排混砂液，實(shí)現(xiàn)連續(xù)沖砂作業(yè)。

旋流除砂裝置安裝在循環(huán)系統(tǒng)出口末端，其作用是對井下返出混砂液進(jìn)行液砂自動分離，避免地層砂再次返入地層。

1.2 工藝原理

自吸式?jīng)_砂技術(shù)系統(tǒng)的動力由地面配套系統(tǒng)中的水泥車提供，首先動力液通過高壓管匯、雙級特殊沖砂接頭、雙管連續(xù)沖砂內(nèi)管總成、雙管連續(xù)沖砂井口自封，經(jīng)過雙層油管環(huán)空，進(jìn)入井下水力噴射泵，經(jīng)噴射泵形成高速射流后，與井下混砂液混合后壓力升高，進(jìn)入雙層油管內(nèi)管，從井口返出，通過不斷下放管柱直至把井筒內(nèi)的砂子全部返排至井口，實(shí)現(xiàn)低壓漏失井的連續(xù)沖砂作業(yè)[6-7]。

2 自吸式?jīng)_砂技術(shù)存在問題

自吸式?jīng)_砂技術(shù)在應(yīng)用過程中逐步出現(xiàn)了一些問題。

(1) 原有循環(huán)系統(tǒng)中的雙層油管需分批次下入，導(dǎo)致施工作業(yè)時間長，且密封效果差，導(dǎo)致部分循環(huán)液漏失。

(2) 受水力噴射泵本身泵效、機(jī)械效率等因素影響，沖砂液漏失量較大，降低了返排速度和沖砂效率，需要不斷補(bǔ)充動力液和延長循環(huán)時間來達(dá)到排砂目的，導(dǎo)致施工周期延長，增加砂堵等井下事故風(fēng)險。

針對上述2個主要問題，研制了雙級整體管柱和強(qiáng)制循環(huán)閥。

3 配套裝置研制

3.1 雙級整體管柱的研制

3.1.1 結(jié)構(gòu)與原理

針對原工藝中雙層油管存在作業(yè)時間長、密封效果差的問題，研制了雙級整體管柱，內(nèi)管和外管為一體化結(jié)構(gòu)，可在作業(yè)過程中一次下入，且密封效果好，可有效建立內(nèi)外2個獨(dú)立循環(huán)通道。雙級整體管柱主要由上接頭、接箍、雙級整體內(nèi)管、雙級整體外管、下接頭、密封膠圈等組成(圖2)。

圖2 雙級整體管柱組合示意圖Fig.2 The schematic diagram of two-stage integral pipe string assembly

雙級整體管柱的主要作用是將井下動力系統(tǒng)和地面配套系統(tǒng)串聯(lián)在一起。雙級整體管柱外管為Φ88.9加厚油管；雙級整體管柱內(nèi)管由上接頭、Φ48.3 mm油管和下接頭組成。雙級整體管柱內(nèi)管的上接頭直接卡坐于雙級整體管柱外管接箍的臺肩處，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管的連接；雙級整體管柱內(nèi)管的下接頭與另一根雙級整體管柱內(nèi)管的上接頭采用插入式密封的方式連接，同時配合使用密封膠圈實(shí)現(xiàn)密封；2根雙級整體管柱的外管則采用絲扣的方式進(jìn)行連接。雙級整體管柱與地面安裝管線和雙級特殊沖砂接頭連接，建立一套密閉的內(nèi)外循環(huán)通道[8-12],通過反循環(huán)沖砂方式完成沖砂工藝過程。雙級整體管柱內(nèi)外管是一體化結(jié)構(gòu)，可一次性下入井筒內(nèi)，相對原工藝，減少了管柱下井流程，可有效縮短作業(yè)工期。

3.1.2 抗拉強(qiáng)度校核

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)和作業(yè)要求，雙級整體管柱外管選用Φ88.9 mm N 80加厚油管，內(nèi)管選用Φ48.3 mm N 80油管。為保證雙級整體管柱的密封性和完整性，雙級整體管柱的抗拉強(qiáng)度需大于其最大載荷。雙級整體管柱的最大載荷出現(xiàn)在雙級整體管柱與井口采油樹連接位置。雙級整體管柱的載荷包括3個部分：Φ88.9 mm N 80加厚油管的重力、Φ48.3 mm N 80油管的重力、雙級整體管柱內(nèi)管及環(huán)空液體的重力。

雙級整體管柱強(qiáng)度校核公式為：

P>G1+G2+G3

(1)

式中：P為Φ88.9mm N80加厚油管的抗拉強(qiáng)度，kN；G1為Φ88.9 mm N 80加厚油管的重力，kN；G2為Φ48.3 mm N 80油管的重力，kN；G3為雙級整體管柱內(nèi)管及環(huán)空液體的重力，kN。

以該技術(shù)常用油藏平均埋深(2 000 m)為例，Φ88.9 mm N 80加厚油管的抗拉強(qiáng)度為53.80 kN，G1、G2、G3分別為27.31、8.95、7.96 kN，三者之和為44.22 kN，即雙級整體管柱抗拉強(qiáng)度滿足現(xiàn)場需要。

3.1.3 攜砂速度校核

混砂液是通過雙級整體管柱內(nèi)管返出地面的，因此，需要確定垂直井筒內(nèi)混砂液的最小攜砂速度。當(dāng)沖砂裝置出口的返排流速大于最小攜砂速度時，混砂液可充分返排出井筒，實(shí)現(xiàn)沖砂目的。垂直井筒最小攜砂速度：

(2)

式中：Uc為最小攜砂速度，m/s；ρs為砂子的密度，kg/m3；ρ1為動力液的密度，kg/m3；g為重力加速度；dp為砂粒直徑，mm；CD為混砂液助力系數(shù)，7.28×10-2N/m。

出口返排流速為：

(3)

式中：V為沖砂裝置出口返排流速，m/s；Q為沖砂裝置進(jìn)口最低流量，一般取值為0.25 m3/min；D為外管直徑，m；d為內(nèi)管直徑，m。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，平均砂粒直徑為380 μm，ρs=1500 kg/m3，ρ1=1000 kg/m3，D=0.0762 m，d=0.0483 m。將數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)計算可知，Uc=1.12 m/s，V=4.80 m/s。出口返排流速大于垂直井筒最小攜砂速度，即系統(tǒng)可順利將混砂液返排至井口。

3.1.4 技術(shù)參數(shù)

雙級整體管柱長度為9 500 mm；外管外徑為88.9 mm，內(nèi)徑為76.2 mm；內(nèi)管外徑為48.3 mm，內(nèi)管內(nèi)徑為38.0 mm；密封接頭耐壓為50 MPa，耐溫為200 ℃。

3.2 強(qiáng)制循環(huán)閥的研制

3.2.1 結(jié)構(gòu)與原理

強(qiáng)制循環(huán)閥主要由閥門彈簧上座板、外管、閥門彈簧、閥門密封圈、閥門彈簧下座板、閥門座密封圈、閥門座、壓板、導(dǎo)桿等部件組成(圖3)。

強(qiáng)制循環(huán)閥工作原理如圖4(圖中紅色箭頭為混砂液流動方向)所示。強(qiáng)制循環(huán)閥安裝在水力噴射泵的下端，沖砂管柱下放，當(dāng)壓板接觸到井底砂面后，導(dǎo)桿帶動閥門彈簧下座板上行，左右通道同時打開并連通，井底混砂液經(jīng)過通道進(jìn)入水力噴射泵低壓區(qū)，與高壓動力液一起排出地面。隨著砂面降低，壓板離開砂面，在重力以及彈簧力作用下，導(dǎo)桿帶動閥門彈簧下座板下行，封住左右通道，保證動力液可以全部進(jìn)入雙級整體管柱內(nèi)管。當(dāng)沖砂長度達(dá)到一根油管長度時，停泵再接入下一根雙級整體管柱，重復(fù)下輪沖砂作業(yè)，直到?jīng)_砂至人工井底或魚頂之上。

圖3 強(qiáng)制循環(huán)閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the structure of the forced circulation valve

圖4 強(qiáng)制循環(huán)閥工作原理示意圖Fig.4 The schematic diagram of the working principle of the forced circulation valve

3.2.2 強(qiáng)制循環(huán)閥彈簧優(yōu)選

為確保循環(huán)閥彈簧工作可靠，綜合考慮井下工況、強(qiáng)制循環(huán)閥結(jié)構(gòu)及彈力需求，根據(jù)工作載荷(1 350 N)和彈簧最大變形量(200 mm)等參數(shù)，確定彈簧各項(xiàng)參數(shù)：彈簧材質(zhì)為碳素彈簧鋼絲C級，彈簧鋼絲直徑為8 mm，彈簧中徑為75 mm，彈簧長度為720 mm，總?cè)?shù)為18圈。經(jīng)計算，其疲勞安全系數(shù)為1.37，在安全系數(shù)范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂配套裝置研制成功后，該技術(shù)累計沖砂施工300余井次，沖砂成功率為95%，簡化了作業(yè)施工程序，縮短了施工工期，提高了生產(chǎn)時效及系統(tǒng)效率，推廣應(yīng)用前景十分廣泛。

典型井例：高2-2-96井。該井位于遼河油田稠油區(qū)塊高3塊，開發(fā)層位為蓮花油層，套管射孔完井，射孔井段為1 555.6～1 610.1 m，油層厚度為47.2 m，完鉆井深為1 654.0 m，套管外徑為177.8 mm。由于進(jìn)入蒸汽吞吐開發(fā)后期，該井地層壓力只有3 MPa，漏失嚴(yán)重，常規(guī)沖砂技術(shù)無法建立循環(huán)，因此，采用低壓漏失井自吸式連續(xù)沖砂技術(shù)沖砂。700型水泥車做為動力源，下入雙級整體管柱166根，探砂面為1 583.0 m；水力噴射泵噴嘴直徑為5.7 mm，喉管直徑為9.5 mm；地面施工壓力為15 MPa，進(jìn)口排量為20.0 m3/h，出口排量為19.5 m3/h；沖砂速度為0.5 m/min，單根返排時間為30 min，共計下放雙級整體管柱3根(合計27.6 m)，沖至1 610.6 m，共沖砂0.55 m3，用時4 h，施工周期縮短8 h；沖砂系統(tǒng)漏失量由原來30.0%降至2.5%，達(dá)到漏失井沖砂設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

(1) 雙級整體管柱的研制，解決了原系統(tǒng)內(nèi)外管柱單獨(dú)起下，工作量繁瑣問題，縮短了作業(yè)工期，提高了生產(chǎn)時效。

(2) 強(qiáng)制循環(huán)閥通的研制，解決了原系統(tǒng)沖砂漏失量大、效率低、停泵造成砂堵等問題。

(3) 改進(jìn)后的裝置沖砂成功率為95%，簡化了作業(yè)施工程序，縮短了施工工期，提高了生產(chǎn)時效及系統(tǒng)效率。