水平井沖砂洗井技術進展

＊尹興雨

（西安石油大學化學化工學院 陜西 710065）

20世紀末，隨著石油開采量的增加，油田單井產量大幅度提高、原油采收率進一步提升，油田的效益大幅度提升。但開采過程中，油井由于長時間使用，地面產狀氣壓逐漸降低，往往會發生地層出砂的問題。在用砂礫回填過程中，就會發生充填性砂石大量堆積井底的現象。當產出較高時，砂子就會在正常產出的流體中出現漂浮的狀況，這就會使采油設備產生很大損壞，在到達地面后就必須對砂體加以剝離與處置，從而提高了生產成本。當產出較低時，砂體會滯留于豎井中產生砂柱、砂床，并阻塞了噴砂射孔段和近地面下沉井壁的地層，使油井井底流體流速與阻力增加，生產率降低，嚴重時影響正常產出。因此，水平井的沖砂洗井效率直接影響其生產率和開發成本。

1.沖砂方式

沖砂方式主要有正沖砂、反沖砂、正反沖砂和聯合沖砂等幾種方式[1]。

正沖砂方法在施工中將沖砂液先沿沖砂管方向流淌，最后在沖砂口以較快的速度沖刷油井的井底沉砂，將沖散的砂子砂塊和工作液混勻，然后液體沿沖砂管和套環之間的縫隙返回地面。隨著砂堵不斷被沖開，沖砂管柱的位置逐漸加深。期間需要注意的是在下放過程中速度不宜過快，避免在插入砂堵時引起憋泵。正沖砂的好處是沖砂強度大，缺點是攜砂力較弱。大粒砂子不易被帶出，并且停泵后砂子會下沉，容易出現卡住的風險。

反沖砂方法為沖砂的工具液沿套管和沖砂管環空間隙流下，直接沖擊油井井底的沉砂，當沖散了沉砂之后，工作液與砂子結合相互攪拌，最后再順著沖砂管回流至地面，這種方法上返過程中速度比較快，能夠有效的減少卡砂的問題。但缺點是下行期間速度較低，所以無法解決砂堵嚴重問題。相比較而言：正沖砂撞擊力大，在管柱底部可帶動渦輪鉆具等沖砂用具工作，較方便的把砂堵沖散，但由于環空橫截面大，進而造成液體流動上返流速較小，不利于攜砂，若使用不規范，容易引起卡鉆。反沖砂環空液流在上返過程中速度較快，對攜砂有較好的幫助作用。但由于井口高度不易控制，液流對沉砂的撞擊力也相對小，沖砂井內底部并沒有裝帶水動力的渦輪式鉆具[2]等沖砂器械。

正反沖砂法具有正沖砂與反沖砂的優勢，利用正面沖砂的方法，油井井底的沉砂被沿沖砂管滴下的沖砂液沖散，使用正沖砂的方法與液體攪拌后，用反面沖砂的方法直接將砂子帶到地面，而利用正反沖砂法還有另外一個要求就是必須在井口安裝管匯，這樣就可以在轉換沖砂的方法同時快速開關閥門，進而保障沖砂的效率。缺點是管柱不能帶水動力渦輪鉆具等工具。

2.沖砂洗井技術發展

(1)真空清砂技術

同心連續管真空清砂技術在北美地區最先發展應用是在傳統連續管清砂技術上的進一步完善和發展。作為一項新穎的井下作業技術，在面對井下作業出現棘手問題時，能夠按需求進行施工，是一種高效的洗井工藝技術。

連續管真空清砂裝置由噴射泵與同心連續油管兩部分組裝而成。其工作機理是井內底部的射流泵在沖砂水流入同心連續管內管后被水利效應激發為工作狀態。因此，局部負壓在井底形成，抽吸效應使得內管不斷的被砂子所填充，然后將沖砂水經過井內自身的環空上返至地面。因為管柱設計的環空空間受到限制，受此影響環空中的液流流速較快，砂子因此會被迅速的帶往地面。因此，此技術不僅能做到快速施工，而且還為低壓水平井提供了改進的砂清除技術。

(2)密閉連續沖砂洗井技術

密閉連續沖砂洗井技術的原理是環空和油管通過井下換向器被緊密連接到一起，通過改變流通管道使沖砂液能夠向下產生有力的沖擊，同時向上的返出速度較快，能夠將砂粒帶到地面，在井口處沖砂液中的砂粒會被去除[3]，為了循環利用，潔凈的沖砂液會返回到井中重復作業。泵車需要在這個過程中持續處于工作狀態。

(3)連續管沖砂洗井技術

連續管沖砂洗井技術適合大斜度井或者水平井的沖砂施工，通常會加上扶正器或彎曲管柱形體來適應井下復雜的井深軌跡。其優點有：工作效率高[4]，可連續工作；成本低，比常規洗井作業降低近一半；具有很強的抗拉伸性，可下較深的井底；無需把施工井原有管柱起出地面，對底層傷害小，特別適合井眼軌跡復雜的沖砂作業；易于安裝，占地面積小作業施工快。

(4)泡沫沖砂洗井技術

在實際的沖砂作業中，以上所描述的洗井技術主要用海水、鹽水、地層水、原油和柴油等易獲取的方便流體[5]。泡沫流體兼具低密度和高攜砂能力的特點，可以作為低密度沖砂液的首選。

泡沫沖砂洗井技術有三個特點：

①在同等條件下，泡沫流體阻力的最大攜砂力遠高于清水[6]，或者普通沖砂水；

②泡沫流體可通過工具調整泡沫密度，進而改變液柱壓力；

③泡沫流體因為具有較強的攜砂性，對井壁和管柱上的粘附物有著很好的清理能力。

3.水平井沖砂工具

(1)普通油管旋流連續沖砂工具

普通油管工作原理[7]是讓沖砂液在井壁與管柱之間的縫隙通過水眼進入管柱。再通過管柱的獨立環空進入噴頭。設計沖砂液通過水眼高速噴出，噴頭開始轉動，最后在井底形成高速旋轉。攪動水平井段的沉砂，沖散砂床，保持顆粒不會下沉，保持懸浮，通過上返液流把砂粒帶回地面，清理井底[8]。在這個過程中想要保持持續的沖砂就要實現不停泵接單根，這樣才能保持顆粒懸浮不下沉，從而避免管柱卡砂事故。水力旋流沖砂器就是為達到此目的所研制出的關鍵部件。

(2)連續管旋轉射流沖砂洗井工具

水平井井身構造也存在一定特點，目前我國國內已普遍使用連續管直接裝上螺旋噴流沖砂洗井工具來完成水平井沖砂洗井作業[9]。該工具的主體為螺旋噴嘴，噴頭通常布置于前方、側邊和后部。其中，最前端噴頭數量通常為1至3個，主要是用于撞擊破壞或定向在水平井下部膠結的砂床；側面或后部的噴頭，通常為2至4個。主要是驅使旋轉噴頭轉動[10]，并在豎井環空內形成旋流場，以提高砂子紊流強度，從而降低砂子的沉降速率；而后部噴頭產生向后噴流場，驅掃砂床以減少其在豎井內的殘留，從而提升驅掃效能。在實際施工中先下沖砂管柱至井段后，下放速度通常小于5m/min，距砂面10m時，停止下放，卸掉自封封井器。連接換向短節（之后的每根油管上都要接，施工前應連接好）及水龍帶后，控制排量進行循環，如泵入液量超過井筒液面以上容積1.2～1.5倍時，仍未建立循環，再適當提高排量直至建立循環，正常沖砂過程中泵壓應控制在7MPa以內，下鉆速度控制在2m/min，并控制排量。設計沖砂至人工井底。達到設計深度后，充分循環洗井，當出口含砂量合格后，上提管柱至水平井段以上，一段時間后再復探砂面，記錄深度。若發現沖砂返出物中有固體膠結或垢塊，需要進行泄壓、拆卸地面管線，起出管柱。

(3)同心連續管真空清砂工具

繼連續管螺旋噴流式沖砂洗井技術發展成功以后，國外企業已開始積極發展同心連續性管標準真空清砂工藝技術[11]，以求達到水平井的高效率安全沖砂洗井生產作業。該工藝技術一般涉及同心連續性管和國際標準真空清砂用具。國際標準真空清砂技術工具通過利用焊接接頭裝于同心連續性管下部，流體參數下由工具噴頭高速流出，在部分流體參數上返至井口，而剩下的流體則流向井底[12]。再由文丘里管腔室的功能，逆時針循環系統攜帶巖屑吸到工具中，再經過同心連續性管的環空上返至井口，完成標準沖砂洗井。

4.水平井沖砂過程常見問題

(1)沖砂過程卡鉆

在沖砂中，井內管柱會貼近下沉井壁并經過豎直的放置井，在管柱受“鐘擺力”和摩擦力的共同影響下，砂子易卡在豎井成為砂卡，因此沖砂液對砂子的攜帶效果也會隨著黏度的增加而提高。沖砂液黏度增加，水泥層的高度也就會提高，所以當正沖砂段時沖起的砂子在引力作用下沉降，但是由于水平段的空隙比較狹窄[13]，所以砂子就會下沉到近井眼的地方，造成卡鉆；而相對來說造斜段就更易產生卡鉆，因為當經過造斜段時砂水流動方向會出現變化，動能產生損失，流速和攜水的能力減弱，從而影響砂子沉降速率提高，這樣就會造成直井段的砂子下沉到造斜段。

沖砂液環空流量偏差過大，也是導致卡鉆的另一種主要因素[14]。井圍高邊油套環空的摩擦力較小，低邊的油套環空摩擦力則很大，沖砂液在井圍高邊速度較高，攜砂能力強，但在井圍低邊速度較低，攜砂能力減弱，因此在井圍低邊產生了大批砂子堆積構成的砂床，導致井內被卡鉆[15]。

(2)砂堵或砂卡管柱

定向段水平井在沖砂作業過程中常會出現保持不動的情形。因為砂子在水平階段時的下沉方位一直指向套管內壁底側，與沖砂水流的走向幾乎呈90°。一旦沖砂液黏度太小或對砂子缺乏充分的懸浮能力[16]，則井底被沖起的砂子在經過短時間移動后，便沉淀下來成為了砂丘（或砂床），從而產生了砂堵或砂卡管柱的現狀。此外，一旦油井井底砂子經過長時間積累后，與油井井底的巖石分子融合產生硬質垢塊，沖砂水便根本無法將其沖開。而這些狀況，僅依靠提高沖砂液的黏度和排量便根部無法扭轉。

(3)解決方案

①連續沖砂

為克服沖砂口不連續的問題，可利用“反循環連續沖砂井口”及其相應的換向短節，同時加工出反轉角接箍工具油氣管道和循環除砂裝置。倒角式接箍工具油管可減少油管與套筒之間的磨擦，并防止內燃料管接箍在造斜階段或水平段時將外套管接箍“咬死”而造成卡鉆。

沖砂液可以通過換一個沖砂水循環管道，保證在井中沖砂水不斷循環。這套工具有如下優點[17]：A.可以防止由于沖砂水斷流而引起的卡砂事件；B.反循環法沖砂可以保持砂子一直在油管內運動，沒有由于二次沉降產生鉆具卡鉆；C.環空橫截面等于油氣管內橫截面，懸砂力強，增加了沖砂效果。

②改善沖砂液配方

為減少沖砂水的漏掉率，并提高攜砂能力，可將沖砂水由活性用水改變為瓜膠水。但因為沖砂水的黏度越高，攜砂能力也越高，所以優先采用濃度較低且帶有較高黏性的增黏劑。由于黏性加大，循環阻力也加大，因而造成循環泵壓力加大，也加大了對地面設備的需求。

③改進水平井沖砂工具

研究沖砂工具的重要目的是為了盡可能破碎砂床[18]，并增加沖砂液的上返流速，以避免砂子二次沉降，從而使管柱和井筒井壁之間的碰撞減至最小化。

沖砂工具有以下特性：A.工具的特殊構造使它在碰到堅硬砂堆、砂橋、垢塊等時，能夠利用在活動井內有效地破壞砂堆、砂橋、垢塊等，將其溶解而沖出豎井；B.在工具側面開窗多個水眼，使工具在流入砂體后，不會因混凝土車的憋泵造成泵壓上升，進而減少了地層的泄露危險性。沖砂井內的密封膠粘劑皮限壓為7MPa，對其密閉特性具有良好的保障效果；C.超過水眼尺寸的石屑、膠皮、垢塊等雜質根本無法流入返液油氣管道，因此能夠很好地解決了換向短接水眼過小的實際問題；D.水眼大小可以明顯降低沖砂液在隧道變徑處的節流效果，進而降低了由于節流能力損失使泵道壓力增大，所造成的巖石地層漏掉。

5.結束語

沖砂洗井在實際生產中會直接增加其產能，并且降低開采成本。沖砂洗井的方式很多，但各種方式的特點不同，需要根據實際情況來選擇洗井方式。在施工過程中會出現很多的問題，有些問題不及時做出措施處理會直接影響產量效益，比如常見的卡鉆和砂堵。根據出現問題情況類型與嚴重程度，選擇相對應的措施能夠及時提高水平井的沖砂洗井效率，從而更好地滿足油田開發的需要。