機械式抽砂管柱結(jié)構(gòu)及作業(yè)工藝改進

付 強，李英松，李嘯南，路振興，邊 杰

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

機械式抽砂管柱結(jié)構(gòu)及作業(yè)工藝改進

付 強，李英松，李嘯南，路振興，邊 杰

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

為了解決海上油氣井出砂問題，克服水力沖砂技術(shù)及傳統(tǒng)抽砂工藝的不足，對機械式抽砂管柱結(jié)構(gòu)及作業(yè)工藝進行了改進。管柱包括順序相連的滑套、上單流閥、撈砂泵、裝砂筒、下單流閥和引鞋。單次下入后，反復上提管柱吸砂，下放排液，可實現(xiàn)大容量撈砂，遇阻后可通過旋轉(zhuǎn)管柱實現(xiàn)破除砂礫膠結(jié)，解決砂卡問題。該技術(shù)的關(guān)鍵工具撈砂泵采用獨特V形密封和耐磨環(huán)結(jié)構(gòu)，密封效果好，單次作業(yè)后磨損輕微。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用證實，該工藝管柱遇砂后有效進尺均超過1.83 m，?88.9 mm（3 1/2英寸）油管內(nèi)裝砂高度均超過8.23 m，具有推廣應(yīng)用價值。

撈砂泵；管柱；技術(shù)改造

中國的海上油氣田大多屬于疏松或較疏松砂巖油氣藏，在生產(chǎn)開發(fā)過程中，油氣井出砂現(xiàn)象嚴重，甚至有井壁坍塌，套管受擠壓變形最終棄井的先例。目前，海上油氣田恢復和維持出砂井生產(chǎn)的常用方法是水力沖砂。在水力沖砂過程中，由于沖砂井底壓力大于地層壓力，使大量的沖砂液漏入油層，甚至部分積砂重返油層，對油層造成損害。另外，利用泵車大排量洗井沖砂，存在作業(yè)費用高，消耗時間長，作業(yè)后入井液返排困難等問題［1］。

機械式抽砂技術(shù)在海上油氣田中也有應(yīng)用，但是現(xiàn)有工藝管柱下井作業(yè)遇阻時，解卡效果不好［2］。在正常作業(yè)情況下，連續(xù)作業(yè)時工具密封件很快磨損失效，需要頻繁起下管柱，更換密封件。

另外，現(xiàn)有抽砂管柱在作業(yè)過程中存在撈砂量少，成功率低的不足。受海上平臺空間小、作業(yè)費用高等限制，傳統(tǒng)機械式抽砂技術(shù)不適宜在海上應(yīng)用，有必要針對以上不足開發(fā)更加優(yōu)化的技術(shù)［3］。

1 管柱結(jié)構(gòu)及工作原理

優(yōu)化后的管柱組成如圖1，包括順序相連的油管短節(jié)、滑套、上單流閥、撈砂泵、裝砂筒、下單流閥和引鞋，其中裝砂筒至少為4根油管組合，可充當配重。

圖1 機械式抽砂管柱結(jié)構(gòu)示意

管柱入井時，由于撈砂泵的密封件選用了獨特的V型密封組合，摩擦力小，撈砂泵在底部配重的作用下，處于拉伸狀態(tài)。進入砂層后繼續(xù)下壓，管柱進入砂層的同時，撈砂泵收縮，上單流閥打開排液。如遇井底砂礫膠結(jié)，可逆時針旋轉(zhuǎn)管柱，利用撈砂泵的六棱柱結(jié)構(gòu)傳遞轉(zhuǎn)矩，底部引鞋可破除砂礫膠結(jié)。六棱柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。管柱到達撈砂位置后狀態(tài)如圖3所示。

抽砂作業(yè)時，上提管柱，撈砂泵在配重作用下拉伸，上單流閥關(guān)閉狀態(tài)促使撈砂泵內(nèi)部產(chǎn)生負壓打開下單流閥吸砂，如圖4所示。全部拉伸后，下壓管柱，下單流閥關(guān)閉并密封，撈砂泵及裝砂筒內(nèi)壓力上升打開上單流閥，液體經(jīng)過上單流閥從滑套的開口排到管柱外部，如圖5所示。反復上提下放管柱至撈砂泵不再拉伸即達到裝砂極限。

圖2 撈砂泵轉(zhuǎn)矩傳遞結(jié)構(gòu)剖面示意

圖3 管柱到達撈砂位置后狀態(tài)示意

圖4 管柱上提吸砂

圖5 管柱下壓排液

2 主要技術(shù)參數(shù)（如表1）

表1 機械式抽砂工藝管柱技術(shù)參數(shù)

3 技術(shù)特點

1） 該技術(shù)應(yīng)用過程中無需大型工程設(shè)備，占用空間小，費用低，見效快，適合海上平臺使用。

2） 該工藝管柱1次下入，可以反復多次抽砂，撈砂量大。

3） 該工藝管柱可傳遞轉(zhuǎn)矩，利用管柱底端的引鞋有效破除砂礫膠結(jié)，成功率高。

4） 撈砂泵采用獨特V型密封組合，摩擦力小，抽吸容易。

4 關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)機械式抽砂技術(shù)的核心工具是撈砂泵，如圖6所示，撈砂泵主要包括上接頭、推桿、筒身、活塞、耐磨環(huán)、V型密封、O型圈和下接頭等。

圖6 機械式抽砂管柱中撈砂泵結(jié)構(gòu)示意

撈砂泵拉開時，筒身和下接頭不動，上接頭帶動推桿以及活塞組件外移，活塞和筒身之間由獨特的V型密封組合實現(xiàn)動密封，摩擦力小且不影響密封性能。推桿與筒身之間液體通過排液孔快速排出。在V型密封組合兩邊，設(shè)計了兩道耐磨環(huán)和兩道O型圈做為清砂裝置，有效避免了砂礫進入V型密封組合，破壞密封組件，如圖7所示。

圖7 撈砂泵密封和清砂機構(gòu)示意

5 室內(nèi)試驗

為優(yōu)選V型密封組合，實現(xiàn)在保證密封效果的前提下，盡量減小摩擦因數(shù)，對撈砂泵做了室內(nèi)試驗。

5.1 密封性能試驗

將撈砂泵置于拉伸狀態(tài)，上下兩端安裝試壓堵頭，從1端注水并加壓，驗證V型密封組合密封性能。試驗曲線如圖8所示。

試驗結(jié)果表明，所選V型密封組合密封效果良好。

圖8 撈砂泵密封性能試驗曲線

5.2 拉伸力試驗

組裝好撈砂泵，將筒身和下接頭固定，上接頭連接彈簧測力計和拉伸儀器。啟動拉伸儀器，向外平穩(wěn)拉開撈砂泵，讀取彈簧測力計數(shù)值來記錄拉力大小。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

通過拉力測試，得到撈砂泵拉伸力不超過1 400 N，取安全系數(shù)為3后為4 200 N。通過計算，得到撈砂泵所需配重可由不少于4根油管充當。

表2 撈砂泵的拉伸力試驗數(shù)據(jù)

6 現(xiàn)場應(yīng)用

該技術(shù)在印尼KRISNA D-14井成功應(yīng)用。該井井深1 391 m，最大井斜19.74°，套管公稱尺寸?244.5 mm（9 5/8英寸）。2011-11-12，下?244.5 mm（9 5/8英寸）套管清刮器刮管遇阻，經(jīng)探測，發(fā)現(xiàn)在?244.5 mm（9 5/8英寸）套管底部中約有2.44 m砂粒。2011-11-13，用中海油田服務(wù)股份有限公司提供的?144.3 mm（4 1/2英寸）撈砂管柱（底部連接8根?88.9 mm（3 1/2英寸）油管）下到井底進行撈砂作業(yè)，進尺大約2.44 m，起出撈砂泵到鉆臺面，發(fā)現(xiàn)撈到油管里面的砂粒有9.45 m，撈砂效果良好。

撈砂泵使用后，對該泵進行了拆卸，檢查各部件的磨損狀況，重點檢查活塞及其V形密封組合，其中V形密封組合磨損輕微。通過入井作業(yè)的情況來看，管柱功能正常，使用的效果良好，并且產(chǎn)品拆卸、組裝都比較容易，維修、保養(yǎng)方便，達到了產(chǎn)品設(shè)計的要求。

7 結(jié)論

1） 改進后的管柱合理配置了撈砂泵、單流閥、滑套等井下工具，實現(xiàn)了1次下井反復撈砂。其中撈砂泵的六棱柱結(jié)構(gòu)保證管柱可旋轉(zhuǎn)并破除砂礫膠結(jié)，活塞上的密封和清砂裝置設(shè)計，實現(xiàn)了最小摩擦力下的密封，且延長工具使用壽命。

2） 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)的撈砂效果好，作業(yè)周期短，成本低，占用作業(yè)空間小，尤其適合在海上平臺使用，具有推廣應(yīng)用價值。

3） 油氣井出砂問題單靠水力沖砂或者機械式抽砂等方法被動治理是不經(jīng)濟且對環(huán)境有害。作業(yè)設(shè)計者宜加強對油氣井開發(fā)過程中的防砂設(shè)計，從根源上杜絕油氣井出砂。

［1］ 汪國慶，周承富，呂選鵬，等.連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)沖砂技術(shù)在水平井中的應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2011，40（5）：70-73.

［2］ 喬金中，付文華，李川.鉆進撈砂泵的研制及應(yīng)用［J］，石油礦場機械，2007，36（3）：52-54.

［3］ 楊振威，曾凡芝，熊曉波.撈砂泵作業(yè)工藝技術(shù)［J］.油氣井測試，2005，14（1）：47-48.

Improvement of String Structure and Operation Process for Mechanical Sand Pumping

To solve problems of sand production in offshore oil and gas wells，and to overcome defects of hydraulic sand washing technique and traditional mechanical sand pumping technique，an optimized mechanical sand pumping technique was developed.The string consists of sliding sleeve，upper check valve，sand pump，sand container，and lower check valve and guide shoe.The unique V-packing and wearing rings are adopted to ensure sealing effect and long life.Field application shows the optimized technique has effective footage of more than 1.83 m（6ft），and height of more than 8.23 m（27ft）in?88.9 mm（3 1/2in）tubing，and is worth popularized.

sand pump；pipe string；technical reform

TE935

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.012

1001-3482（2014）10-0058-03

2014-04-10

中海油田服務(wù)股份有限公司科技攻關(guān)課題“海上頂部完井關(guān)鍵工具研究”部分成果（E23147008）；國家實用新型專利（ZL 2012 2 0236247.X）；國家實用新型專利（ZL 2012 2 0321967.6）

付 強（1987-），男，吉林永吉人，工程師，2010年畢業(yè)于大連理工大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，主要從事完井工具設(shè)計工作，E-mail：fuqiang19＠cosl.com.cn。