海上多層防砂生產井新型沖砂管柱設計與應用

張　磊，曹硯峰，劉傳剛，王丙剛（.中海油　研究總院，北京0008；.中海油　能源發展股份有限公司，天津30045）

海上多層防砂生產井新型沖砂管柱設計與應用

張磊1，曹硯峰1，劉傳剛2，王丙剛2
（1.中海油研究總院，北京100028；2.中海油能源發展股份有限公司，天津300452）

在油井生產過程中，由于地層砂以及細顆粒從地層產出，容易堵塞篩管和篩套環空，導致滲透性降低，造成油井產能逐漸降低以及篩管沖蝕破壞等問題。常規的沖砂管柱需要下入多趟管柱，作業過程相對繁瑣，同時沖砂作業周期較長。在對當前沖砂解堵技術進行調研的基礎上，結合現場生產資料和數據進行了管柱和工具設計，研制出滿足現場沖砂解堵需求的工具，為防砂井沖砂解堵提供技術保障。

油井；沖砂；篩套環空；管柱設計

在油氣井開發生產階段，防止油層出砂是維持油田正常生產的關鍵措施之一，有效阻止儲層出砂是保證油田穩定生產的重要技術措施［1］。導致生產井失效及生產井防砂失敗的主要原因：一是防砂措施失效，地層砂進入井筒掩埋油層而使油井產量降低或停產；二是各種防砂管柱或擋砂礫石層并未損壞，而是地層中的粘土、粉細砂或其他物質堵塞了管外的充填礫石防砂管縫隙。對于防砂失效的油井，通常的處理方法是清洗返排井下的砂柱；對于堵塞嚴重的井下防砂管，有時必須起出更換，不但成本很高（相當于大修），而且作業周期較長，影響油田正常生產。沖砂解堵處理技術是一種物理解堵技術，現場應用取得了良好的增產增注效果，不僅有效疏通油層，延長油井防砂有效期，同時還達到疏通儲層、恢復產能，降低采油成本的目的。

1　多層防砂生產井簡介

我國海上油田一般采用機械防砂，考慮到海上油田鉆完井作業費率高，選用防砂工藝技術的基本要求是作業周期短、風險小。目前，海上油田常用的防砂工藝技術主要有5種，分別是套管井獨立篩管防砂工藝技術、套管井單層礫石充填防砂工藝技術、套管井一趟多層礫石充填防砂工藝技術、裸眼井獨立篩管防砂工藝技術、裸眼井礫石充填防砂工藝技術。礫石充填防砂工藝技術是油氣井在套管射孔后，產層下入篩管并利用封隔器進行封隔，地面利用防砂泵將一定質量濃度的砂漿從鉆桿（油管）泵入井內，通過選擇性轉換工具使砂漿充填在射孔炮眼內及篩管／套管、盲管／套管環形空間，直至覆蓋整個防砂段，這樣地層砂就被較大的礫石擋住，而礫石本身又被篩管擋住，實現防砂目的。礫石充填防砂工藝技術適應于部分地層砂分布不均勻，粒度較細，泥質含量高，油品性質差的地層。

2　礫石充填防砂管柱

海上油田244.475mm（9英寸）礫石充填防砂管柱如圖1所示。常用防砂工具基本尺寸：頂部封隔器內徑為152.4mm（6英寸），隔離封隔器內徑為127mm（5英寸），隔離封隔器上下密封筒內徑為120.65mm（4.75英寸），139.7mm（5英寸）盲管和優質篩管內徑為124.26mm（4.892英寸）。

圖1　224.475mm礫石充填防砂管柱示意

3　沖砂解堵技術發展現狀

沖砂解堵技術主要包括井下電脈沖解堵技術、負壓法地層解堵技術、水力振動解堵技術、高壓旋轉水射流解堵技術、化學解堵技術等。其中井下電脈沖解堵技術主要是利用一定頻率的高電壓脈沖電流，使之發生空化現象，從而解除儲層堵塞與污染；負壓法地層解堵技術是通過負壓發生器以及開關泵組的方法，對儲層產生負壓，利用壓降，解除對近井地帶的污染；水力振動解堵技術是利用水力振動器產生的振動沖擊波，使堵地層及篩管中的堵塞物松動并脫落，進一步達到清除巖石孔隙及篩縫中堵塞物的目的；高壓旋轉水射流解堵技術是利用可控旋轉自振空化射流工具在井筒中上下移動，同時旋轉噴頭產生水力脈沖沖擊以及高頻振蕩等作用，沖擊防砂管，達到解除堵塞的目的。以上技術也可配合酸液等化學解堵方法一起使用，可進一步增強解堵效果［2-5］。

4　新型沖砂管柱

通過對解堵技術的調研，本文確定2種解堵技術：

1）高壓旋轉射流技術。是一種新型的解堵技術，它是利用高壓旋轉射流工具將攜砂液打入地層，使得篩管、盲管和套管環空之間的地層砂處于懸浮狀態，并通過攜砂液將砂礫帶出。

2）篩套環空沖砂技術（大通徑防、沖砂一體管柱技術）。是國內最先進的機械篩管丟手防砂工藝管柱技術，該技術可徹底解決油田普通使用的丟手割機械篩管防砂所存在的問題，可實現在多次不起出原防砂管柱的基礎上徹底沖砂，可清除人工井底以上至套管頭以下所有可能積砂處的沉砂。當完成沖砂作業，起出沖刷管柱后，該機械防砂管柱結構仍留在井內，可繼續起到防砂作用。

由于整個管柱內徑變化較小，采用高壓旋轉沖洗工具沖洗篩管內部細砂，采用皮碗封隔器上下封堵沖洗篩套環空細砂。結合渤海油田完井防砂管柱特點及沖砂工具技術特點，新型沖砂管柱結構如圖2所示。

圖2　沖砂管柱示意

4.1篩管內部沖砂解堵作業

將沖砂管柱下入篩管內至沖洗位置后，開啟設定排量對篩管內壁進行沖洗，可以配合連續循環短節或者連續油管等其他不間斷沖洗作業設施實現不停泵沖洗作業，當沖洗至管柱最下端后，加大排量或者采用大排量循環閥導通，之后進行大排量洗井作業，直至所有細粉砂等返出干凈。

圖3　沖砂管柱作業示意

4.2篩套環空沖砂解堵作業

將沖砂管柱下入篩管內至厚壁密封筒，用負荷顯示器的噸位顯示來判斷管柱下入位置，經過上層充填滑套時，滑套開關工具通過雙向臺階裝置將上層充填滑套打開，上提管柱至滑套關閉工具經過上層滑套從而關閉滑套；同理通過中層滑套，經過底層滑套時打開滑套，建立循環通道，繼續下入到設計沖砂位置后，投入鋼球小排量泵送至單流閥處將其閥口封住，使管柱內部憋壓，如圖3。同時開泵加入高壓攜砂液，使內部壓力升高促使上部液壓皮碗封隔器和下部液壓皮碗封隔器坐封在篩管內壁上，實現沖砂段的上下兩端的封堵，從高壓沖砂管噴嘴處噴出高壓沖砂液對篩管和套管環空的細粉砂及聚合物進行沖洗，同時高壓沖洗液將沖洗掉的雜質經滑套返出至井口，完成洗井作業。當該段作業結束后，停泵或降低泵沖，上提管柱至一定高度實現底層防砂段的分段沖洗，當底層防砂段沖洗結束后，上提管柱滑套關閉工具通過單向臺階裝置將滑套關閉位置，滑套開關工具過滑套再次對滑套進行關閉，確保滑套正常關閉，中層和頂層防砂段沖砂與底層同理。

4.3關鍵工具技術特點

4.3.1高壓沖洗工具

高壓旋轉沖洗工具結構如圖4所示。工具上下兩端采用API標準螺紋，內部有液體流道，下部有不同方向的噴嘴，在高壓沖洗液的作用下，旋轉噴嘴提供切向力，促使工具旋轉，沖洗側面的管柱內壁。工具內部安裝一對單列圓錐滾子軸承，在承受高壓作用下軸的推力同時減小工具在旋轉過程中的阻力。高壓旋轉沖洗工具工作原理如圖5所示，可以對生產管柱內部進行旋轉清洗，不僅將管柱內部細砂沖出，還能通過循環將砂粒排出，具有疏通儲層恢復產能等功能。

圖4　高壓旋轉沖洗工具結構

圖5　高壓旋轉沖洗工具工作原理

4.3.2高壓沖砂管

高壓沖砂管是靠水力作用的沖砂機構，采用水力噴射原理進行噴嘴優化和布孔設計，在設計的沖砂排量下，由于噴嘴出口面積小于管柱內部通徑面積，管柱內部憋起高壓，一方面促使皮碗封隔器坐封于篩管內壁，實現沖砂段上下端的封堵；另一方面流體從噴嘴高速噴出經井筒內液柱沖擊篩管，對篩管上附著的油污和細粉砂進行有效沖擊，最后經篩管和套管之間形成的環空向上返出，如圖6所示。

圖6　高壓沖砂管工具示意

4.3.3液壓皮碗封隔器

沖砂用液壓皮碗封隔器如圖7所示。是一種靠水力噴射產生的管柱內部壓力進行坐封，從而封隔篩管目標沖砂段上下端的液壓坐封封隔器。包括皮碗膠筒和活塞機構，在沖砂管柱中2套液壓皮碗封隔器安裝方向相反，從而實現坐封時封隔目標沖砂段。在下入過程中，皮碗膠筒外徑小于篩管內徑，當下入至目標段后，開泵沖砂作業，管柱內部憋壓，在液壓的作用下工具內部憋壓使活塞移動，使皮碗膠筒受壓產生變形坐封于篩管內壁，泄壓后膠筒恢復形變自動解封。

圖7　液壓皮碗封隔器示意

4.4現場應用

新型沖砂管柱技術已在渤海綏中、南堡等油田進行了5口井現場應用，取得了良好沖砂效果。

5　結論

1）通過研究沖砂解堵工具及配套工藝技術，設計了一套針對海上低產、低效井的沖砂解堵作業工藝技術和工具。可有效疏通油層、延長油井防砂有效期、降低采油成本。提出了一種解決海上篩管堵塞的方法。

2）利用物理解堵法實現沖砂解堵作業，可以滿足基本沖砂要求，配合攜砂液沖砂，在清理砂堵的同時有良好的攜砂效果。

［1］萬仁溥，羅英俊.采油技術手冊［M］.北京：石油工業出版社，2004.

［2］鄭金龍.油井解堵技術研究及應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2013（1）：104-105.

［3］黃中偉，李根生，羅洪斌，等.水平井防砂管內旋轉射流沖砂解堵機理與試驗［J］.石油鉆采工藝，2008（3）：93-96.

［4］黃中偉，馬家驥，李根生，等.高壓旋轉射流解除井下防砂管柱的堵塞［J］.石油鉆采工藝，2004（6）：65-67.

［5］汪偉英.注水井解堵增注技術綜述［J］.鉆采工藝，1995 （4）：35-38.

Research and Application of New Type Sand Washing String based on Multi Sand Production Well

ZHANG Lei1，CAO Yanfeng1，LIU Chuangang2，WANG Binggang2
（1．Research Institute，CNOOC，Beijing 100028，China；2．EnerTech-Drilling&Production Co．，CNOOC，Tianjin 300452，China）

In oil production，due to the formation of sand and fine particles from the output of the formation，they are easy to block the screen and casing annulus，resulting in permeability decrea-ses，causing well productivity decreased gradually and screen erosion damage，conventional sand washing string in many times ripping，operation process is relatively cumbersome and sand opera-tion cycle is longer.In view of the above questions，this paper in the sand washing solution tech-nology is studied based on the combination of the actual data and the data were sand washing string design，detailed design tool，developed to meet the field sand washing plugging tool require-ments，and provide technical support for washing sand plugging of sand control wells.

oil well；sand washing；screen and casing annulus；string design

TE952

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.011

1001-3482（2015）12-0045-04

2015-06-12

“十二五”國家科技重大專項“多枝導流適度出砂技術”（2011ZX05024-003）

張磊（1984-），男，工程師，碩士，主要從事海底管道的設計與技術研究。