旋轉撈砂儲砂管的改進及其在煤層氣井的應用

秦紹鋒

中聯煤層氣有限責任公司 （北京 100028）

隨著煤層氣井的排采生產，煤層反吐壓裂砂、出煤粉煤粒越來越多， 導致沉砂口袋減小直至砂埋煤層、砂埋管柱，影響了井的正常生產。 清理口袋內沉積的壓裂砂、 煤粉煤粒是必須也是必要的維護井正常生產的作業。但由于煤儲層壓力低、裂隙發育以及排水降壓的生產特點， 不適合采用沖砂方式進行清理。 普通撈砂泵工藝雖然克服了沖砂液循環沖砂的缺點[1-2]，但對于板結的砂面及較大粒徑的煤粒無法清理，而旋轉撈砂泵工藝可以轉動管柱[3]，帶動底部鉆頭破碎煤粒及松散砂面， 但仍然存在撈砂效率不理想的情況。為此，在沁水盆地南部柿莊煤層氣田采用旋轉撈砂泵工藝配套改進的儲砂管技術進行撈砂作業，實現了高效撈砂作業，降低了作業成本，取得了良好的經濟效益。

1 結構及工作原理

1.1 結構

改進前管柱結構主要由動力油管、旋轉撈砂泵、儲砂管、底閥總成組成[4-5]，但是在遇到板結的砂面及較大粒徑的煤粒后， 進行旋轉管柱破碎板結的砂面或煤粒時， 儲砂管內的砂粒和煤粒沉降后壓覆在翻板之上，如圖1（a）所示，再次撈砂時翻板會發生延遲打開或打開程度降低的問題， 影響撈砂效果甚至造成撈砂無進尺。

圖1 改進前及改進后儲砂管示意圖

為解決上述問題， 在儲砂管內增加了內沉砂杯結構，如圖1（b）所示。 內沉砂杯形狀如開口杯子，分布在儲砂管內壁， 其數量可以根據儲砂管的內徑和長度確定。 當旋轉管柱鉆板結的砂面和煤粒時，儲砂管內的砂粒和煤粒在重力作用下下沉， 被內沉砂杯捕獲后沉積在其內， 從而減少了下沉至翻板上的煤粉和砂粒的數量， 提高了再次撈砂時翻板開啟的能力。

改進后管柱結構由上而下主要由動力油管、旋轉撈砂泵、改進儲砂管、底閥總成組成，如圖2 所示。其中旋轉撈砂泵由工作筒、循環接頭、外六方傳動螺母、六方活塞拉桿和軟活塞組成。底閥總成由鉆頭和翻板組成，鉆頭可以為刮刀鉆頭、套銑鉆頭或磨鞋鉆頭。 翻板為單流閥的一種，考慮到煤粒較大，故采用翻板以便于大塊煤粒經翻板進入儲砂管。

組配管柱時，首先根據儲砂管的內徑，計算出把井筒沉砂和煤粒全部撈進儲砂管內需要的儲砂管長度，實際組配管柱時按照120%的系數組配長度，但儲砂管長度不能超過200 m。然后依次下入鉆頭、儲砂管、旋轉撈砂泵和動力油管。

圖2 旋轉撈砂儲砂管的改進工藝管柱結構示意圖

1.2 工作原理

當鉆頭接觸沉砂口袋內的砂面后， 地面指重表指示井下管柱懸重下降， 需要將儲砂管的全部重量加在砂面上，活塞開始下行，地面指重不變，為動力油管的重量；在活塞繼續下行的過程中，底閥總成中的翻板關閉，循環接頭的單流閥打開，泵內液體向上經單流閥進入循環接頭，再經循環接頭的旁排液孔，循環到油套環空內；當活塞下行沖程結束，即活塞下行至下死點后，地面指重表懸重稍有下降，此時停止下放，開始上提動力油管，活塞開始上行，上單流閥關閉， 工作筒內通過軟活塞與泵筒的間隙配合形成低壓，并在泵筒與油套環空內液柱的壓差下，底閥總成中的翻板打開， 砂面上的沉砂和煤粒隨井筒水經翻板后一起進入儲砂管內。隨著活塞繼續上行，沉砂和煤粒不斷進入儲砂管，如圖3（a）所示。 當活塞到達上死點時，地面指重表懸重突然上升，這時停止上提管柱，開始下放管柱。 泵內液體經單流閥，通過排液孔流入油套環空內， 而砂子和煤粒在儲砂管內呈懸浮狀態。通過及時的往復上提下放動力油管，井筒內的沉砂和煤粒就會不斷進入到儲砂管內。

若鉆頭接觸板結的砂面或粒度大的煤塊， 則撈砂無進尺，可用井口液壓鉗旋轉井口動力油管柱，從而將扭矩傳遞給井下的六方活塞拉桿和六方傳動螺母，再傳遞給儲砂管，最后傳遞給鉆頭，鉆松板結的砂面和鉆碎較大的煤粒后，再撈進儲砂管內。在旋轉管柱時，儲砂管內呈懸浮狀的砂粒和煤粒開始下沉，大部分被內沉砂杯捕獲， 少部分沉降后壓覆在翻板之上，如圖3（b）所示。 因此大大減少了壓覆在翻板之上的砂粒和煤粒， 當鉆進后再次撈砂時翻板能夠及時、暢通的打開。

圖3 改進的儲砂管進砂和內沉砂杯儲砂示意圖

2 主要技術參數

旋轉撈砂泵外徑：Φ89 mm、Φ99 mm、Φ110 mm；

旋轉撈砂泵行程：3 m；

泵筒長度：3.6 m；

六方活塞桿長度：3 m；

軟活塞長度：0.4 m；

動力油管外徑：Φ73 mm 加厚油管；

儲砂管外徑：Φ73 mm 加厚油管， 長度50 m，內部具有分散式內沉砂杯；

鉆頭外徑：Φ95 mm、Φ102 mm、Φ114 mm。

3 使用注意事項

1）套變井、井內有落物井不宜使用旋轉撈砂泵。

2）井斜大于30°的煤層氣井不宜使用。

3）下井前，對撈砂泵地面試抽，驗證抽吸能力。

4）在撈砂無進尺時可采用鉆塞方式，鉆塞后立即進行撈砂作業。

5）鉆進1 個單根后，盡快完成井口接單根。

6）多次撈砂無進尺，需起出管柱檢查軟活塞，必要時及時更換。

4 現場應用及效益分析

2018 年7 月至9 月，改進了儲砂管的旋轉撈砂工藝在柿莊煤層氣區塊應用20 井次，施工有效率達100%，有效地解決了因旋轉管柱鉆板結的砂面和煤粒時， 儲砂管內的砂粒和煤粒沉降后壓覆在翻板之上，撈砂時翻板延遲打開和打開程度降低的問題，保證了氣井下一步措施的順利進行。

現場應用表明， 采用改進了儲砂管的旋轉撈砂工藝進行煤層氣井的清砂作業， 在不需要泵車、罐車、 轉盤等特殊車輛和設備以及大量沖砂液的條件下，能夠快速、高效地完成清理井筒沉砂的工作，與沒有使用改進的儲砂管相比， 至少減少1 井次的起下管柱作業，節約成本5 000 元。 按照2018 年7 月至9 月實施的20 井次計算， 共計降低作業費用10萬元，具有良好的經濟效益。

5 結論

1）改進的儲砂管結構簡單、性能可靠，便于現場的改造使用。

2）改進了儲砂管的旋轉撈砂工藝能夠有效解決因旋轉管柱鉆板結的砂面和煤粒時， 儲砂管內的砂粒和煤粒沉降后壓覆在翻板之上， 撈砂時翻板延遲打開和打開程度降低的問題。

3）改進了儲砂管的旋轉撈砂工藝撈砂成功率高，可大大降低作業成本，具有良好的經濟效益。