油井除砂工藝方案及設施研究與應用

卞凱

摘要：油田開發進入后期，油井使用一段后會發生出砂現象，產液量越大，出砂越嚴重，油井定期沖砂是一件必不可少的工作。沖砂作業一般使用沖砂器，本文著重研究適應油田生產使用的除砂工藝方案和設施設計應用情況。

關鍵詞：油井；出砂；除砂；工藝及設施

一、油井出砂的危害及表現

油井出砂的主要原因是油藏儲層為疏松膠結砂巖。油井出砂的危害主要表現在三個方面：

（一）砂埋產層，造成油井減產或停產；

（二）高速的砂粒，造成地面及井下設備加劇磨蝕；

（三）出砂導致地層虧空并坍塌，造成套管損壞使油井報廢等。

二、油井除砂作業的原理

沖砂作業一般使用沖砂器（多為鼻尖式），下放到井下積砂位置，然后逐步下方到施工要求的深度，在逐步下放過程中，用柱塞泵從連接沖砂器的管具內給沖砂器循環供水，把井下的泥沙沖起，泥沙隨水沿著管具和套管的環空返回地面。

三、當前除砂作業存在的問題

如果返回地面的泥沙不能及時清理，就會形成一個不間斷的循環，泥沙只會被稀釋和分散，能最終到達地面的泥沙較少，沖砂作業的效果極不明顯。

沖砂作業（早期）和正常生產井底液柱靜壓對比計算

沖砂作業時P井底=PH1+P管阻

正常生產時P井底=PH0

有流體力學中達西公式可知：P管阻和泵的排量的平方、H1的一次方成正比，即：P管阻∝Q2泵、P管阻∝H1。大部分油井H0≤100m，而H1大部分大于1000m，根據經驗，P管阻一般在4MPa以上，1MPa=1000m水柱，所以沖砂作業時井底壓力比平時增大10倍以上，即使考慮到正常生產時地層的助力，沖砂作業時P井底也很有可能大于P油層，液體回注油層在所難免。

目前勝利油田大面積采用注水工藝，有些注水泵的表示壓力也只有6MPa，從力學角度來講沖砂時液體回流地層問題很嚴重。實際隨著液體的快速回流，泥沙會迅速堵塞井底附近油層，迫使液體循環至地面。如果泥沙到達地面后不能有效分離，沖砂作業效果不理想，如增加沖砂時間，反滲入地層的泥沙就越多，嚴重時沖不出砂，或是沖而不絕：剛沖完砂，一下泵發現又有砂。

所以沖砂作業能否有效進行和泥沙在地面能否有效分離有很大關系。當然沖砂時還需合理設計沖砂裝置和沖砂工藝以有效防止揚起的泥沙反滲入地層，本文重點關注泥沙在地面的有效分離。

四、綜合除砂設施的研究

簡單的沉降和攔截過濾不能解決問題，因為沉降需要很低的流速，較大空間，很長時間，在現場不方便提供這些條件。一定精度的攔截過濾的濾芯容污能力較低，需較大過濾面積，維護強度很大，如果油井含沙量很大且多泥沙，中間還需要維護，這樣生產成本也很大。一般情況下油井泥沙都較多，不能采用一般的過濾方式。

單口井泥沙沉積量

假設：采油套管5寸，油管2-1/2寸，積砂深度20m，積砂量V砂=π0.1272/4×6+π（0.1272-0.0722）/4×14=0.19625m3

從V砂數值來開，單一的攔截式過濾無法滿足要求，且一般情況下井底沙量遠大于以上的計算值。早在1998年我們和采油院合作開發過純攔截式除砂器，有4個除砂灌組成，每個罐內安裝16根φ72×1000的濾芯，過濾精度5μm，過濾效果很好，但成本很高，一口井需要跟換2次濾芯，共計192個，濾芯成本6.624萬，大大超出采油廠的承受能力。后來濾芯國產化，各油田也大力推廣，濾芯產量大幅提高，成本進一步下降，但維護成本任然達到1萬，關鍵是勞動強度很大。

根據以上分析和以往經驗，我們認為除砂器需要多級逐步過濾，應該把這套設備安裝在車輛底盤上，做成除砂專用車，其泥沙分離原理如圖1，除砂工藝流程如圖2，各分部件模塊化設計，可快速插裝。

五、多級除砂設施的結構功能

（一）直排式滾動篩

直排式滾動篩能分離大部分的顆粒和油塊，和一般篩網不同，滾動篩由于不停的轉動，能很好的自清潔，防堵塞效果好，通過設計能自動的從一端排除雜物。設計2個直排式滾動篩，一個備用，通過開關自動切換。

分離的泥沙和油收集到一個儲液罐內，這個儲液罐底部加入壓縮空氣，通過氣舉的方式充分分離油和砂。

（二）穩流區

這個區域流動比較雜亂，只能分離較大的顆粒。隔板把穩流區和層流區1分離開，而且隔板的有孔部位在液面以下20cm，這樣從新聚集的油可以滯留在穩流區。隔板孔分布均勻，大小和流量匹配，有利于分散水流，降低流速。上端設置自動刮油器，及時把浮油刮到儲液罐內。

（1）層流1-11區

層流的目的就是通過分散水流，降低流速，降低水流的攜砂能力，加大泥沙的沉積，不銹鋼線性濾板采用錯位分布，迫使水流產生低速回繞，進一步分離泥沙。此外線性濾板還能直接過濾空隙尺寸以上的顆粒，這種濾板強度高，好清理，不需跟換。同時這兩個區域的線性過濾板都在水面以下，油能進一步分離。

（2）層流區Ⅲ

水流到達這一區域后，通過沉積作用無法分離水中細小的砂礫。沉降是分離的最有效方法。只要有流動，在有限區域內，細小的沙粒就很難沉降。為此在層流區Ⅲ的出口處設計一個絲網濾芯。這種濾芯是近幾年才逐步使用，主要用于氣液分離、含塵量大的流體過濾。這種濾芯的容塵能力很大，我們在處理煤礦瓦斯氣時，單個濾芯（1000*1000*145）一次能容納150Kg的灰塵，而且能清理。在這一區域底部加氣舉裝置，分離細小油花。

（3）離心分離

離心分離分兩級，一級在泵的入口處，采用多管旋流器，這是一個比較成熟的技術，在氣體過濾中大量使用，分離效率可達95—98%，分離精度可達5μm。由于水的攜帶能力較大，效果會差一些，為此我們增加了液力高速離心機，它和一般的柴油機機油離心濾是一樣的工作原理，差別是轉速要低一些，設定為2000r/min。這兩種濾芯過濾的優點是精度高，不需要跟換，維護方便，可對液體反復過濾。上端留有排油管，油通過管線回到儲液罐內。

（4）細過濾

在這種結構中，細過濾主要針對細小的有機顆粒。過濾材質采用目前在煤礦污水處理中大量使用的一種新材料，它清理方便。過去我們一般使用不銹鋼編織網、不銹鋼燒結網、聚氨酯布或纏繞式濾芯，這些清理不方便，有些無法清理。總之，污水處理不能靠單一的分離原理，在有限的空間內，發揮多種過濾原理的長處，逐級分離是比較理想的。

參考文獻

[1]商義敏.油氣田系統除砂技術探討.石油化工安全環境技術.2007年第23卷第4期.

（作者單位：勝利石油工程有限公司井下作業公司）