沖砂試壓一體化技術在二次防砂油井中的應用

徐路

中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院（遼寧 盤錦 124010）

遼河油田儲層多為疏松砂巖油氣藏，出砂問題嚴重。在進行防砂施工前需進行沖砂作業和油管試壓，以保證防砂管柱順利下入和施工安全。由于缺少專用的沖砂工具和油管試壓工具，以往的施工中存在沖砂不干凈的問題和安全、環保隱患[1-3]。同時上述兩項工序分步進行，需要起下兩趟管柱，應用兩套車組，增加了作業費用。因此，研發油管沖砂試壓一體化技術，將油管沖砂、試壓兩項作業整合成一種工藝，節約了作業成本，實現高效沖砂的同時也消除試壓過程中的安全、環保隱患，具有較高推廣價值。

1 技術研發背景

在油井防砂施工前的準備工作主要有2項：一是沖砂洗井，即將原井筒內的地層砂沖出地面，便于二次防砂管柱下入。目前現場沖砂作業主要應用沖砂筆尖。二是油管試壓，保證篩管防砂過程中封隔器順利坐封和壓裂防砂過程中的施工安全。目前現場油管試壓一般采取投球打壓方式，起壓后保持設計壓力在一定時間內不下降（一般為15 MPa，5～10min），即為油管試壓合格。試壓合格后，繼續打壓至球座剪切銷釘剪斷，油管上下貫通，施工完畢[4-5]。

目前沖砂、試壓施工主要存在以下問題：

1）沖砂、試壓施工分兩次進行，需要起下兩趟管柱，應用兩套車組，作業費用高。

2）沖砂作業無專門工具，特別是在水平井中，沖砂洗井水力參數研究較少，沖砂效果不好[6-9]。

3）試壓過程剪切銷釘剪切力設計窗口范圍小，設計困難。剪切銷釘的剪切強度必須大于油管試壓的設計壓力。若剪切力設置過低，剪切銷釘在試壓過程中容易被誤剪斷，造成試壓失??；若剪切力設置較高，則施工結束后難以剪斷，且存在安全隱患。

4）試壓失敗后起管柱困難，環境污染。油管試壓過程如果剪切銷釘出現問題，球座打不掉，油管上下不連通，起出管柱過程中油管內液體會隨著油管的卸開而流到地面，不僅給起出油管施工帶來困難，也對環境造成污染[10]。

2 沖砂試壓一體化技術設計原理

2.1 管柱結構及原理

2.1.1 管柱結構

油管沖砂試壓一體化技術的核心為油管沖砂試壓一體化管柱，該管柱在功能上可以分為試壓總成和沖砂總成兩個部分。試壓總成自上而下依次由外筒、鋼球、球座、彈簧和頂桿等組成，沖砂總成自上而下依次由滑套外管、滑塊、滑套內管、沖砂腔管和噴嘴組成。

其中球座和滑套外管設置于外筒內，與外筒通過絲扣連接。頂桿、滑套內管、沖砂接頭、噴嘴和砂鏟通過絲扣連接，組成一個可以上下滑動的部件，依靠滑塊與滑套外管相連。

2.1.2 沖砂技術原理

如圖1所示，沖砂總成的滑套內管上部設置數個徑向通孔，使得滑套內管內外相連通?；變裙芡獗谠O置多個長短軌道。滑套內管通過滑塊與滑套外管相連接，滑塊卡在滑套內管的軌道內，滑套內管可以相對于滑套外管上下移動、換軌，換軌過程中砂鏟隨滑套內管旋轉。

圖1 沖砂試壓一體化管柱結構示意圖

將該管柱上部連接油管，下入油井中，至底部工具到套管內地層砂位置。下放管柱，滑套完成換軌，砂鏟旋轉，堆積地層砂被破碎。地面自油套環空泵入沖砂液，沖砂液攜帶地層砂進入管柱內部，往上流至油管，最終返出地面。

1）砂鏟與換軌設計。砂鏟如圖2所示，設計為十字形，中間有通孔，下部設計為尖狀，便于插入地層砂。管柱下入至沖砂位置，砂鏟與地層砂接觸，繼續施加載荷，滑塊沿長軌道往下移動到軌道最下端。上提管柱，滑塊在彈簧彈力作用下進入短軌道，并進一步上移至短軌道最上部，同時，滑套內管帶動砂鏟旋轉，將地層砂松動。砂鏟和滑套結構如圖2、圖3所示。

圖2 砂鏟結構示意圖

圖3 滑套中長短軌設計示意圖

2）沖砂頭設計。如圖4所示，沖砂頭由沖砂腔管和噴嘴組成。沖砂腔管內部膨大形成液腔，沖砂腔管上設置水眼。噴嘴內徑為變徑設計，自外而內逐漸變小。

圖4 沖砂頭結構示意圖

根據伯努利方程：

式中：PA，PB分別為A和B處的壓力，MPa；AA，AB分別為A和B處的截面積，m2；vA，vB分別為A和B處的流速，m3/s；ρ為流體密度，g/m3；g為重力加速度,m/s2。

根據連續性方程得：vA=vB（AB/AA），同時由于AB＞AA知vB＞vA，所以PA＜PB，即沖砂過程中液腔內形成負壓。

沖砂液經油套環空泵入井內，經噴嘴進入液腔。液流攜帶地層砂由噴嘴進入液腔內部往上流動過程中，由于噴嘴內通徑變化使得液腔形成負壓，對水眼外部地層砂形成抽吸作用，側部地層砂被吸進砂腔。同時水眼直徑設計為外小內大，以減小液體過留阻力并防止堵塞。

2.1.3 油管試壓技術原理

試壓總成自上而下依次由外管、鋼球、球座、彈簧和頂桿等組成。

沖砂結束后，自油管內投入鋼球，鋼球落到球座上，如圖5所示。自地面向油管泵入清水，對油管進行試壓。試壓結束后下放管柱至井底，上提管柱時滑套換軌，頂桿向上頂起鋼球，油管內外連通、泄壓。

圖5 管柱試壓結束后結構示意圖

2.2 技術參數

油管沖砂、試壓一體化管柱主要參數見表1。

表1 工具主要參數

2.3 沖砂試壓操作步驟

第一步：沖砂試壓管柱上部連接油管，下入井內。

第二步：待管柱下到需沖砂部位，地面泵車向油套環空注入洗井液，反循環沖砂洗井過程中下放管柱至井底，下壓載荷1～2t后上提管柱，重復此操作直至返出液體無砂，沖砂結束。

第三步：地面更換管線，油管內投入鋼球，泵車連接油管，根據施工設計進行試壓；若不起壓，下壓管柱1～2t，上提管柱，繼續試壓操作。

第四步：試壓結束，下壓管柱1～2t，上提管柱，待管柱泄壓，將管柱起出地面。

3 現場應用

遼河油田杜813區塊開發層位是興隆臺油層，為高孔、高滲儲層，平均孔隙度為32.4%，平均滲透率為1664×10-3μm2。原油屬于超稠油，密度(20℃)平均為1.0098 g/cm3，采用蒸汽吞吐開發方式，生產過程中出砂嚴重、出砂量大，出砂粒度中值為0.224 mm。近年來，隨著蒸汽吞吐輪次增多，套損套壞現象增多，大量油井需要二次防砂，防砂方式為篩管防砂和管內礫石充填防砂。主要存在問題如下：

1）由于杜813區塊儲為高孔高滲疏松砂巖油藏，出砂嚴重，且蒸汽吞吐開發后期套損造成出砂量大，導致二次防砂過程中原有防砂管柱內地層砂堆積，沖砂困難。

2）二次防砂施工中防砂封隔器坐封壓力為18～22MPa，設計試壓壓力為22MPa，而由于區塊地理環境限制和濕地環保要求，泵車最高壓力限制在25 MPa，使得試壓剪切銷釘剪斷壓力在22～25MPa，設計要求精度高。

為此在杜813區塊二次防砂施工過程中，實施沖砂試壓一體化技術，2018年至今，該技術累計應用28井次，施工成功率100%，單井縮短作業占井時間8h，單井節約作業及車組費用1.2 萬元，無因沖砂、試壓環節導致防砂施工質量問題，累計節省直接作業和車組成本33萬元，取得良好經濟效益。

4 結論

1）沖砂試壓一體化技術是在常規沖砂、試壓基礎上發明的一種新工藝，通過一趟管柱實現沖砂和試壓兩個工序，節省了作業和車組費用，縮短了占井時間。

2）油管沖砂試壓一體化管柱可旋轉砂鏟和沖砂頭的設計保證了沖砂過程的高效，降低了因沖砂不干凈導致防砂管柱下入困難的風險。

3）油管沖砂試壓一體化管柱改變以往試壓工具需要剪切球座的方式，避免了剪切銷釘的設計風險以及因為球座打不掉造成的環境污染和施工困難。

4）該工具適合于Φ139.7 mm及以上規格、無縮徑套變的油井二次防砂作業。