張艷鳴（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

一種新型不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置的分析與應(yīng)用

張艷鳴（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

隨著油田開采的不斷深入，油水井井下作業(yè)難度越來(lái)越大，井下作業(yè)事故呈逐年增加的趨勢(shì)。尤其是進(jìn)入油田開發(fā)后期，地層壓力降較大，注采不平衡的矛盾凸顯，工作液滲漏，導(dǎo)致沖砂作業(yè)失敗，不僅導(dǎo)致油層傷害，而且作業(yè)成本也不斷攀升。介紹了一種新型的不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置，通過(guò)和其他裝置的對(duì)比、效率分析以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了它的高效性，對(duì)油田生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義。

井下作業(yè)；不間斷循環(huán)；沖砂刮蠟裝置

沖砂是油水井作業(yè)施工常用的一項(xiàng)工序。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在沖砂過(guò)程中，每次換單根停泵前需要徹底循環(huán)沖洗20 min，人力、物力資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重；甚至在沉砂嚴(yán)重情況下導(dǎo)致卡鉆，無(wú)法繼續(xù)施工，為此研究不間斷循環(huán)沖砂技術(shù)，治理嚴(yán)重砂埋井。

1 井下作業(yè)沖砂技術(shù)現(xiàn)狀

油田開發(fā)后期，地層壓力較大，注采比較低，下大泵提液和注采失衡，導(dǎo)致油層較早出砂[1]。具體原因是地層壓力較小，引起漏砂，井筒內(nèi)的地層砂被限制在井筒內(nèi)。首先，油井開井后沖進(jìn)底層的散砂又重新回到井筒內(nèi)，在油井開井后有大量散砂流出，易造成泵砂卡和泵活塞的損壞，油井供液變差，甚至停止工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)縮短油井的免修期。其次，沖砂液滲漏到地層中，會(huì)損害油層。最后被沖起來(lái)的砂子可能會(huì)散落，容易造成砂卡，加大了沖砂管柱施工作業(yè)的難度。以下介紹幾種常用的井下作業(yè)沖砂技術(shù)[2]。

1.1 水力沖砂

水力沖砂法利用高速流動(dòng)的液體將井底的砂子沖散，同時(shí)利用循環(huán)上返的液流把散落的砂子帶回地面。水力沖砂技術(shù)包括油田凈化水循環(huán)沖砂、化學(xué)堵漏沖砂。

1）油田凈化水循環(huán)沖砂。主要用在地層能量較高，不漏砂或者輕微漏砂的油井中，應(yīng)用范圍占待清砂井的一半。該方法具有操作連續(xù)、技術(shù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在井下狀況復(fù)雜的油井中應(yīng)用效果明顯，需要注意的是該技術(shù)不能在漏失的地層中使用。

2）化學(xué)堵漏沖砂。高分子增黏材料是目前常用的化學(xué)堵漏材料，它由凍膠型暫時(shí)堵漏劑、屏蔽型暫蜻劑構(gòu)成，以聚合物交聯(lián)體系為主。高分子增黏材料具有以下功能：能夠利用固定顆粒暫時(shí)堵漏；利用自身黏度減少?zèng)_砂液的滲漏。屏蔽型暫蜻劑具有較強(qiáng)的流動(dòng)性及增堵建墻能力，可對(duì)較大裂縫的漏失層和空隙進(jìn)行快速有效的封堵?；瘜W(xué)堵漏沖砂技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，對(duì)于漏失層的油井較為適合，但作業(yè)成本高，成功率有待提高。

1.2 加裝小套管式?jīng)_砂

加裝小套管式?jīng)_砂技術(shù)連續(xù)沖砂工具的主體部分是在中間管柱內(nèi)向下移動(dòng)的，防止上提沖砂管柱時(shí)遇卡，設(shè)計(jì)的防卡接頭安裝在中間管柱的底部，而且連續(xù)沖砂工具的主體部分以下的沖砂管柱選用倒角油管。其工具結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便，提高了作業(yè)施工效率，與常規(guī)的沖砂作業(yè)相比，減少了井下作業(yè)事故，同時(shí)解決了大位移井和水平井的沖砂問(wèn)題。

缺點(diǎn)是所需套管要用專用大車?yán)\(yùn)，專用小套管變形后無(wú)法使用，技術(shù)套管間隙小，大顆粒無(wú)法沖出地面，密封點(diǎn)易損壞且無(wú)法檢測(cè)。

1.3 自封加閘板式?jīng)_砂

一種油水井不停泵連續(xù)沖砂裝置，主要解決現(xiàn)有沖砂裝置單一進(jìn)液、間斷開式循環(huán)的問(wèn)題。其特征在于：半封封井器上連接有可循環(huán)自封封井器，穿過(guò)半封封井器及可循環(huán)自封封井器的油管上連接有雙向單流閥。該油水井不停泵連續(xù)沖砂裝置具有雙向進(jìn)液及連續(xù)不間斷密閉循環(huán)的特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是每個(gè)單根需開關(guān)一次防噴器，且無(wú)法檢驗(yàn)雙向密封性。

1.4 連接式?jīng)_砂

由液流控制組合閥、帶軟管線的快速接頭及上接頭構(gòu)成，只需要在液流控制組合閥中安裝3個(gè)閥體即可。用上接頭、帶軟管線的快速接頭的接入和卸下分別來(lái)控制上流控制閥和側(cè)液控制閥的開與關(guān)，克服了原技術(shù)沖砂時(shí)在地面不斷接入排砂管線和接入沖砂管柱而停泵出現(xiàn)蹩泵和砂卡的現(xiàn)象。該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工安全，沖砂時(shí)間短，降低了作業(yè)成本，可廣泛用于各種規(guī)格套管的出砂井。

缺點(diǎn)是每一個(gè)單根需要裝拆專用循環(huán)連接密封工具，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

1.5 下探式?jīng)_砂

下探式?jīng)_砂技術(shù)是由一種伸縮式連續(xù)沖砂裝置完成的，伸縮管可以上下活動(dòng)，無(wú)須邊沖砂邊下管，沖砂時(shí)間大大縮短，勞動(dòng)強(qiáng)度得以減輕，且該裝置不需維修，能反復(fù)使用。

缺點(diǎn)是需要單獨(dú)制作一套小直徑管和密封配件，成本比較高，連接處密封性無(wú)法檢測(cè)，且無(wú)法對(duì)砂質(zhì)堅(jiān)硬處進(jìn)行沖砂，沖砂深度測(cè)定比較困難。

2 不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置

針對(duì)以上技術(shù)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置，該裝置可以減少用水量，縮短作業(yè)施工時(shí)間，減少卡鉆的事故，提高沖砂效率。

2.1 裝置的組成

不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置由地面三通控制閥組部分、雙向控制自封部件和入井控制閥部分組成。其中地面三通控制閥組由三通、油管循環(huán)控制閥、油管放空閥、自封循環(huán)控制閥、壓力表和水泥車接口組成（圖1）。

圖1 地面三通控制閥組

雙向控制自封部件由雙向自封殼體、2個(gè)鋼骨架硫化固定自封膠芯、自封頂蓋等組成（圖2）。

圖2 雙向控制自封部件

入井控制閥部分由自上而下為固定長(zhǎng)度的油管短接、單流閥、循環(huán)閥和油管單根組成（圖3）。

圖3 入井控制閥

2.2 工作原理

液流的循環(huán)路線：

◇正常沖砂時(shí)液流從地面三通—沖砂彎頭—油管單根—固定長(zhǎng)度短接—單流閥—循環(huán)閥—管柱—井底；

◇倒單根時(shí)液流從地面三通—雙向自封接頭雙向自封—循環(huán)閥—管柱—井底。

2.3 效率分析

由多重積分的意義可知，通過(guò)閉曲面S從時(shí)刻t到時(shí)刻t+Δt流入Ω的沖砂液質(zhì)量為

式中：cosα、cosβ、cosγ為S的外法向余弦。

由高斯定理可知：

從t時(shí)刻到t+Δt時(shí)刻Ω沖砂液減少量為

由于液體是不斷流動(dòng)的，沖砂液從t時(shí)刻到t+ Δt時(shí)刻流出S的質(zhì)量為

同理，由高斯定理可知：

閉曲面S內(nèi)從t時(shí)刻到t+Δt時(shí)刻沖砂液排放量為

從另一個(gè)角度看，由于濃度的變化引起Ω內(nèi)質(zhì)量的增加量為

由質(zhì)量守恒定理得

所以，沖砂裝置的4D數(shù)學(xué)模型即四維重金屬污染模型為

初始條件為

合并同類項(xiàng)，即

解此線性微分方程得

對(duì)上式左右兩邊同時(shí)進(jìn)行傅里葉變換得

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行沖砂時(shí)的數(shù)值模擬，假設(shè)條件如下：土壤表層空氣橫向流速ux=1.5 m/s，縱向流速uy=0.2 m/s，豎直方向的流速uz=2 m2/s，橫向擴(kuò)散系數(shù)Dx=50 m2/s，縱向擴(kuò)散系數(shù)Dy=5 m2/s，豎直方向的擴(kuò)散系數(shù)Dz=2 m2/s，地表平均深度H=20 m（提供地表深度是為了讓污染物的擴(kuò)散有邊界限制），土壤表層空氣流量q=300 m3/s，即可通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)繪出沖砂裝置的三維變化（圖4）。

圖4 計(jì)算機(jī)虛擬沖砂裝置三維變化

由圖4可知，隨著時(shí)間的推移，水平面（也包括其他切面）擴(kuò)散的速度在不斷減弱，達(dá)到一定的時(shí)間以后，其效率可以到達(dá)90%以上。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將該裝置在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行沖砂應(yīng)用，沖砂效果如圖5、圖6所示。

圖5 單次沖砂進(jìn)尺對(duì)比

圖6 累計(jì)沖砂進(jìn)尺對(duì)比

對(duì)效果分析后可知，單次沖砂效果提高2～3倍，目前具備連續(xù)沖砂100 m施工能力。增加循環(huán)閥組20件，最大連續(xù)沖砂距離由100 m可延至300 m，具備了水平井沖砂的能力。

通過(guò)制作小孔眼水泥車的入水口濾網(wǎng)（孔眼直徑由10 mm縮減到5 mm），滿足了循環(huán)水中雜質(zhì)的過(guò)篩能力，避免砂粒二次入井。同時(shí)對(duì)循環(huán)閥入口的銳邊進(jìn)行倒盾，將原來(lái)濾網(wǎng)式改為柵欄式過(guò)濾，增強(qiáng)了裝置的篩砂性。

4 結(jié)論

不間斷循環(huán)沖砂刮蠟裝置在實(shí)際應(yīng)用中具備了較強(qiáng)的適應(yīng)性，可減少卡鉆事故，縮短作業(yè)周期，提高沖砂效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。

[1]賈致芳．石油地質(zhì)學(xué)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1981：71-76.

[2]胡博仲．油水井大修工藝技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1998：10-15.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.12.010

2016-03-29

（編輯 李珊梅）

張艷鳴，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事采油工程與工藝的研究與試驗(yàn)工作，E-mail：zhangymgc@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163414。