江汉油区油井负压清砂技术探讨

2013-09-05陈金菊

江汉石油职工大学学报 2013年5期

陈金菊，程忱，龚兵

（1.中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北潜江433123；2.中国石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北潜江433123）

江汉油区经历四十多年的开发，地层压力逐年下降，低压油井出砂日趋严重，出砂导致泵漏、砂卡堵等维护作业井次攀升，甚至砂埋油层，严重影响油井正常生产。而目前广泛应用的常规水力冲砂技术在负压油井有很大不适应性，主要表现为：现场清砂液无返排、冲砂无进尺，漏失大量冲砂液导致生产排水期长，甚至污染储层，液量下降。目前，国内外冲砂工艺的发展趋势为：普通油管连续冲砂、连续油管、同心连续油管冲砂，综合考虑各个冲砂工艺的优缺点，冲砂成本和江汉油油区油藏的特点，在射流泵原理基础上，结合出砂油井结盐、结垢实际情况，设计水力搅砂和机械捣砂为一体的射流负压清砂工具，通过优化负压清砂管柱和现场施工参数，形成水力循环通道与生产层的隔绝，实现油井负压清砂的目的。

1 射流负压清砂器结构及原理

1.1 射流泵技术原理

射流泵是一种具有混合功能的流体输送机械，利用文丘里效应工作，其特点是本身没有运动部件，结构简单，且工作可靠，密封性好，适应在高压、高温、真空、水下和放射等特殊条件下工作。

射流泵基本结构如图1所示，主要由3部分组成：喷嘴、喉管和扩散管。

图1 射流泵基本结构示意图

其工作原理是利用动力泵将工作流体加压后，通过喷嘴高速喷出，在喷嘴处静压能部分转换为动能，液体流速增大，喷嘴周围形成真空，低速液体被吸入，两股液体在喉管中进行混合和能量交换，压力逐渐增加，工作液体速度减小，被吸液体速度变大，在喉管出口处速度趋于一致。混合液体通过扩散管时，随着管路截面面积的增大，速度逐渐降低，此时动能逐渐转化为压能，混合液体压力随之升高。

1.2 射流负压清砂器工作原理

射流负压清砂器由特制的射流泵和搅砂喷嘴组成，如图2所示。

图2 射流负压清砂器结构示意图

其工作原理由动力液经同心管外环空进入射流负压清砂器，一部分动力液高速向内管喷射，产生举升力与抽吸力，另一部分动力液经清砂器喷嘴，向外喷射搅起井筒污物，使其流化，流化后的固态颗粒、“死油”、砂等被进液孔吸入内管举升到地面。当举升喷嘴产生的举升力不能使含砂液举升到地面时，通过地面泵提供动力，使井下射流负压清砂器可有效增加举升高度，使返出液举升至地面。

2 油井射流负压清砂配套技术

2.1 射流负压清砂工艺原理

负压清砂工艺流程主要由井下管柱和地面设备组成，井下管柱由射流负压清砂器（负压发生器）、延长密封管、同心管、清砂封隔器、桥式分流器和油管组成。地面部分由冲砂弯头、进出液管线、供液泵车、循环罐等组成。其冲砂工艺流程如图3所示。

图3 射流负压清砂工艺流程

用清水作冲砂液，泵车泵入冲砂液经套管至清砂封隔器，经桥式分流器进入同心管环空后到达负压发生器器，其前端的喷嘴产生的射流冲击、粉碎砂堵，同时其后端喷嘴与喉管等造成低压区，将混砂液吸入并喷入同心管的内管举升至地面，在井口经冲砂弯头、软管排出，携砂液在循环罐沉降过滤后循环使用。

2.2 射流负压清砂配套工具

2.2.1 换向射流负压清砂器

针对江汉油区出砂油井结盐、结垢造成砂面板结的实际情况，设计集负压抽吸和水力搅砂、机械捣砂为一体的换向射流负压清砂工具，其工作原理为：前端的捣砂头接触砂面前建立循环，举升井筒内井液；当捣砂头与砂面接触后，清砂器上的弹簧压缩，射流举升通道关闭，停止举升井液；当管柱加压机械捣砂的同时，射流通道开启，冲砂液进入冲砂喷嘴射流喷出，粉碎板结砂面；当砂面冲散开，弹簧推动捣砂头下行，射流搅砂通道关闭，同时，射流举升通道开启，又开始射流携砂举升冲散的泥砂混合液。如此反复，可实现高效清除低压油井板结砂柱。其特征在于：

1）中心管上的冲洗堵塞进液孔和射流举升进液孔结构，使中心管轴向运动即可交替换向；

2）换向射流负压清砂器可反复实现冲洗和举升交替进行的工作方式，可提高冲洗堵塞的速度和举升效率；

3）导向头前端是齿形，中心喷嘴在齿尖后端，这种结构既可提高导向头冲击、冲洗堵塞物的能力，又能防止堵塞中心喷嘴。

2.2.2 延长密封管

延长密封管连接在射流负压清砂器上端，主要作用是调解同心内外管的长度差。其特征在于：

1）由普通油管加工而成，上、卸螺纹方便，密封可靠；

2）调节范围大，最大可调解1.8 m；

3）插管密封件安全可靠，有效防止插管提出或插入时，密封件脱落。

2.2.3 清砂封隔器

清砂封隔器采用皮碗结构，连接在同心管的上端，主要作用是阻止冲砂液进入油层，其特征在于：

1）封隔器可在密封状态下移动；

2）封隔器耐压30 MPa，耐温120℃。

2.2.4 桥式分流器

桥式分流器采用桥式机构，可以使冲砂液进入同心管的外环空，实现井下返液与入井液通道分开。

3 油井射流负压清砂参数优化

射流负压冲砂施工成功，需要确定合理的参数，包括管柱摩阻损失、根据地层压力建立射流负压能力、射流搅砂能力、携砂举升能力等技术参数。利用wellflo软件，负压射流冲砂过程的参数计算和优化，计算同心管柱流体摩租的大小，射流负压清砂器内部流体的动态数值模拟，确定施工排量、泵压及负压发生器的结构参数。通过wellflo软件输入相关技术参数对黄7斜－7井冲砂工具和施工参数进行计算及优选。

3.1 射流负压清砂器的特性参数

射流负压清砂器的特性参数包括压力比、流量比、泵效和气蚀临界流量比，图4为射流负压清砂器的特性参数随井口压力变化曲线。可以看出，流量比随着井口压力的增大而增大，与井口压力的对数成正比关系。压力比随着井口压力的增大而减小，与井口压力的对数反正比关系，泵效在井口压力低于7.0 MPa时随着井口压力的增大快速增大，当井口压力大于7.0 MPa时，泵效基本稳定在23.5% 左右。

图4 射流负压清砂器特性参数变化曲线

气蚀临界流量比随着井口压力的增大而减小，与井口压力的对数反正比关系。说明井口压力越大，越容易产生气蚀现象。当井口压力大于12.56 MPa时，射流负压清砂器的喉管将产生气蚀现象。

3.2 射流负压清砂参数优化

油层压力是冲砂参数计算的重要基础参数之一，现场实际的油层压力难以准确掌握。油层压力主要影响泵效、注入流体漏失百分比、搅砂流体线速度等冲砂参数。

通过wellflo软件模拟计算，优化黄7斜－7井冲砂工具尺寸和施工参数，冲砂优选参数结果见表1。为了避免气蚀并兼顾举升能力，喉管直径为10 mm，举升喷嘴直径采用6 mm。为了避免大量注入流体漏失进油层并兼顾搅砂流体的冲击能力，采用4型迷宫结构，把迷宫的级数由5级改为3级。采用4个4 mm的搅砂喷嘴。冲砂时油层压力按1.0 MPa计算。

冲砂参数预测结果见表2。