一种新型不间断循环冲砂刮蜡装置的分析与应用

2016-06-28张艳鸣大庆油田有限责任公司第二采油厂

石油石化节能 2016年12期

张艳鸣（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

张艳鸣（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

随着油田开采的不断深入，油水井井下作业难度越来越大，井下作业事故呈逐年增加的趋势。尤其是进入油田开发后期，地层压力降较大，注采不平衡的矛盾凸显，工作液渗漏，导致冲砂作业失败，不仅导致油层伤害，而且作业成本也不断攀升。介绍了一种新型的不间断循环冲砂刮蜡装置，通过和其他装置的对比、效率分析以及现场应用验证了它的高效性，对油田生产有着至关重要的意义。

井下作业；不间断循环；冲砂刮蜡装置

冲砂是油水井作业施工常用的一项工序。据统计，在冲砂过程中，每次换单根停泵前需要彻底循环冲洗20 min，人力、物力资源浪费较为严重；甚至在沉砂严重情况下导致卡钻，无法继续施工，为此研究不间断循环冲砂技术，治理严重砂埋井。

1 井下作业冲砂技术现状

油田开发后期，地层压力较大，注采比较低，下大泵提液和注采失衡，导致油层较早出砂[1]。具体原因是地层压力较小，引起漏砂，井筒内的地层砂被限制在井筒内。首先，油井开井后冲进底层的散砂又重新回到井筒内，在油井开井后有大量散砂流出，易造成泵砂卡和泵活塞的损坏，油井供液变差，甚至停止工作，严重时会缩短油井的免修期。其次，冲砂液渗漏到地层中，会损害油层。最后被冲起来的砂子可能会散落，容易造成砂卡，加大了冲砂管柱施工作业的难度。以下介绍几种常用的井下作业冲砂技术[2]。

1.1 水力冲砂

水力冲砂法利用高速流动的液体将井底的砂子冲散，同时利用循环上返的液流把散落的砂子带回地面。水力冲砂技术包括油田净化水循环冲砂、化学堵漏冲砂。

1）油田净化水循环冲砂。主要用在地层能量较高，不漏砂或者轻微漏砂的油井中，应用范围占待清砂井的一半。该方法具有操作连续、技术简单的优点，在井下状况复杂的油井中应用效果明显，需要注意的是该技术不能在漏失的地层中使用。

2）化学堵漏冲砂。高分子增黏材料是目前常用的化学堵漏材料，它由冻胶型暂时堵漏剂、屏蔽型暂蜻剂构成，以聚合物交联体系为主。高分子增黏材料具有以下功能：能够利用固定颗粒暂时堵漏；利用自身黏度减少冲砂液的渗漏。屏蔽型暂蜻剂具有较强的流动性及增堵建墙能力，可对较大裂缝的漏失层和空隙进行快速有效的封堵。化学堵漏冲砂技术工艺简单，对于漏失层的油井较为适合，但作业成本高，成功率有待提高。

1.2 加装小套管式冲砂

加装小套管式冲砂技术连续冲砂工具的主体部分是在中间管柱内向下移动的，防止上提冲砂管柱时遇卡，设计的防卡接头安装在中间管柱的底部，而且连续冲砂工具的主体部分以下的冲砂管柱选用倒角油管。其工具结构紧凑、操作简便，提高了作业施工效率，与常规的冲砂作业相比，减少了井下作业事故，同时解决了大位移井和水平井的冲砂问题。

缺点是所需套管要用专用大车拉运，专用小套管变形后无法使用，技术套管间隙小，大颗粒无法冲出地面，密封点易损坏且无法检测。

1.3 自封加闸板式冲砂

一种油水井不停泵连续冲砂装置，主要解决现有冲砂装置单一进液、间断开式循环的问题。其特征在于：半封封井器上连接有可循环自封封井器，穿过半封封井器及可循环自封封井器的油管上连接有双向单流阀。该油水井不停泵连续冲砂装置具有双向进液及连续不间断密闭循环的特点。其缺点是每个单根需开关一次防喷器，且无法检验双向密封性。

1.4 连接式冲砂

由液流控制组合阀、带软管线的快速接头及上接头构成，只需要在液流控制组合阀中安装3个阀体即可。用上接头、带软管线的快速接头的接入和卸下分别来控制上流控制阀和侧液控制阀的开与关，克服了原技术冲砂时在地面不断接入排砂管线和接入冲砂管柱而停泵出现蹩泵和砂卡的现象。该技术结构简单，施工安全，冲砂时间短，降低了作业成本，可广泛用于各种规格套管的出砂井。

缺点是每一个单根需要装拆专用循环连接密封工具，费时、费力。

1.5 下探式冲砂

下探式冲砂技术是由一种伸缩式连续冲砂装置完成的，伸缩管可以上下活动，无须边冲砂边下管，冲砂时间大大缩短，劳动强度得以减轻，且该装置不需维修，能反复使用。

缺点是需要单独制作一套小直径管和密封配件，成本比较高，连接处密封性无法检测，且无法对砂质坚硬处进行冲砂，冲砂深度测定比较困难。

2 不间断循环冲砂刮蜡装置

针对以上技术存在的问题，设计了一种新型不间断循环冲砂刮蜡装置，该装置可以减少用水量，缩短作业施工时间，减少卡钻的事故，提高冲砂效率。

2.1 装置的组成

不间断循环冲砂刮蜡装置由地面三通控制阀组部分、双向控制自封部件和入井控制阀部分组成。其中地面三通控制阀组由三通、油管循环控制阀、油管放空阀、自封循环控制阀、压力表和水泥车接口组成（图1）。

图1 地面三通控制阀组

双向控制自封部件由双向自封壳体、2个钢骨架硫化固定自封胶芯、自封顶盖等组成（图2）。

图2 双向控制自封部件

入井控制阀部分由自上而下为固定长度的油管短接、单流阀、循环阀和油管单根组成（图3）。

图3 入井控制阀

2.2 工作原理

液流的循环路线：

◇正常冲砂时液流从地面三通—冲砂弯头—油管单根—固定长度短接—单流阀—循环阀—管柱—井底；

◇倒单根时液流从地面三通—双向自封接头双向自封—循环阀—管柱—井底。

2.3 效率分析

由多重积分的意义可知，通过闭曲面S从时刻t到时刻t+Δt流入Ω的冲砂液质量为

式中：cosα、cosβ、cosγ为S的外法向余弦。

由高斯定理可知：

从t时刻到t+Δt时刻Ω冲砂液减少量为

由于液体是不断流动的，冲砂液从t时刻到t+ Δt时刻流出S的质量为

同理，由高斯定理可知：

闭曲面S内从t时刻到t+Δt时刻冲砂液排放量为

从另一个角度看，由于浓度的变化引起Ω内质量的增加量为

由质量守恒定理得

所以，冲砂装置的4D数学模型即四维重金属污染模型为

初始条件为

合并同类项，即

解此线性微分方程得

对上式左右两边同时进行傅里叶变换得

利用计算机进行冲砂时的数值模拟，假设条件如下：土壤表层空气横向流速ux=1.5 m/s，纵向流速uy=0.2 m/s，竖直方向的流速uz=2 m2/s，横向扩散系数Dx=50 m2/s，纵向扩散系数Dy=5 m2/s，竖直方向的扩散系数Dz=2 m2/s，地表平均深度H=20 m（提供地表深度是为了让污染物的扩散有边界限制），土壤表层空气流量q=300 m3/s，即可通过计算机虚拟技术绘出冲砂装置的三维变化（图4）。