油井除砂工艺方案及设施研究与应用

卞凯

摘要：油田开发进入后期，油井使用一段后会发生出砂现象，产液量越大，出砂越严重，油井定期冲砂是一件必不可少的工作。冲砂作业一般使用冲砂器，本文着重研究适应油田生产使用的除砂工艺方案和设施设计应用情况。

关键词：油井；出砂；除砂；工艺及设施

一、油井出砂的危害及表现

油井出砂的主要原因是油藏储层为疏松胶结砂岩。油井出砂的危害主要表现在三个方面：

（一）砂埋产层，造成油井减产或停产；

（二）高速的砂粒，造成地面及井下设备加剧磨蚀；

（三）出砂导致地层亏空并坍塌，造成套管损坏使油井报废等。

二、油井除砂作业的原理

冲砂作业一般使用冲砂器（多为鼻尖式），下放到井下积砂位置，然后逐步下方到施工要求的深度，在逐步下放过程中，用柱塞泵从连接冲砂器的管具内给冲砂器循环供水，把井下的泥沙冲起，泥沙随水沿着管具和套管的环空返回地面。

三、当前除砂作业存在的问题

如果返回地面的泥沙不能及时清理，就会形成一个不间断的循环，泥沙只会被稀释和分散，能最终到达地面的泥沙较少，冲砂作业的效果极不明显。

冲砂作业（早期）和正常生产井底液柱静压对比计算

冲砂作业时P井底=PH1+P管阻

正常生产时P井底=PH0

有流体力学中达西公式可知：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，根据经验，P管阻一般在4MPa以上，1MPa=1000m水柱，所以冲砂作业时井底压力比平时增大10倍以上，即使考虑到正常生产时地层的助力，冲砂作业时P井底也很有可能大于P油层，液体回注油层在所难免。

目前胜利油田大面积采用注水工艺，有些注水泵的表示压力也只有6MPa，从力学角度来讲冲砂时液体回流地层问题很严重。实际随着液体的快速回流，泥沙会迅速堵塞井底附近油层，迫使液体循环至地面。如果泥沙到达地面后不能有效分离，冲砂作业效果不理想，如增加冲砂时间，反渗入地层的泥沙就越多，严重时冲不出砂，或是冲而不绝：刚冲完砂，一下泵发现又有砂。

所以冲砂作业能否有效进行和泥沙在地面能否有效分离有很大关系。当然冲砂时还需合理设计冲砂装置和冲砂工艺以有效防止扬起的泥沙反渗入地层，本文重点关注泥沙在地面的有效分离。

四、综合除砂设施的研究

简单的沉降和拦截过滤不能解决问题，因为沉降需要很低的流速，较大空间，很长时间，在现场不方便提供这些条件。一定精度的拦截过滤的滤芯容污能力较低，需较大过滤面积，维护强度很大，如果油井含沙量很大且多泥沙，中间还需要维护，这样生产成本也很大。一般情况下油井泥沙都较多，不能采用一般的过滤方式。

单口井泥沙沉积量

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

从V砂数值来开，单一的拦截式过滤无法满足要求，且一般情况下井底沙量远大于以上的计算值。早在1998年我们和采油院合作开发过纯拦截式除砂器，有4个除砂灌组成，每个罐内安装16根φ72×1000的滤芯，过滤精度5μm，过滤效果很好，但成本很高，一口井需要跟换2次滤芯，共计192个，滤芯成本6.624万，大大超出采油厂的承受能力。后来滤芯国产化，各油田也大力推广，滤芯产量大幅提高，成本进一步下降，但维护成本任然达到1万，关键是劳动强度很大。

根据以上分析和以往经验，我们认为除砂器需要多级逐步过滤，应该把这套设备安装在车辆底盘上，做成除砂专用车，其泥沙分离原理如图1，除砂工艺流程如图2，各分部件模块化设计，可快速插装。

五、多级除砂设施的结构功能

（一）直排式滚动筛

直排式滚动筛能分离大部分的颗粒和油块，和一般筛网不同，滚动筛由于不停的转动，能很好的自清洁，防堵塞效果好，通过设计能自动的从一端排除杂物。设计2个直排式滚动筛，一个备用，通过开关自动切换。

分离的泥沙和油收集到一个储液罐内，这个储液罐底部加入压缩空气，通过气举的方式充分分离油和砂。

（二）稳流区

这个区域流动比较杂乱，只能分离较大的颗粒。隔板把稳流区和层流区1分离开，而且隔板的有孔部位在液面以下20cm，这样从新聚集的油可以滞留在稳流区。隔板孔分布均匀，大小和流量匹配，有利于分散水流，降低流速。上端设置自动刮油器，及时把浮油刮到储液罐内。

（1）层流1-11区

层流的目的就是通过分散水流，降低流速，降低水流的携砂能力，加大泥沙的沉积，不锈钢线性滤板采用错位分布，迫使水流产生低速回绕，进一步分离泥沙。此外线性滤板还能直接过滤空隙尺寸以上的颗粒，这种滤板强度高，好清理，不需跟換。同时这两个区域的线性过滤板都在水面以下，油能进一步分离。

（2）层流区Ⅲ

水流到达这一区域后，通过沉积作用无法分离水中细小的砂砾。沉降是分离的最有效方法。只要有流动，在有限区域内，细小的沙粒就很难沉降。为此在层流区Ⅲ的出口处设计一个丝网滤芯。这种滤芯是近几年才逐步使用，主要用于气液分离、含尘量大的流体过滤。这种滤芯的容尘能力很大，我们在处理煤矿瓦斯气时，单个滤芯（1000*1000*145）一次能容纳150Kg的灰尘，而且能清理。在这一区域底部加气举装置，分离细小油花。

（3）离心分离

离心分离分两级，一级在泵的入口处，采用多管旋流器，这是一个比较成熟的技术，在气体过滤中大量使用，分离效率可达95—98%，分离精度可达5μm。由于水的携带能力较大，效果会差一些，为此我们增加了液力高速离心机，它和一般的柴油机机油离心滤是一样的工作原理，差别是转速要低一些，设定为2000r/min。这两种滤芯过滤的优点是精度高，不需要跟换，维护方便，可对液体反复过滤。上端留有排油管，油通过管线回到储液罐内。

（4）细过滤

在这种结构中，细过滤主要针对细小的有机颗粒。过滤材质采用目前在煤矿污水处理中大量使用的一种新材料，它清理方便。过去我们一般使用不锈钢编织网、不锈钢烧结网、聚氨酯布或缠绕式滤芯，这些清理不方便，有些无法清理。总之，污水处理不能靠单一的分离原理，在有限的空间内，发挥多种过滤原理的长处，逐级分离是比较理想的。

参考文献

[1]商义敏.油气田系统除砂技术探讨.石油化工安全环境技术.2007年第23卷第4期.

（作者单位：胜利石油工程有限公司井下作业公司）