油井泵下防砂工具的优化设计

王 涛，王朝阳，王 鹏

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

石油开采依赖特种采油设备将其从地层深处举升至地面，目前所使用的举升设备包括有杆采油系统与无杆采油系统。油井的生产情况复杂多变，面临的问题层出不穷，油井的出砂问题与防砂手段如影随形，总有解决不完的出砂油井。生产商通过对设备的改进与优化，在个别含砂量的少的油井中起到一定效果，检泵周期有所延长，但是对于出砂量大、井液质量差、出液不连续的油井，采油设备同样面临出砂问题的困扰。防止砂粒进泵或少进泵，是防砂工艺研究和钻研的目的，也是延长检泵周期的重要一环。

1 油井生产防砂的必要性

石油开采过程中，砂粒进泵后，不仅使得采油液含砂量增大，而且也容易使设备因砂粒的存在造成卡泵，不仅影响油井采油的效率，同时会使修井作业费、设备更换费、人工维护成本增加。油井中砂的来源一般有两种，一种是地层出砂，原油在流出地层时本身携带一部分砂粒；另一种是由压裂砂引起的，砂粒的大小及含量主要取决于井液的含砂情况（图1）。

图1 压裂天然石英砂粒径规格及试验标准筛组合

2 防砂工具工作原理

本文介绍的防砂工具由堵头、精密防砂筛管、双皮碗封隔器、眼管组合而成，部件间采用油管专用螺纹连接，牢固可靠（图2）。双皮碗封隔器与套管形成过盈配合，封隔器以下封隔原始井液，封隔器以上为处理后含砂量少的洁净井液。

图2 防砂工具井下管柱组合

防砂原理为：井液的流通渠道为井底→精密防砂筛管（筛管底部用堵头密封）→双皮碗封隔器内部→打孔管流出→油套管环空空间→泵体→生产管线。

其中，精密防砂筛管由基管、支撑泄流层、过滤介质和外护管构成，经过筛管处理后井液变成洁净的液体，再通过井皮碗封隔器内部后由眼管释放出来，供液稳定，供采油设备平稳汲取。

3 部件的优化设计

3.1 精密防砂筛管

精密防砂筛管由基管全焊式绕丝筛管、过滤介质、支撑环组成，基管采用符合API（American Petroleum Institute，美国石油协会）标准的油管钻孔而成，全焊式绕丝筛管通过支撑环与基焊为一体（图3）。它应用特制梯形（楔形）丝绕组在呈圆周式排列的一组纵向支撑杆上焊制而成，可广泛应用于油、气、水井防砂。全焊式焊接保证了产品严格的连续整体性，从而使其形成理想的缝隙尺寸，具有管面光滑、无生产棱角、无毛刺、缝隙均匀不漏脂的特点。

图3 筛管实物

精密筛管自清洁的原理为：当储层随流体产出后，悬持在过滤介质中，而不会在筛管表面形成堵塞，使油气井在无压力损失的状态下生产。当砂粒在过滤介质中达到饱和后，后续的储层砂也会聚集在筛管表面，使筛管内外形成压差，压差推动过滤介质向内侧蠕动，从而破坏已经形成的堵塞，即“砂粒聚集—形成压差—过滤介质蠕动—破坏堵塞—压差减小—形成堵塞—建立新压差—过滤介质”的过程，堵塞层不断遭到破坏，同时再次蠕动—再次破坏阻塞。这个周期周而复始，过滤介质也在这个过程中保持自洁。

精密筛管的性能特点主要有3 个：

（1）梯形（楔形）丝的应用，使筛管跟筛板缝隙间形成V 形开口。该设计过滤精度面积更为精密比其他形式产品运作更高效，能起到更好的防砂作用（图4）。

图4 常见丝形

（2）更高的过滤精度。梯形（楔形）丝持续绕组在呈圆周式排列的支撑杆上形成持续的高密度均匀缝隙，保证了筛网的开口面积百分比和无堵塞性，避免沉淀物的高密度堆积造成的阻塞，从而为提高生产效率或延长水井的使用寿命提供保证。

（3）绕丝与所有纵向支撑杆之间均通过电焊连接组合，结实耐用，工作寿命周期更长久。

绕丝筛管挡砂精度为70～1000 μm，具体精度、整体长度及单段有效过滤长度可以根据用户要求来确定，相关技术参数如表1 所示。

表1 绕丝筛管技术参数mm

3.2 自封式皮碗封隔器

在投产过程中防砂，封隔器为采油设备在井筒内提供一个相对稳定的供液环境，增强泵的工作的稳定性，增长设备在井下的使用寿命。双皮碗封隔器是一种简单、实用、防砂效果好的完井投产封隔器，是在地层产能较低的生产井配合采油泵、筛管、防砂筛管等工具进行投产。本文提供的皮碗式封隔器是一种靠皮碗与套管的过盈量，以及井内压差密封油套环空的自封式封隔器（图5）。该自封式皮碗封隔器的规格型号为Z331-131，执行SY/T 5106—1998《油气田用封隔器通用技术条件》标准，相关技术参数见表2。

表2 自封式皮碗封隔器技术参数

图5 碗封隔器实物

3.3 眼管及堵头

4 现场应用

本文介绍的泵下防砂工具可提升采油设备对含砂井液的适应能力，具有以下优势（图6）：

图6 防砂工具管柱组合结构

（1）不必独立作业，随采油设备一起下入泵挂处，减少油井的投资。

（2）为采油设备在井筒内提供一个相对稳定的供液环境，增强设备的工作的稳定性，延长其使用寿命。

（3）可修复率高，重复利用率大，是一种成本低廉的防砂工具。

（4）可实现油管到套管反洗井的解堵功能，减少因砂卡设备而引起的问题，这也是与类似产品最大的不同。

5 结束语

防砂工具不仅适用于潜油电泵、螺杆泵、柱塞泵等无杆泵系统，在抽油机等机采设备中也均可使用。其适用于范围包含试油、采油、找水、酸化、防砂、洗井等工艺。

针对新投压裂井，因入地砂量的不同可以选择不同配比的精密筛管，达到防砂、滤砂的目的。目前已在长庆油田、新疆油田、中石化西北局、大港油田等国内油田的压裂新井施工近百井次，较好地解决了地层出砂的难题，大大延长检泵周期，修复性能强，可重复利用率高，得到各油田的认可。同时陆续应用在一些出砂量较大的老井，防止砂、杂质进泵的成效显著，检泵周期有所延长。其还可用于储层砂粒度中值d50（一个样品的累计质量分数50%对应的粒径）大于80 μm 的井中，在稠油、细粉砂和黏土含量高的井中使用时防砂效果更加明显。通过系列化的设计，该装置可以满足不同井况对防砂工具的要求，推广与应用市场广阔。