江汉油区井筒负压清砂技术的应用

夏志刚，邓卫东，郑瑞波（中石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北 潜江433123）

江汉油区井筒负压清砂技术的应用

夏志刚，邓卫东，郑瑞波（中石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北 潜江433123）

江汉油区历经多年开采，受油井含水高、地层压降大等不利因素的影响，地层亏空、负压严重，油井普遍严重出砂。而常规水力冲砂技术往往造成入井液大量漏失进入地层，使冲砂液不能建立循环，同时还可能造成严重的地层伤害。低密度泡沫液冲砂技术的使用受到地层压力系数的限制，压力超低井冲砂成功率不高。鉴于此，江汉油区改进了水力喷射负压冲砂工艺技术，通过优选封隔器及优化设计同心双管结构等，实现了地层压力超低油井的有效清砂。同时，通过自主攻关研究机械负压捞砂工艺技术，设计了90mm小口径捞砂泵以及多种捞砂锥，在负压、水敏等出砂油井应用效果良好，有效克服了这类井的井筒清砂难题，同时取得了多项捞砂技术突破。

出砂；负压；水敏；负压冲砂；机械捞砂；江汉油田

截止到2011年12月底，江汉油区江汉采油厂油井工程开井991口，其中出砂井420口，约占开井数的42%，产量约占总产量的45%。出砂井主要分布在西区、王广、周矶、马36井区等30余个开发单元，出砂井开发层系主要集中在潜江组潜34、43油组，新沟嘴组下段1－3油组，在油藏埋深1450～3530m均有出砂现象。近年来，国内各油田根据自身地质特征，针对埋藏浅的疏松砂岩油藏主要形成了机械防砂、化学防砂、复合防砂、压裂防砂4大成熟的防砂体系。然而，江汉油区出砂储层埋藏深，属中低渗透、高矿化度油藏，化验分析发现，出砂粒径普遍在60μm以下，属细粉砂范畴。对于这种出砂状况，常规机械防砂防不住，化学固砂容易导致地层渗透率进一步下降，影响原油产量。同时，考虑到性价比、成功率等因素，复合防砂及压裂防砂在该区应用也存在局限性。

对近4年江汉采油厂维护作业井次统计发现，每年因出砂导致的油井维护作业井次平均占到了维护总井次的35%～40%。因此，江汉油区始终把油井防砂治砂作为工程技术研究与实施的重点工作之一来抓，形成了主要以泵抽生产管柱携排砂和井筒清砂为主的综合治理体系。

1 出砂油井概况及清砂技术应用情况

江汉油区历经数十年开采，目前地层亏空、负压严重，油井普遍出砂已成为生产技术管理中面临的最主要问题之一，采用常规水力冲砂极易造成油层污染，而低密度泡沫液冲砂技术因液柱压力调节范围有限，对地层压力超低的出砂井尚不能完全适应。

1.1 出砂油井概况

首先，对江汉油区8个典型的出砂区块油井测压数据进行统计，结果见表1。从表1中可以看出，除王广、黄场等区块压力系数仍保持在0.75以上，其他区块总体呈阶梯下降趋势。

随着地层压力下降，出砂井增多，超低压井的冲砂洗井难题将表现得愈加突出。

其次，新沟嘴组油藏普遍具有中等程度水敏特性，且地层出砂已成为生产井的主要特点（如表2所示）。如何在清洁井筒时做到不动水或者最大程度地减少地层漏失量，从而避免因储层粘土膨胀造成油井产量下降的问题始终是开发中的要务之一。

再者，目前江汉采油厂套管破漏油井有70余口，主要集中在北段块、黄场、钟市三段和四段等区块，虽然占开井数比例并不高，且部分井已采取了挤堵或机械卡漏措施，但随着周期延长、效果降低，漏点吐砂及冲洗漏失问题仍需重点解决。

表1 近4年8个典型出砂区块地层压力系数统计

1.2 常规活性水冲砂技术

目前，常规活性水冲砂仍是油田应用最为广泛的清砂技术，作为传统的清砂方式之一，它具有技术成熟、操作简单、单次冲砂量大等优点［1］。但是对于低压油井、套漏油井以及水敏油井却适应性较差，主要表现为冲砂无返排、漏失量大、无进尺以及冲进地层的砂粒短期返吐，结果导致油井排水期长、污染储层、产量下降甚至砂吐返工作业。统计表明，2009～2011年江汉采油厂油井采用常规活性水冲砂效果较差甚至失败超过100井次，对维护油井正常生产影响很大。

表2 新沟嘴组油藏出砂油井比例

1.3 低密度泡沫液冲砂技术

低密度泡沫液冲砂属于一种 “低压清砂技术”，这里之所以将其区别于 “负压技术”，是因为尽管泡沫液密度理论上可以降至0.2～0.35g/cm3，但实际冲砂时随着井深的增加，气体被压缩，泡沫干度下降，泡沫液密度会随之增大［2］。通过在4口冲砂油井管柱底部下电子压力计对泡沫液冲砂过程进行压力监测，发现江汉油区使用的泡沫液冲砂工艺在冲砂井段所能达到的泡沫液密度平均为0.55～0.6g/cm3，考虑到泡沫液的低滤失性、储层渗透率及射孔段长度等因素，目前江汉油区在压力系数低于0.35的出砂井上应用该工艺成功率并不高。

2 井筒负压清砂技术

地层产生漏失必须同时具备3个必要条件，一是地层存在能使入井液流动的漏失通道；二是地层存在能容纳一定入井液体积的空间；三是井筒与地层之间存在能使入井液在漏失通道中发生流动的正压差。综合考虑经济成本、工艺易操作性、成功率等因素，从改变上述第三点入手，“负压清砂技术”是解决负压油藏、水敏油藏以及套漏油井井筒清砂难题较为有效的方法，主要包括 “水力喷射负压冲砂”和 “机械负压捞砂”两种。

2.1 水力喷射负压冲砂技术

早在2000年初，已有油田尝试使用过水力喷射负压冲砂技术来对负压油井进行井筒清砂。但是，鉴于对工具结构要求的先进性及管柱水力计算的复杂性，当时成功率并不高，也没有得到大面积推广应用。2011年，江汉采油厂结合油区油井井深、井斜等特点，研究设计了全新的水力喷射负压冲砂管柱结构，取得了良好的现场应用效果。

1）工艺原理 根据流体伯努利方程（流体流过任意截面的总机械能不变，流动过程中各种机械能存在相互转化）和连续性方程（流体稳定流动过程中流速与管道截面积成反比），人们发现并总结出了“文丘里效应”（当流体通过管道的狭窄部分时，会导致该处流体速度增加，同时静压力降低）。根据这一原理，人们发明了水力射流泵及其采油技术［3］。而水力喷射负压冲砂工艺（图1）的核心设备，实质就是一台射流泵（如图2所示）。根据射流泵原理，高速射流产生负压抽汲力清理井筒堵塞物，通过自身水力循环通道达到冲砂液与井筒最大程度隔绝，实现油层保护，绿色清砂。作业时动力液经套管、皮碗封隔器上部桥式双通管进液孔进入同心管外环空到达负压发生器，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污孔，向外喷射搅起井筒污物，使其流化，流化后的固态颗粒、“死油”、砂等经进液孔吸入内管被举升到地面。

其管柱主要由4部分组成，由下而上依次为：负压发生器、同心双管、皮碗封隔器以及连接油管。而为了同时达到封隔油层和完全进尺的目的，只需要配置管柱时保证封隔器与射流泵距离，也就是同心双管长度大于油层上界至井底距离即可。

2）相关参数 水力喷射负压冲砂的成功实施需要合理的参数控制，包括摩阻损失、建负压能力、搅砂能力以及携砂能力。以建负压能力为例，如图2所示，当喷嘴截面Ab越小，其过流速度ub越大，喷口压力Pb也就越小；当该压力降至地层压力以下时，井筒及地层流体就会流向负压发生器内。因此，针对每一口施工井，均需要前期的测压数据并据此调整好射流泵的喷嘴大小。

图1 水力喷射负压冲砂工艺管柱图

图2 负压发生器工作原理图

但是，如此庞大的数据计算量采用人工计算势必效率低且误差大，因此还需要专业软件的支持。比如，利用有限元分析法对负压发生器内部流道进行分析，确定不同流量下的压力分布、速度分布情况等。当然，配套的射流清砂系统参数优化设计软件提供的也只是施工参考值，要想提高清砂成功率，优良的井下设备，细致的参数计算以及丰富的现场经验调整措施都是必需的。

3）应用效果 2011年，运用水力喷射负压冲砂工艺技术，共对4口负压井进行了5井次冲砂试验，其中成功4井次，进尺在23～87m之间；起到明显解堵增产效果3井次，累计增油约100t；失败1井次，水平井冲砂1井次，具体如表3所示。

表3 水力喷射负压冲砂技术应用情况统计

潭34斜－7－5B井是一口典型的负压出砂井，多次采用常规活性水冲砂均因无出口、无进尺而失败。作为第1口试验井，首次采用水力喷射负压冲砂，返排成功但无进尺，冲砂失败。分析原因主要有两点，一是历经多年，砂面板结厉害；二是负压发生器前端搅砂工具配置不当（为了在达到搅动沉砂的同时保护套管不被搅砂喷口的高速射流冲击损坏，喷口前端设置了一种迷宫式消能机构，由于对砂面板结程度没有预测，设置消能级数偏多，导致了射流搅砂冲刺力不够）。1个月后该井再次因砂吐作业，重上水力喷射负压冲砂，前期关闭旋塞阀，对板结砂面进行高压高速冲击，成功返排，进尺87m至人工井底，冲砂成功。

黄7斜－7井作业测得压力系数只有0.36，从冲砂返排量及进尺来看，效果很好。最终在清砂的同时产生了诱喷效应，开抽后较以往缩短排水期2d，生产参数相同情况下日均增油1t。

张平1井是一口水平井。由于水平井井底沉砂在数百米水平段内以砂床形式呈分散状态分布，是难以探得准确砂面的。所以本次采用水力喷射负压冲砂也为了缩短作业周期并未探砂面而是直接冲砂，而且为了解堵增产，增大了井底负压值，延长了冲砂时间，但由于储层原因，开抽后增产效果不明显。但是通过优选尼龙固定式管柱扶正器，本次清砂过程皮碗封隔器能够在68°井斜范围内安全起下，其技术研究价值大于实际冲砂增产效果。

明9斜－6－1井同样是一口典型的负压出砂井，测得压力系数低至0.23，负压冲砂成功返排，进尺43m，同样起到了油层解堵作用，冲砂前后比较，日均增油1t。

2.2 机械负压捞砂技术

机械负压捞砂虽然是一项工艺成熟、操作简单的传统清砂技术，但各油田实际应用效果往往因捞砂泵的结构性能与工艺方案的优劣而存在差距。鉴于江汉油区以往捞砂深度浅、成功率低的问题，2010年工程系统进行了捞砂工艺深入研究，在2011年的应用过程中取得了良好效果，并实现了多项技术突破。

1）工艺原理 根据理想气体状态方程（一定条件下，体积增大时，压强降低），人们发明了抽油泵，而捞砂泵就是根据抽油泵负压抽汲原理设计而成的，同样属于一种容积式泵。“捞砂压差”等于“油套环空沉没压力”与 “柱塞上行在捞砂泵筒内形成的真空度”之和减去 “存砂管中携砂流体液柱压力”与 “底阀及管壁压损”之和。机械负压捞砂按井筒传输工具的不同分为油管传输式捞砂和钢丝绳传输式捞砂两种，即硬捞砂和软捞砂。因软捞砂需要额外配备专用通井机及井口设备［4］，单次捞砂量较小，且使用受到井身轨迹的限制，所以目前包括江汉等国内各油田现场应用基本以硬捞砂为主。

图3所示为一种典型的硬捞砂管柱结构，由下而上依次为：捞砂锥、底阀、储砂管、挡砂管、捞砂泵以及动力传输油管。

捞砂作业的工作过程为：上冲程时，上提油管，柱塞上行，游动阀在液重和自重下关闭。底阀在柱塞上行的抽汲力作用下打开，通过抽汲形成的泵内与套管环空液柱的压差作用，使井内油水与砂粒混合进入储砂管内。下冲程时，下放管柱，柱塞下行，泵内液体顶开游动阀，通过上部循环孔循环回套管内，而砂粒等杂物则在储砂管里悬浮并慢慢沉降。如此反复上提下放捞砂管柱，使井筒沉砂逐渐进入储砂管中。同时，随着砂面的降低，捞砂锥也不断实现进尺，最终达到预定捞砂深度。捞砂结束后，起出捞砂泵，将井筒沉砂带出井筒。

可以看出，由于捞砂过程没有任何外来液进入井筒，不对储层产生丝毫污染，所以属于纯绿色清砂。而要想提高捞砂成功率，完善的捞砂工艺设计、性能优良的捞砂泵以及细致的捞砂现场施工三者缺一不可。

图3 阀球式捞砂泵结构示意图

2）相关参数 相对水力喷射负压冲砂技术而言，机械负压捞砂不需要复杂的水力计算，也不需要专用软件支持。但是仍然要掌握几个关键参数。比如，在捞砂方案设计上根据井筒沉砂量以及液面位置确定了存砂管长度后，还需要估算存砂管重量，因为这关系到直接下捞砂泵管柱，根据加压力度确定砂面位置时的准确度，尤其是对于松软砂面，捞砂管柱探砂面的过程是较为复杂的。对于砂泵结构，必须根据其有效冲程来确定吊卡冲程，从而视井口方入深度来决定是否需要配备油管短节。在捞砂过程中，也要时刻注意进尺速度和遇阻力度，以判断是否存在砂桥，这关系到捞砂的安全性以及实际砂柱高度。

3）应用效果 2011年江汉油区共计捞砂28井次，其中18井次实际捞获砂量达到井筒折算沉砂量的80%以上，5井次捞砂失败，同时取得了多项技术突破。

1）捞砂深度最大。王78－9井捞砂进尺12.7m，创造江汉油区单次最大捞深记录3219.7m。

2）捞砂量最大。马36－5－7井创造江汉油区单次最大捞砂量记录0.25m3（近80m的2in油管容积）。

3）捞砂井段斜度最大。王57斜－8井连续2次成功捞砂，捞砂井段最大井斜83°。

5）自主改进与设计新型捞砂泵。其主要特点包括泵体最大外径缩小至90mm，通过性能增强；捞砂锥底阀开启压损降至0，实现自动开启；柱塞改用硬密封，增强防砂卡性能，增大抽汲力，同时易于修复再利用。

6）逐步完善捞砂工艺规范。主要包括压裂井及时捞砂成功率较高；维护井既可以捞沉积砂也可以捞悬浮砂；低效井捞砂生产维护性价比较高；多种捞砂锥能够满足分井优选使用。

3 负压清砂工艺适应性比较

明显的，通过原理介绍可以看出，水力喷射负压冲砂和机械负压捞砂两种清砂工艺技术的应用均主要针对于低压、负压、水敏或套漏油井。但是从技术细节进行分析，根据两者各自的特性及优缺点，针对不同出砂井井况特征进行相关理论计算，并结合实际现场应用经验，可以发现总结出它们不同的适用范围。比如，由于前者井底负压值和射流量均可以通过水力计算、调整工具配置和地面设备控制参数实现可调可控，而后者捞砂泵的可靠运行则更主要地取决于静液面位置和井筒砂柱高度。所以，对于地层压力超低，液面位置很低甚至难以测得的出砂井，应用前者更加适应。而由于前者需要应用封隔器来隔绝储层与冲砂液，同时封隔器还需要以密封状态随同管柱实现同步进尺，所以，对于浅部位套缩套漏井则不适应；而捞砂则可以通过管柱设计计算以及使用小口径高强度管材来满足这类出砂井的清砂要求。另外，由于捞砂泵修复利用率高，地面不需要特种车辆配合，完全不动用入井液，而水力喷射负压冲砂设备需要及时更换易损的喷嘴及封隔器等，其清砂成本平均是捞砂的5～6倍。

这里，将2种工艺技术的主要特点及适用范围归纳如表4所示，以供选井及设计清砂方案时参考。

4 结论和认识

1）地层压力逐年降低、油层出砂日趋严重是江汉油区开发生产、油井维护过程中面临的主要问题之一，实践证明，“负压技术”是解决这类问题较为有效的方法之一，可以对整个江汉油区的储层保护以及产能建设起到积极作用。

2）水力喷射负压冲砂技术通过射流搅砂、负压强排手段能够较好地克服低压漏失井采用常规水力冲砂面临的技术不足，同时达到储层解堵的效果。

3）经过1年多的深化研究与现场实践，江汉油区自制捞砂泵技术及捞砂工艺取得了阶段性成果，已基本能够满足各类出砂井的捞砂需求，正表现出性价比最高、推广规模逐渐扩大的绿色清砂应用趋势。而对于因砂面硬度不可预知，捞砂锥无法捣碎硬质砂盖无法进尺导致捞砂失败的问题，江汉采油厂工程系统已设计完成新型可钻进式捞砂泵，年内准备下井试用。

表4 各种清砂工艺技术适应性比较

4）鉴于各种清砂技术具有各自不同的工艺适应性，工程技术人员要全面掌握出砂井的各项技术指标，包括储层敏感性、渗透率、地层压力、套损程度、井身轨迹，甚至是工具结构等，从而为清砂技术的选择和方案的制定提供可靠依据。

［1］宋彦武.连续冲砂工艺技术的开发与应用［J］.石油机械，2004，32（8）：40～42.

［2］张佩玉，潘国忠，刘建伟，等.低压油井泡沫冲砂新技术的研究与应用［J］.钻采工艺，2008，31（6）：82～84.

［3］万仁溥，罗英俊.采油技术手册（修订本）（第四分册）机械采油技术［M］.北京：石油工业出版社，2004.

［4］杜丙国.严重漏失井井筒清砂工艺的研究与应用［J］.钻采工艺，2007，30（2）：79～82.

Application of Well－bore Negative Pressure Sand Removal Technology in Jianghan Oilfield

XIAZhi-gang，DENG Wei－dong，ZHENG Rui－bo（First Author's Address：Jianghan Oil Production Plant，Jianghan Oilfield Company，SINOPEC，Qianjiang433123，Hubei，China）

Influenced by high water cut in oil wells and dropdown of formation pressure，the problems of strata deficit，serious negative pressure and severe sand production in oil wells were induced in Jianghan Oilfield after long－years of production.However，conventional hydraulic blasting technology made the injected liquid lost in the formation instead of circulation，and caused serious formation damage.In consideration of the problems stated above，the technique of hydraulic blasting and sand washing was improved in the oilfield，by optimizing the packer and optimized design of concentric and dual tubing structure，the technology of hydraulic jetting and negative pressure sand washing was implemented in Jianghan Oilfield.At the same time，sand pump of90mm small－caliber and a variety of bailing cone were designed through independent research on the mechanical negative pressure bailing technology and good effect was obtained in application.The result shows that good effect on sandy wells of negative pressure and water sensitivity are achieved for solving the problem of sand washing and breakthrough is made in bailing technology.

sand production；negative pressure；water sensitivity；negative pressure sand washing；mechanical bailing；Jianghan Oilfield

TE358.1

A

1000－9752（2012）06－0152－06

2012－02－13

夏志刚（1964－），男，1983年西南石油大学毕业，高级工程师，现主要从事油田开发技术管理工作。

［编辑］ 萧 雨