机械捞砂作业管柱设计数学模型及应用研究

潘先国

（中国石油长庆油田分公司坪北经理部，陕西 安塞717408）

坪北油田为典型的低压、低饱和度、低渗透油田，采油经济指标低，所有油井不经过压裂没有自然产能。油井经过一段时间的生产，地层返吐，在井筒内存在一定数量的压裂砂和地层砂。由于坪北地层水敏、地层负压亏空限制，洗井冲砂液进入地层易造成油层污染，使常规清砂方法在坪北受限。

油田现有的常规清砂方法主要是水力冲砂和机械捞砂。水力冲砂法具有一次冲砂量大、清洗井底干净的特点，但需要多种特种车辆配合，作业费用高，作业时间较长，当地层压力系数低时，冲砂液会大量漏进地层，污染油层；水力冲砂法不能应用于一些特殊作业，如测剩余油时，要求修井液不能漏进地层，否则，会影响测井数据的准确性。机械捞砂作业具有保护油层，减少油层伤害，降低施工成本，操作简单，施工风险低的优点，并能满足特殊作业的需要。

1 机械捞砂作业研究及应用现状

机械捞砂作业一直被广大科技人员及现场施工人员所重视，被广泛用于油气水井的清砂作业。国内许多油气田的科技人员都对机械捞砂作业进行过研究，并进行了直径、斜井，以及非常规油气井的现场试验应用。

早在1998年辽河石油勘探局技术人员就运用该技术年捞砂266井次，取得了较好的经济效益。2005年吉林油田科研人员开展了关于捞砂抽汲速度的室内试验，得出了不同粒径砂子在不同的抽汲速度下的自由沉降速度，进而找到现场捞砂作业不同粒径时动力管柱的上提下放速度。2005年至2011年中原油田和华东石油局的技术人员通过在煤层气井的直井和斜井中应用，验证了机械捞砂作业在非常规油气开发中的作用，解决了煤层气井冲砂作业困难的难题。2010年中国石油大学和安东石油科研人员研制出了水平井捞砂泵及配套工具，为大斜度及水平井的清砂提供了一种更加可靠的方式。2009年坪北油区的技术人员通过研究发现，坪北油区捞砂有效率仅仅为16.7%。捞砂成功率低的关键在于储砂管柱设计不合理，捞砂泵作业活动范围未避开大斜度井段等原因。从2011开始，坪北油田建立了机械捞砂管柱设计数学模型并逐步推广应用。

2 机械捞砂作业原理

机械捞砂是根据井筒液面情况和井筒砂柱情况，将尾管和抽砂泵组配完成。捞砂泵由底阀、活门开关、活塞杆、软活塞、硬活塞、单流阀、捞砂悬绳器等组成。机械捞砂作业管柱示意图（见图1）。

图1 机械捞砂作业管柱

机械捞砂作业原理:上冲程时，上下活动管柱（钢丝绳），管柱（钢丝绳）带动活塞杆、软活塞和硬活塞上行，上部单流阀关闭，泵腔容积增大，下部底阀活门打开，捞砂泵内形成真空，捞砂泵内与环空形成一个压差（该压差等于底阀的沉没度形成的压差和泵内真空之和减去储砂油管内携砂液形成的压差），井内液体靠此压差携带砂子高速进入储砂油管，储砂油管随井内砂面的降低而下降。当储砂油管中砂子和井液上行时，砂子和液体靠重力分离，液体在上，砂子在下。下冲程时，下部底阀活门关闭，泵腔容积减小，压力增大，上部单流阀打开，携砂流体经初步沉降后液体被转移到柱塞上部，当液面达到排液短节的循环口时，携砂流体中液体通过循环孔和单流阀返回油套环形空间，而砂粒不能回到油套环形空间。

从机械捞砂作业原理可以看出，机械捞砂过程没有任何外来液进入井筒，不对地层产生丝毫污染，属于纯绿色清砂。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。

3 机械捞砂管柱设计数学模型

3.1 油套容积系数的引入

捞砂作业管柱示意图（见图2）。相同质量的颗粒，在油管内的堆积体积与套管内的容积体积的比值称为油套容积系数。理论上这个系数与颗粒的粒径、分选型及油套管的内径有关。

式中:K－油套容积系数；V油容－质量为m的颗粒在油管内所占容积，m3；ρ油堆－质量为m的颗粒在油管内的堆积密度，kg／m3；V套容－质量为 m的颗粒在套管内的容积，m3；ρ套堆－质量为m的颗粒在套管内的堆积密度，kg／m3。

图2 捞砂作业管柱示意

在捞砂作业中，当K＜1时，套管内的砂柱为砂桥或者捞砂过程中形成了砂洞，这也是是否需要再下一趟捞砂作业管柱的依据之一。

3.2 捞砂管柱设计数学模型

经过4年的摸索、试验和应用，总结出管柱设计的关键是储砂管的设计。实践表明，在满足管柱（钢丝绳）抗拉强度（储砂管柱长度不超过允许最大长度）的条件下捞砂时，储砂管满足以下条件:

1）单趟捞砂作业储砂管长度必须满足以下公式:

式中:L－储砂管长度，m；H－为井筒内动液面或井斜超过30°的井段底界与砂面之间的距离，m；L1－捞砂泵拉出活塞杆时的长度，m；D－套管内径，mm；d－储砂管内径，mm；h－井底沉砂厚度，m；K－油套容积系数，无量纲，当套管内径为124.3mm，储砂管的内径为62mm时，现场统计数据为1.06～1.2，建议现场取较大值1.2；L安－捞砂泵防卡安全距离，m。

2）当液面和井斜不能满足一趟捞完井底沉砂时，可进行多趟作业，每趟捞砂进尺应满足以下条件:

能清理完井底沉砂的条件是:

储砂管柱长度设计应满足以下条件:

在实际工作中，当捞砂作业需要进行多趟操作时，就运用以上两组模型，根据每次捞砂进尺及出砂量进行管柱设计和捞砂操作。当k＜1时，要按照实际出砂量计算下一趟捞砂作业管柱数据及捞砂进尺。

3）最大井斜超过30°时，捞砂泵在工作状态下的活动范围应在小于30°的井段；管柱设计，单趟作业时应符合式1，多趟作业时应符合式2，3。

4 机械捞砂作业操作及注意事项

现场应用表明，捞砂泵捞砂工艺可以满足低产、低压、地层亏空井清砂需要。在应用过程中，需要注意以下事项:

1）捞砂作业前应处理井筒，确保捞砂工具能在井内顺利起下。

2）以动力管柱（钢丝绳 ）抗拉强度为前提条件，按照公式1，2，3科学设计捞砂作业管柱以及捞砂作业的次数。

3）捞砂泵必须在井筒静液面以下工作。随着捞砂泵沉没度增大，其形成的压差增大，携砂能力增强，捞砂效果越好。但随着储砂管储砂量的增多，其储砂管的携砂液形成的压差在增大，携砂能力和捞砂效果也随之降低。若捞砂泵沉没度太小，其携砂能力可以降至零，使捞砂失败。

4）储砂油管长度要适当。储砂油管受井筒液面的限制，长度要适当。储砂油管太长，储砂量大，携砂能力降低，捞砂效率低，也增加管柱负荷；储砂油管太短，携砂能力强，捞砂效率好，但储砂容量不够，易使砂子进入泵筒，造成泵筒和活塞损坏。一般储砂管长度根据本井的情况，以不超过200m为宜。

5）进行捞砂作业时，捞砂操作要求平稳、匀速，同时注意负荷变化，尽量不要使底阀离开砂面过多，使底阀底部一直接触砂面为最佳。为避免在捞砂过程中形成砂洞，一旦开始捞砂，就要连续进行，不要让捞砂筒在井底停留时间过长。捞至预定位置后，应及时上提管柱至原砂面以上50m，以防止在大直径套管内形成砂洞，砂壁坍塌后砂卡管柱。

6）绳索捞砂时，下放速度不能过快，以防钢丝绳在井下打扭。每提捞2－3次之后，必须检查一次绳帽、拉杆、活塞有否松动和损坏现象，防止发生掉落事故。

5 现场应用效果分析

捞砂前应对捞砂施工进行精心设计:在起原井管柱时，要记录油管外液面，并与查询的日常生产动液面进行对比，同时查询全井井斜数据；根据具体情况，依据式1，2，3科学设计捞砂管柱及捞砂趟数。

5.1 单井应用实例

P76－114为SP199井区油井，2012年5月为落实剩余油情况，需进行PNN测试至人工井底，该井基本数据情况如下:人工井底为1 466.57m，套管规格为139.7mm×7.72mm×1 451.92m，最大井斜为1 175m×32.05°，动液面948m，实探砂面为1 405.66m，油管为 Φ73.02 mm×5.51mm。

已知:k＝1.2，D＝124.26mm，d＝62mm，h＝40.91m，L1＝8.5m，L安＝50m。若一次捞完井底沉砂尾管长度:

若一次捞完，则捞砂泵的活动范围在:1141.01m～1184.92m。查井斜数据发现，井斜在大于30°井段为950m～1250m。在综合考虑沉没度与井斜的条件下，捞砂泵必须下至1 250m以下。

则:H＝1405.66－1250＝155.66m

则两趟捞砂就可以完成清砂作业，每趟储砂管最大长度:

则P76－114进行了两次捞砂作业，第一趟下入储砂管144.30m（15根 ），第二趟下入储砂管162.83m（17根），清除了井底沉砂。

5.2 综合应用情况

2011－2014年，通过对11口油井的沉砂量、井斜、动液面科学设计，合理安排机械捞砂作业的次数、储砂管长度，取得了较好的施工效果（见表1）。

从表1中可以看出，在参加捞砂作业的11口井中除了P69－119井在起出时发现活塞卡在捞砂泵里外，其余10口井全部达到施工目的。其最大捞砂进尺为35.05 m，最大捞砂量为448.93L，施工有效率为100%。

效果分析:

1）对于斜度小的井，在井况较好的情况下，沉砂会捞得很干净，而且施工周期较短。

2）在捞砂过程中，如遇到有落物、套变井，普遍捞砂效果不好。

3）遇到待捞砂面坚硬，笔尖无法冲破的井，会造成捞砂失败。

4）捞砂井段不宜超过30m。超过30m，捞砂时间过长，砂浆液通过捞砂泵上的泄液孔返至油、套环形空间，有时会卡管柱，也会有砂堵油管、卡活塞等情况，影响施工进度。

5）抽砂泵每使用1次，检测1次。抽子胶皮每5口井更换1次，胶皮质量好坏是捞砂泵抽砂的关键。

表1 坪北油田机械捞砂作业情况统计表

6 结论与建议

1）捞砂管柱必须根据施工井的沉砂量、井斜和动液面科学设计，才能收到较好的捞砂效果与经济效益。

2）与传统的冲砂作业方法相比，机械捞砂具有工艺结构简单，使用维护方便的优点。机械捞砂作业能有效地保护油层，减少油层伤害，适用于有特殊油层保护要求施工的井。

3）油管（钻杆）传输捞砂作业的效率较低，建议引进用钢丝绳传输捞砂作业的技术和设备，提高机械捞砂作业效率。

4）目前机械捞砂作业尚不具备行业操作标准，建议下一步积极进行室内实验及现场应用，逐步完善捞砂工艺规范。

［1］陈强，常峰.抽砂泵的应用及其抽砂效果分析［J］.钻采工艺，2006（05）:76－78.

［2］孙爱军，张怀俊，等.捞砂泵抽汲速度的试验研究［J］.石油机械，2006，34（02）:52－53.

［3］杨汉军，谢永全，等.坪北油田2009年捞砂施工工艺的分析与改进［J］.江汉石油职工大学学报，2010，23（04）:33－35.