（石油与天然气工程专业论文）气举反循环冲砂技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师：韩成才( 签名) 王益山( 签名) 摘要 随着油田开采时间的推移，地层能量下降，出砂越来越严重，砂粒随液流进入井底， 形成砂埋或砂堵，淹没油层，增加油流阻力，降低产量，严重者将油井堵死，使油井停 产，甚至造成油井的报废。井底砂埋已成为各油田原油上产的主要屏障。 本文通过大量的调研、分析和论证，给出了油气井出砂的危害，总结出了现有油气 井捞砂和冲砂的技术现状及其存在的问题，指明了处理油气井砂埋难题的必要性和技术 发展方向，重点建立了气举反循环冲砂技术理论，并进行了应用试验研究，同时完成了 气举反循环冲砂技术工艺设计、理论研究及设计计算、工具研制及配套，制定出了详实 的气举反循环冲砂施工工艺程序，并得出了部分条件下气举反循环冲砂技术参数设计数 据和结论，研制完成了两套工具样机的试制和气举反循环冲砂工艺性试验。 该技术的成功应用，实现了抽砂能力强和井底负压冲砂新技术，有效地解决了常规 冲砂作业无法施工的技术难题，对提高低压、易漏油气井产量具有重大意义。 关键词：油气井气举反循环冲砂洗井 论文类型：应用研究 毵 英文摘要 s u b j e c t ： a i r l i f tc o u n t e r f l u s hs a n d w a s ht e c h n o l o g i c a lr e s e a r c h s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h 。uj u n n n ( 。i g n a t u n ) 主三速坐纽 i n s t r u c t o r ：h a nc h e n g c a i ( s i g n a t u r e ) w a n gy i s h a n ( s i g n a t u r e ) j 4 纽蟛 a b s t r a c t w i t l lt h ep r o d u c t i o nt i m eo fo i l f i e l db e c o m i n gl o n ga n dl o n g p r o d u c i n ge n e r g yi s g r a d u a l l yd e s c e n d i n ga n ds a n d i n gu pi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e t h es a n dg r a i nf l o wi n t o w e l lb o t t o mw i t i lt h el i q u i dt of o r m s a n db u r y i n go rs a n do u t , f l o o do i ll a y e r , i n c r e a s e r e s i s t a n c eo fo i lf l o w , d e c r e a s ew e l ly i e l d ，s e r i o u s l yw i l lb l a n ko f fo i lw e l lt oc a u s eo i lw e l l s t o pp r o d u c t i o n , e v e nt ot h ee x t e n tt h a tc a u s eo i lw e l li sa b a n d o n e d s a n db u r y i n go fw e l l b o t t o mi sb e c o m et h em a i nb a r r i e ro f p e t r o l e u mi n c r e a s ep r o d u c t i o n 删sp a p e r , f i r s t l yb yf l o o do fi n v e s t i g a t i o n ，a n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o n ，g i v e sd a m a g eo f s a n d i n gu p ，s u m m a r i z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n di t se x i s t e n tq u e s t i o no fo i l w e l lb a i l i n ga n d s a n d w a s ht e c h n i q u e ，d e s i g n a t e st h en e c e s s i t ya n dt e c h n i q u ed e v e l o p i n gt r e n dt od i s p o s es a n d b u r y i n gp r o b l e mo fo i l w e l l ，a n dd e t a i l e dd e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t ya n ds e n s eo fd e v e l o p i n g a i r l i f te o u n t e r f l u s hs a n d w a s ht e c h n o l o g i c a lr e s e a r c h s e c o n d l y , o nt h eb a s eo ft e c h n o l o g i c a l t h e o r ya n df i e l dp r a c t i c eo fa i r l i f tc o u n t e r f l u s hd r i l l i n g ，c o n s t i t u t e sr e s e a r c ht h i n k i n ga n d o b j e c to fr e s e a r c h i n ga i r l i f tc o u n t e r f l u s hs a n d w a s h , c o m p l e t e si t st e c h n o l o g i c a ld e s i g n ，t h e o r y r e s e a r c ha n dd e s i g nc a l c u l a t i o n ，t o o l sm a n u f a c t u r e ，f i e l dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n dt e c h n o l o g y s i m u l a t ee x p e r i m e n t 1 1 1 es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fa i r l i f tc o u n t e r f l u s hs a n d w a s ht e c h n i q u e r e a l i z e st h en e w t e c h n i q u eo fs t r o n g l yt a k e - o u ts a n da b i l i t ya n dd o w n h o l eu n d e r b a l a n c e ，a v a i l a b l yr e s o l v e st h e n o r m a ls a n d w a s ht e c h n i q u ec a n tp r o c e e d ，w h i c hh a st h eg r e a ts i g n i f i c a n c et oi n c r e a s e1 0 w p r e s s u r e e a s i l yl e a ko i lw e l ly i e l d k e yw o r d s ：w e l l a i r l i f tc o u n t e r f l u s hs a n d w a s h c l e a n - u p t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y l j j 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：一层靴日期：竺卑12 i 翌 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 燃 铉砌一 月期：巡! f l ! 幽 日期：! 1 2 ：! ! f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 在石油开采中，随着油田开采时间的推移，地层能量下降，出砂越来越严重，砂粒随 液流进入井底。其中一部分砂子沉积井内形成砂埋或砂堵，砂堵严重者井内的砂柱高度 可达百米以上，淹没油层。增加油流阻力，轻则降低产量，重则使油井停产，严重则造 成油井报废；另一部分砂子被油流携带上升出井筒，在上升过程中摩擦设备，卡住深井 泵活塞、凡尔等井下采油设备。对此，随着疏松砂岩油田开发的不断深入，稠油粉细砂 岩、高含水、特高含水以及地层出泥糊糊等油井逐年增多，防砂难度越来越大。捞砂 技术则费时费力，效果也不明显，目前恢复和维持出砂井生产的常用方法是水力冲砂。 在常规冲砂过程中，由于冲砂液流压力大于油层压力或地层漏失，使大量的冲砂渡漏入 油层，甚至部分积砂重返油层，对油层造成损害，作业无法施工“。采用气举反循环冲 砂技术可以解决这些问题。 气举反循环冲砂技术是利用作者专门设计的一种特殊设备，在向油管内注冲砂液冲 砂的同时，注入气体降低液柱压力，使环空液柱压力低于油层压力，形成并底低压，使 沉砂在油管与油、套管环形空间液柱压差的作用下由冲砂液携至地面，从而保护油层， 冲砂结束即可采油作业。气举反循环冲砂技术的研究应用，可为解决砂堵问题和低压易 漏油气井冲砂提供一种能保护油气藏的高效冲砂方法，对加快勘探开发步伐、提高油气 井开发综合经济效益和社会效益具有极其重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 气举反循环冲砂技术是把气举反循环钻井技术原理和实践，应用到解决低压油气井 砂堵、砂埋等难题的一项技术。 利用压缩空气举升作用开展的钻井技术在地矿系统水井、水文地质钻孔以及大口径 工程施工孔的钻探中应用较广，采用这种方法达到的最大孔深是2 4 7 0 8 8 米，最大孔径 是3 2 米。气体举升钻井技术正逐步推广应用于地燕深井，北京市丰台区施工的一口 地热井，设计井深2 4 7 0 米，钻至2 3 9 0 米时，由于井漏无法继续钻进而改为气举反循环 钻井，反循环钻井8 0 8 8 米。实际成井深度为2 4 7 0 8 8 米，成功钻达了目的层位”“。 国外在空气反循环钻井方面也已开展研究，加拿大卡加立的k 2 能源公司已在美国北 蒙大拿州b l a c k f e e t 印第安人保留地的b o , i s l a n d 地层，应用空气反循环中心排渣钻 井技术( r c c d ) 成功钻成天然气试验井，该地层属低压地层( 估计地层压力为1 5 0 p s i ) 。 两口对比实验井分别钻于用泥浆钻成而没有油气显示的井旁，在没有增产措施的情况下， 采用2 ”油管抽吸，日产天然气分别为1 5 5 万立方英尺和9 7 万立方英尺。 气举反循环冲砂技术，国内外还没有相关的技术研究。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 课题来源及技术背景 本课题是华北石油管理局2 0 0 5 年重点科研攻关项目“低压油井冲砂工艺及工具研 究”( 项目编号：0 5 1 1 0 6 k ) 的一部分研究内容。 华北石油管理局钻井工艺研究院已开展气举反循环钻井技术研究多年，进行了气举 反循环钻井技术的先导试验和现场应用，形成了气举反循环钻井的基本理论，积累了一 定的现场经验，有了较好的软硬件试验条件。华北油田普遍存在低压采油的现状，由于 地层压力低，采油过程中的油层出砂堆积井底，造成油层的砂埋，而目前又没有好的冲 砂手段，已经造成了部分油井的停产”1 。井底砂埋已成为华北油田原油上产的主要屏障， 可为气举反循环冲砂技术提供试验井位和工程依托。 1 4 油气井出砂现状 油、气井出砂是国内外各油田普遍存在的一个自然现象，尤其疏松砂岩油藏开发的 突出困难就是油井出砂。从油、气井完井开始到采油、注水或修井过程中，每一步施工 作业对地层都有影响，都有可能引起地层出砂，其中有些因素可以避免，有些则无法避 免。因此，分析油气井出砂原因，掌握油气井出砂规律并适时采取有效的措施，控制油 气并不出砂或砂面摹本保持稳定。或者一旦沉砂严重，采用合适的除砂工艺技术，以减 少冲砂、检泵及大修作业，是油田开发过程中必须解决的一个至关重要的问题。1 。 油、气井出砂是石油开采中遇到的重要不利因素之一，其危害主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) 油气井产量下降甚至停产 油气井出砂极易造成油气层砂埋、油管砂堵、地面管汇和储油罐积砂，导致生产井 停产，必需起出油管清除砂堵、冲洗砂埋油气层、清理地面管汇和储油罐。其工作量大， 条件艰苦，既费时又耗资，问题还没有晟终解决。恢复生产不久，又必须重新作业，周 而复始，生产周期越来越短，使油、气田产量大减。有的油、气田被迫在一定条件下采 取控制生产的办法来抑制地层出砂，这势必要减少油气井产量。 ( 2 ) 地面和井下设备磨损 由于油气井产出流体中含有地层砂，而地层砂的主要成分是石英( 即二氧化硅) ，硬 度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂。砂子从地层产出后，一部分较小的颗粒随产出液 一起进入地面流程，造成地面运输设备磨损；还有一部分较大的颗粒沉积在井底，造成 泵筒与活塞拉伤、凡尔球和凡尔座点蚀及其它并下设备磨损，导致泵效率降低、油气井 停产，必须维修、更换设备，成本上升。 ( 3 ) 套管损坏，油气井报废 油层出砂导致套管损坏主要有两个方面的原因：一是长期出砂对射孔炮眼产生摩擦 作用，使炮眼孔径变大，套管壁厚变薄，抗压强度降低，导致套管损坏；二是最严重的 第一章绪论 情况，随着地层出砂量的不断增加，套管外的地层空穴越来越大，到一定程度，往往会 导致突发性地层坍塌，使地层与套管接触面的保护作用消弱，造成套管损坏，严重时可 导致油气井报废。 ( 4 ) 修井工作量增加 为保障出砂油气井正常生产，每隔一段时间就需要进行一次冲砂或检泵作业，有时 还需进行解卡打捞、修井、侧钻等大修作业，造成油气田开采成本上升。 1 5 防砂技术现状 油气井出砂不仅会磨损井下和地面设备，而且常常砂埋油层，降低产量。严重时使 油、气井报废。因此，研究和开发油、气井防砂工艺是开发疏松砂岩油、气藏的重要措 施之一。为防止地层出砂，首先应根据地层条件与开采工艺要求，选择正确的完井方法， 并制定合理的油气井工作制度。其次应结合油气井具体情况，选择正确的防砂方法并确 定防砂工艺措施”“。 目前，国内大部分油气井采用射孔完井，防砂技术主要分为机械、化学和复合防砂 工艺三大类“1 。化学防砂在2 0 世纪6 0 年代开始研究应用，并开发研制了酚醛树脂溶 液、地下合成、水带干灰砂等多种工艺。2 0 世纪7 0 年代开始了机械防砂研究，首先研 究了环氧树脂滤砂管并广泛应用于现场，取得了良好的防砂效果。2 0 世纪8 0 年代，在 对国外先进的防砂工艺引进、吸收、消化的基础上，研究发展了以金属绕丝筛管砾石填 充为主导的机械防砂工艺技术。由于该工艺防砂成功率高、适应性强、有效期长，得到 迅速发展。2 0 世纪9 0 年代初，针对油、气并开发后期，地层亏空大，防砂难度大等待 点，又配套开发了化学和机械复合的防砂工艺技术，并投入现场应用，取得了较好的防 砂效果。 尽管在油气井开采中，为了解决砂埋、砂堵的技术难题，各个油田和相关公司相继 开发出了多种防砂技术工艺，但随着各油田开发逐渐进入中后期，油气井出砂越来越严 重，造成无论多么先进的防砂工艺，也很难达到始终有效的理想效果“”“”“”“，因此， 研究有效的清砂技术及其工艺成为解决油气井出砂难题的发展方向。 1 6 清砂技术及其工艺现状 油井出砂后，如果井内的液流不能将出砂全部带至地面，井内砂子逐渐沉积，砂柱 增高，堵塞出油通道，增加流动阻力，使油井减产甚至停产，同时损坏井下设备造成井 下砂卡事故。尽管在油气并开采的初期就采用了各种防砂工艺，但现场应用中很难达到 理想效果。因此，必须采取有效措施清除积砂，目前常用的清砂工艺主要是机械捞砂和 水力冲砂。 l 。6 1 机械捞砂 机械捞砂技术主要使用于出砂不严重，积砂较少的油气井，对于这种情况，采用机 西安石油大学硕士学位论文 械捞砂技术省工省时，作业简单，费用低“”。机械捞砂主要分为以下几种类型： ( i ) 捞砂泵捞砂 捞砂泵一般有泵筒、柱塞、游动凡尔球，上、下固定凡尔球、滤砂外管、滤砂内管、 油管、变径接头组成。柱塞下部装有游动凡尔球，置于泵筒上方，并随抽油杆柱在泵筒 内上下往复运动；泵筒下方通过变径接头与油管相接，变径接头内侧接装有滤砂外管， 内设有漉砂内管，二者上下端分别用销钉连接固定；滤砂外管上、下方的油管内分别设 有上、下固定凡尔球。使用时，将柱塞接装在抽油杆柱下端，泵筒则随油管柱下入井内 预定位置。当柱塞随抽油杆柱上提时，柱塞体以下的空间体积增大，压力减小，泵筒下 部的下固定凡尔球控制的油路开启原油进入泵体内；当柱塞下行时，泵筒以下空间体 积减小，压力增大，上、下固定凡尔球关闭，而游动凡尔球打开，原油进入到柱塞内， 并流回到油井套管内。利用柱塞的这种上下往复运动，使井筒内的原油反复地经过过滤， 从而将过滤出来的砂子在起出捞砂管柱时被捞出“”“”。 捞砂泵捞砂作业时，捞砂泵需要随抽油管柱入井，整个抽油作业中，捞砂泵一直在 井下，只有等到需要起出抽油设备时，捞砂泵才能够起出，也才能将进入捞砂泵的沉砂 捞出。因此，从工艺上来看，如果要实现理想的捞砂作业，捞砂泵的泵筒要求设计为足 够长。要不然根本无法装下在一个抽油周期内井下出砂量，也因此，捞砂泵现场使用性 很差，设计与实际差别较大，不能满足实际需要，应用很少。 ( 2 ) 捞砂筒捞砂 常规捞砂筒捞砂工艺技术比较简单，一般只设计具有一定的长度的能够贮存沉砂的 捞砂筒。作业时采用常规的洗井或活动捞砂管柱，使沉砂落入捞砂简，一段时间后起出， 倒出沉砂，再次下井，反复如此作业1 。由于该常规捞砂筒的捞砂效率和效果都不好， 所以，现在现场已经很少应用。 ( 3 ) 负压捞砂 负压捞砂技术是种新型的捞砂技术，其主要部件是一套负压捞砂装置。，该装置 的最下端为铣鞋，铣鞋有4 个4 5 度的铣面，易于插入砂垢，当管串旋转时破碎砂垢，有 利于充分吸砂，铣鞋开有4 个槽形流道，以保证吸砂头下部插入砂层淹没部分流道时能 保留有砂液通道，其开关器由开关轴、花键轴、花键筒、弹簧等组成，管串下井时开关 器在弹簧作用下处于关闭状态，此时管串内与大气相通，当管串下至井底插入砂面后， 在一定的阻力下，通过铣鞋，花键轴将停止下放运动，继续下放钻具，在一定钻压下( 通 常为2 3 吨) ，通过沉砂管外筒、沉砂管接头、上接头、压缩弹簧，并使开关轴继续下 行，此时开关轴的导流孔与铣鞋内腔相通开关器打开；此时，在油套管环空的数千米液 柱与管串内腔大气压强存在极高压差，在此压力差作用下，冲洗井底沉砂，砂随液流由 油套管环空进入沉砂管外筒与芯轴之间，从而完成捞砂动作。铣鞋内开有限流孔，可以 控制油套管环空液流进入捞砂管串的速度，以充分吸砂；当一根单根下放完后，上提管 串，开关器在其下端重力和弹簧力的作用下开关器关闭，接完单根之后，重复上述操作， 第一章绪论 继续捞砂，直至捞砂管内外压差平衡为止，然后起管串清砂。 负压捞砂装置是负压捞砂工艺和机械捞砂、水力冲洗相结合的装置 1 6 2 冲砂技术 ( 1 ) 常规冲砂工艺 常规冲砂工艺一般做法是下一趟普通冲砂管柱，从冲砂管柱中泵入冲砂液，使冲砂 液携带井下沉砂沿油套管之间环空返出井口，或反之，采用反循环冲砂工艺。“。但这种 技术只适用于一般油井，对于井底压力低，漏失严重的井则不能满足工作要求。这是因 为井底的漏失使注入的携砂液难以维持高的举升压力和速度，严重者携砂液根本不能返 出井口，而且对于井底压力低的井，较高的冲砂液柱压力将使沉砂重新压入地层，根本 达不到排砂的目的。1 。 ( 2 ) 负压冲砂工艺 目前所采用的负压冲砂工艺主要有两种在井底产生负压的方式”1 ，一是通过在冲砂 液中加入泡沫或混气降低液柱压力形成井底负压；二是通过高速喷射形成井底负压区。 泡沫或混气负压冲砂工艺一般是通过在冲砂液中加入泡沫或者混气，降低冲砂液密 度，从而降低冲砂液柱压力的冲砂工艺。由于泡沫性能的不稳定性、成本高和污染环境、 以及混气效果不好等因素，影响了该冲砂技术的发展和推广应用。”。”“删 高速喷射负压冲砂工艺原理。”是来自地面动力泵的高压冲砂液由动力液管注入，越 过桥式筒，进人高压腔，分为2 路。一路高压冲砂液由搅砂喷嘴喷出，冲击井底。搅动 沉砂后，上返到桥式筒的入口；另一路高压冲砂液由喷射嘴高速喷出。由于液流速度高， 使液柱周围压力降低，形成负压区。在井底压力与负压区之间的压差作用下，将搅砂喷 嘴搅起的沉砂与工作过的废动力液一起吸入扩压器喉管，在高速射流的携带下进入扩压 器，速度降低，压力升高到喷射泵应有的排出压力。混合后的携砂液沿冲砂管返回地面， 随着冲砂器的逐渐下放，完成整个油井的冲砂工作。 尽管现场应用中，已经开发出了各种各样的捞砂和冲砂工艺技术，并采用了连续油 管等先进设备“删，但对于传统水力冲砂施工过程中，由于油层压力低和严重漏失造成 的“清水倒灌”、积砂二次被冲入油层、污染油层等问题，致使作业无法正常进行的难 题，仍然没有可行的解决方法汹“，而气举反循环冲砂技术可以解决这些问题。因此， 开展气举反循环冲砂工艺技术研究成为提高低压、易漏油气井产量的迫切需要。 1 6 3 现有清砂工艺对比分析 虽然近几年随着油气井出砂越来越严重，各种清砂技术和工艺也得到了很大的改进 和完善，但是，从油气井开采实际效果来看，现有的清砂技术仍然未能有效地解决油气 井出砂的技术难题，尤其是对于低压和易漏油气藏严重出砂的难题根本没有解决的办法 1 ”j 3 7 1 。这主要是因为不仅现有的各种清砂工艺都存在着技术和应用的局限性，各种清砂 西安石油大学硕士学位论文 工艺分析对比如表1 1 所示。 表卜1 各种清砂工艺对比“ 类型方式使用范围优缺点 1 捞砂筒捞砂不污染油层但效率低 捞砂与 2 抽砂泉抽砂所有井 抽砂不污染油层，效率高，但操作繁琐 3 射流泉清砂 4 原油冲砂 非漏失井安全方便，工艺简单，但只适用于非漏失井 纯 5 清水冲砂 液 6 边冲边灌、大捧在没有合适的冲砂方法的情况下，曾解决过严重 体 漏失井 冲 量水冲砂漏失井的冲砂难题，但严重污染油层 砂 7 清水冲砂将砂砂子不能冲至地面时采用的方法，解决过部分井 严重漏失井 及冲砂液挤入地层 的生产问题，但严重污染地层冲砂周期短。 8 混气原油冲砂 减轻密度，避免或减少漏失，设备多，工艺复杂。 混气液 9 混气水冲砂所有井 因原油浪费严重混气原油冲砂已经停用。 冲砂 1 0 负压冲砂 混气水冲砂，因气液滑脱严重，被淘汰 泡沫减轻密度，减少漏失，伤害油层小，但泡沫稳定 1 1 泡沫冲砂所有井 冲砂性差，成本高。 从表1 1 分析中可以看出，现有的清砂工艺主要存在以下的缺陷： ( 1 ) 污染地层 根据地层损害理论，外来水侵入地层可能形成暂时性水堵，或永久性水堵，水中固 体微粒可能形成机械堵塞，也可因入侵水温度低而冷却地层形成蜡堵。这种堵塞将影响 施工后的产量，轻者减产，重者完全不出油，必须上修解堵。 ( 2 ) 冲砂周期短 多数情况下，由于地层存在漏失，造成冲砂时部分砂子被挤入地层，而生产时，挤 入地层的砂子又重新流入井简堆积形成砂堵，因而，大大缩短了冲砂周期。而且重复冲 砂的频率是随着漏失程度的增加而增加的。这种现象造成冲砂成本增高，油井减产。 ( 3 ) 恢复周期长 现有的清砂工艺，施工作业后，油井恢复产量的时间比较长，抽砂泵抽砂和捞砂作 业油井复产时间至少要5 天以上，而冲砂作业造成的油井复产时间则至少要半个月以上， 所以，这就造成了清砂后油井所需要的复产时间比较长，减产严重。 因此，可以得出结论：开展新型的清砂工艺技术已成为有效解决油气井砂埋或砂堵 的必需，而恰恰通过对气举反循环钻井技术理论的研究及其应用实践证明，气举反循环 6 第一章绪论 冲砂技术完全能够解决目前油气井防砂和清砂技术所面临的难题。 1 7 本章小结 本章论述了开展气举反循环冲砂技术课题研究的目的和意义，综述了该技术国内外 的研究现状及其技术背景，论述了目前油气井冲砂的现状和危害性，分析对比了现有防 砂和清砂的技术状况和需要解决的技术难题，以及现场对清砂技术的急需性。通过本章 对的论述，可以得出结论：开展气举反循环冲砂技术研究是解决油气井，尤其是低压和 易漏油气井，砂堵和砂埋的技术难题的有效途径。 西安石油大学硕士学位论文 第二章气举反循环冲砂技术 气举反循环冲砂技术是在气举反循环钻井技术研究和应用的基础上，发展起来的一 项新的油气井冲砂技术。利用压缩空气气举作用开展的气举钻井技术在地矿系统水井、 水文地质钻孔以及大口径工程施工孔的钻探中应用较广，效果比较理想，机械钻速高于 常规的钻探技术，而且能够解决低压或漏失井造成常规钻探技术无法施工的技术难题。 随着气举钻井在地矿系统的应用成功和技术理论、经验积累，该先进的气举钻井技术也 已经被推广到油气井钻井中，华北石油钻井工艺研究院经过多年的研究，已经使气举反 循环钻井技术成为一种解决低压、漏失油气井钻井难题的成熟技术。气举反循环冲砂技 术就是把气举反循环钻井技术转化和拓展到油气井修井技术，主要用于解决低压、漏失 油气井冲砂的技术难题，提高其冲砂效果，延长冲砂周期，增加油气井产量。 2 1 气举反循环冲砂基本原理 气举反循环冲砂技术和气举反循环钻井技术一样，其原理基础都是连通器基本原理， 即连通器与外界大气相通，所有液面都有等高的趋势，且同种液体内同一个水平高度的 压强相同。把连通器的基本原理引申到气举反循环冲砂技术上来，并通过简化和模型 化处理，可得如图2 1 所示的气举反循环冲砂连通器原理示意图。 、 j 专之 f 二 1 ( a ) 初始状态 图2 - 1 连通器效应示意图 ( b ) 注气状态 如图2 - 1 所示，其中( a ) 图表示油管和套管形成的连通器的原始状态，( b ) 图表示 第二章气举反循环冲砂技术 在油管内一定深度连续注气时液体能够产生的流动状态。图中h 为油管内注气后混合冲 砂液高度，密度为pi ；h 2 为油管内未混合气的冲砂液高度，密度为p2 ；h 为环空冲砂 液高度，密度为p 。因此，根据连通器的基本原理，当pg h pl g h l + p2 9 h 2 时，环空 冲砂液就会反循环进入油管内水眼，形成反循环流动，冲砂液循环过程中携带井底沉砂 到地面，实现冲砂的目的。 气举反循环冲砂技术的关键技术是通过注入气体，降低h l 段混气冲砂液的比重，实 现pgh p i gh l + p2 9h 2 ，通过选择注气量大小和注气深度，形成携砂所需的流速，实 现连续反循环冲砂。 2 2 气举反循环冲砂工艺原理 气举反循环冲砂技术是以连通器的基本原 理为依据，以气举钻井技术原理和实践为基础， 而研发出的一项用于解决低压、漏失油气井冲砂 难题的新技术。 气举反循环冲砂技术是将压缩气体通过注 气管到注气器，经注气管桂输送到气液混合器处 进入油管，形成无数小气泡，气泡沿油管内上升 的过程中迅速胀大，产生气举作用。由于压缩气 体不断进入冲砂液，在混合器上部形成低比重的 气液混合液，而环空内的液体比重大，根据连通 器原理，油管内的气液混合液在压差作用下向上 流动建立循环，携带井底的沉砂连续不断的到达 地表，排入沉砂池。过滤后的冲砂液再流入井眼 环空内，经井底进入油管，补充循环液的空间， ( 如图2 2 所示) 。 ，一井底沉砂 2 一冲砂笔尖 3 一冲砂液 4 - - 油管 5 一混气器 6 一注气管 7 - - 注气器 8 - 进气管 9 - - 出液管 图2 - 2 气举反循环冲砂原理圈 如此不断循环形成气举反循环冲砂过程 2 3 气举反循环冲砂工艺流程 冲砂液循环流程为：冲砂液流由地面泵经过井口通过油套管环空进入井眼冲击井底 沉砂，混合后，砂液混合液沿油管水眼返到地面：同时注气系统压缩机或储气罐内的压 缩气体经井口注气装置，通过注气管到达设计深度的混气器进入油管水眼，与油管内冲 砂液混合，形成砂、液、气混合流。压缩气体的混入使得混合器上部混合液比重降低， 产生油管内外液柱压差，驱动轻比重的三相混合液沿油管与注气管环空上升，经井口装 置返回沉砂灌。冲砂液经地面过滤沉砂设备处理后，由灌注泵重新注入油套管环空补充 冲砂液，如此循环，形成连续的气举反循环冲砂。 9 西安石油大学硕士学位论文 图2 3 气举反循环冲砂工艺流程图 如图2 3 所示，气举反循环冲砂技术在冲砂管柱的下端可以根据沉砂的积垢程度， 选择连接冲砂笔尖或冲砂钻头，对于沉砂松散的井，选择冲砂笔尖；而对于积垢较为严 重的井，需要选择冲砂钻头，以实现通过冲砂油管驱动钻头的旋转来破碎砂垢，使砂垢 泛起，提高冲砂效率【”j 。 气举反循环冲砂技术所需的配套设备主要有：修井钻机、气体压缩机、冲砂液循环 罐、冲砂油管、双壁注气器、注气管、冲砂笔尖或钻头等，另外，对于含气量高或气井 需要冲砂作业时，考虑到安全因素，需要采用氮气作为气举的动力【帅】，因此，需备选制 氮机和增压机两套设备，详细设备清单如表2 1 。 表2 - 1 气举反循环冲砂配套设备 序号名 称 数量备注 1 车载修井机1 台外购 2 空压缩机1 台外购 3 冲砂液循环罐1 台外购 4 冲砂油管根据井深确定现场使用 4双擘注气器2 套研制完成 51 “注气管6 0 根研制完成 6混气器+ 单流阀2 套研制完成 7 冲砂笔尖或冲砂钻头 2 套研制完成 8制氮机1 套 选用 9 增压机 1 套选用 l o 第二章气举反循环冲砂技术 修井钻机作用是用来为冲砂作业提供动力和其它设备的起下服务。气体压缩机作用 是用来为气举反循环冲砂作业提供具有一定量和压力的气源。冲砂液循环罐作用，其一 是储藏冲砂液；其二是依靠其配套的沉砂和虑砂设备对冲砂液进行除砂和清理，以使冲 砂液能够循环应用。冲砂油管作用是为冲砂液建立循环通道。双壁注气器作用是为气液 循环建立双通道，并保证冲砂管柱能够旋转。注气管作用是为压缩气体到达设计深度提 供通道。冲砂笔尖或钻头作用是依靠冲砂管柱的上下活动或旋转破碎砂垢，使沉砂泛起， 提高冲砂效率。目前，气举反循环冲砂技术主要配套设备已经齐全，研制的设备也已经 完成了两套样机的加工试制。 2 4 气举反循环冲砂技术优点 气举反循环钻井技术的广泛应用，证明了气举反循环钻井技术具有钻具内钻井液上 返速度快、携屑能力强和能够防止漏失等优点【4 ”。对于气举反循环冲砂技术来说，其优 点主要有如下几个方面。 ( 1 ) 气举反循环冲砂技术循环抽吸能力强，有利于井底或油层沉砂的泛起，并且冲砂 液流能够携带较大颗粒砂垢，减少它重复破碎，从而提高冲砂效率。如使用5 7 r a m 内径 的冲砂油管和1 8 r a m 内径的注气管的气举反循环管柱组合在5 1 2 ”套管内进行冲砂作业， 平均冲砂进尺大于1 5 m h 。另外，气举反循环冲砂产生的强抽吸能力，还具有部分解堵 增产的作用。 t ( 2 ) 气举反循环冲砂管串入井后，能够旋转，一是有利于复杂情况的处理：二是有利 于井底冲砂钻头或笔尖破碎砂垢，便于冲砂液充分携砂。 ( 3 ) 冲砂钻头或笔尖，设计有槽行孔道，能够保证冲砂钻头或笔尖下部插入砂层淹没 部分孔道时仍能保留有砂液通道。 ( 4 ) 气举反循环冲砂技术，可以根据冲砂井的实际需要，达到冲砂液柱压力低于油层 压力，避免地层漏失。即便于冲砂液携带沉砂，又避免常规冲砂工艺中由于环空液柱压 力高于油层压力而使沉砂压回油层造成后续采油困难的弊端，减少排液时间，能够达到 冲砂作业完就能够恢复油气井产量，延长冲砂周期，实现保护低压油气层，延长油井寿 命，提高油气井产量。 ( 5 ) 气举反循环冲砂作业时，砂粒是从冲砂管柱内上返到地面上来的，不和井壁发生 接触，因此，砂粒不会渗入油层，从而提高冲砂效率，并能保持油层的孔隙率。 ( 6 ) 气举反循环冲砂工艺能够满足漏失井施工的需要，因为只要井眼内有一定水位就 一吨维持冲砂液循环流动，解决常规冲砂作业时因冲砂液漏失，不能建立循环无法继续冲 砂的难题。 2 5 气举反循环冲砂设备研制 由气举反循环冲砂技术原理和工艺流程，结合冲砂作业施工的作业现场需要配套设 两安石油大学硕士学位论文 备情况，气举反循环冲砂技术需要研制的设备有：双壁注气器、注气管柱、冲砂笔尖和 冲砂钻头。 2 5 1 双壁注气器研制 ( 1 ) 双壁注气器的作用 双壁注气器主要作用是提供气液双通道，既要保证注气的需要，又要保证循环的气 液固三相流体能够顺利排入过滤循环罐，而且为了满足冲砂施工需要时能够旋转冲砂管 柱，双壁注气器必须设计有内外本体能够相对转动的轴承结构。 ( 2 ) 双壁注气器结构原理 双壁注气器主要由内本体、滚动轴承、外本体、进气管、注气管和下接头等部件组 成，其结构示意图如图2 4 所示。 1 一内丰体：2 一壤动轴承；3 一外本体；4 - - 进气管：5 一注气管 图2 - 4 气举反循环冲砂注气器结构图 双壁注气器工作时，上端连接与水龙头，下端注气管与注气管柱连接，下接头与冲 砂油管连接，进气管与压缩气体出气管连接，压缩气体由进气管经内外本体之间的空腔 到达注气管，然后由注气管柱到达混气器与冲砂液混合，产生气举作用，气举出的气、 液、固三相液流由冲砂油管内上升进入双壁注气器内本体和下接头的水眼，经水龙头到 达地面储液罐。双壁注气器技术参数如表2 2 。 表2 2 双壁注气器技术主要参数 本体连接注气管连接最小环空当 l 最大外径长度耐压气压耐液压 扣型扣型 量直径 2 l o m m1 0 8 0 m m2 7 。”t b g m 2 7 x 25 妒a 2 5 口a 3 8 m ( 3 ) 双壁注气器设计创新点 a 在此注气器的上下两端分别配备了两个油管和钻杆螺纹转换接头，确保该注气器 能够灵活的与施工现场管柱的连接； b 为了保证注气器内外本体的能够相对转动，设计了上下两个滚动轴承，而且在两 道密封圈的之间设计了储油腔，实现注气器内外本体相对转动中的油润滑，大大地提高 了内外本体密封件和轴承的使用寿命； 第二章气举反循环冲砂技术 c 为了尽可能地增加油管和内注气管环空的流通面积，在内注气管与内本体连接 及其扶正和承托结构设计中，采用了内注气管直接弯曲与内本体外壁焊接，承托扶正环 则采用偏心双通道设计。 圈2 5 气举反循环冲砂注气器 这些新结构的设计不仅大大的简化了双壁注气器整体结构的设计和加工，而且使得 结构设计更趋于合理，性能更为可靠，使用寿命更高。 2 5 2 注气管柱研制 ( 1 ) 注气管柱的作用 注气管柱是气举反循环冲砂技术特有的设备，用来输送压缩气体到混气器的专用设 备，要求其在一定气、液压力下不得泄露。而且要保证注气管柱与冲砂油管之间环空面 积的最大化，另外，为了现场施工的方便，注气管之间的连接和起下都要求简单、可靠。 ( 2 ) 注气管柱结构原理 注气管柱是由一系列注气管连接而成的贯串，注气管结构如图2 6 所示，注气管柱 本体采用2 0 4 冷拔无缝钢管，两端采用特殊带密封的由壬结构。这种结构设计不仅提供 了注气管柱与冲砂油管环空流通面积的最大化，又使得注气管柱的运输和起下十分方便， 便于保养，降低设备成本。注气管柱主要技术参数如表2 - 3 。 。 由壬公头 注气管体由壬母头 图2 6 气举反循环冲砂注气管结构图 表2 - 3 注气管柱技术主要参数 【最大外径长度内径注气管外径耐压气压 耐液压连接扣型 4 0 m9 l l m1 8 m2 5 m e5 - 俨a2 5 护am 2 7 2 西安石油大学硕士学位论文 2 5 3 混气管柱研制 ( 1 ) 混气管柱的作用 混气管柱位于注气管柱的最下端，位于压缩气体和冲砂液相混合的位置，为气液充 分混合提供空间，并且要能够避免冲砂液或砂垢进入注气管堵塞注气通道，为了井控安 全的需要，混气管柱还必须具有单项流动能力。 ( 2 ) 混气管柱结构原理 混气管柱结构如图2 7 所示。混气管柱的材质和连接方式都与注气管相同，混气管 柱从上到下依次由连接由壬、连接短管、单向阀、孔管和扶正器组成。中部连接单向阀 的作用：一是井控安全的需要，确保一旦发生井下事故，注气管能够封死；二是防止冲 砂过程中砂粒进入注气管堵塞气道：三是保证在接单根时，注气管内保留有气体和阻止 冲砂液进入气道，导致再次开启循环时费时费气，提高施工效率。另外，为了提高混气 效果和防止混气管堵塞，在混气管柱的下端设计有一段孔管，而且在最下端还设计有半 刚性扶正装置，以降低冲砂作业时注气管柱的摆动，提高施工安全性。混气管柱技术参 数如表2 - 4 。 由壬母头单项阀 孔管扶正器 图2 7 气举反循环冲砂混气管柱结构图 表2 - 4 混气管柱技术主要参数 l 最大外径长度内径注气管外径单项耐压气压 单项耐液压连接扣型 5 0 m1 0 0 0 m1 8 m2 5 m 5 m p a2 5 m p am 2 7 2 m 2 5 4 冲砂笔尖和钻头研制 无论是在常规冲砂作业还是在气举反循环冲砂作业中，为了提高冲砂的效果和破碎 砂垢，在冲砂作业管柱的最下端都需要配置有冲砂钻头或冲砂笔尖，但气举反循环冲砂 钻头或笔尖则具有其独特的要求和特点。 ( 1 ) 冲砂笔尖研制 a 冲砂笔尖的作用 冲砂笔尖的主要作用是依靠冲砂管柱的上下活动来破碎砂垢，使沉砂泛起，提高冲 砂效率。冲砂笔尖主要用于结垢不严重的油气井冲砂1 。 b 冲砂笔尖的结构原理 第二章气举反循环冲砂技术 气举反循环冲砂笔尖结构如图2 - 8 所示，上部设计有一油管接箍用于与冲砂油管连 接，下部是一带有斜坡油管。气举反循环冲砂笔尖从外型上来看，与常规冲砂笔尖没有 太大的差别，但在笔尖的斜坡角度上要求比一般要小些，也就是说笔尖的斜坡长度要长 些，这样设计的目的是为了避免由于气举反循环冲砂抽吸能力比较大，泛起的沉砂多而 堵塞冲砂管柱。另外，在冲砂笔尖的中上部还设计有孔板装置，设计该装置的目的有二， 一是阻止大块的砂垢进入冲砂管堵塞管柱；二是避免一旦注气管柱发生脱落或断裂事故 时，注气管柱落入井底，造成井下事故。气举反循环冲砂笔尖技术参数如表2 - 5 。 图2 - 8 气举反循环冲砂笔尖 表2 - 5 冲砂笔尖技术主要参数 l 最大外径长度内径斜坡角度孔板直径连接扣型 8 8 9 。1 5 0 0 m5 7 m3 。3 一1 8 m2 7 。”t b g ( 2 ) 冲砂钻头研制 a 冲砂钻头的作用 气举反循环冲砂钻头是应用在井底沉砂较多，结垢比较严重的油气井冲砂作业中， 其主要作用是，在地面旋转动力的驱动下在井底转动，依靠其外表面的硬质合金齿破碎 砂垢，使沉砂泛起，提高冲砂效率和效果1 。 b 冲砂钻头结构原理 冲砂钻头结构如图2 - 9 所示，其主要由油管接箍、连接管、钻头本体和硬质合金刀 翼组成。钻头本体上除一个主水眼外，还设计有三个水眼，这主要一是用于建立冲砂液 的循环通道，以便于沉砂的携带，二是防止沉砂淹没水眼，阻塞冲砂液通道。冲砂钻头 技术参数如表2 - 6 。 上接头 连接管 硬脂合金 上接头 图2 - 9 气举反循环冲砂钻头 西安石油大学硕士学位论文 表2 - 6 冲砂钻头技术主要参数 l 最大外径 长度内径斜坡角度水眼直径连接扣型刀翼个数 1 l o m6 0 0 r a m5 7 m1 0 。4 一1 8 m27 s ”t b g3 2 5 5 气举反循环冲砂设备检验方案 为了确保研制的气举反循环设备达到设计的性能指标，设计中特根据其现场应用中 的实际工况制定了如下的技术检验方案： ( 1 ) 所有设备不得有影响强度的裂纹、缩孔等缺陷，主体需进行探伤检查，不得有 裂纹。 ( 2 ) 焊接处不得有假焊、漏焊、夹渣等焊接缺陷，焊缝应平整光滑。 ( 3 ) 组装前应将各零件去除毛刺及清洗干净，并注入适当的润滑油，装配应完全符 合图纸要求。 ( 4 ) 双壁注气器和注气管密封试验，气压5 m p a 和液压2 5 m p a 压力下，分别保持5 分钟，压力不下降。 2 6 本章小结 本章对气举反循环冲砂基础原理、技术原理和工艺流程进行了分析和研究，初步建 立了气举反循环冲砂的原理和工艺模型。针对气举反循环冲砂基本原理总结出了该冲砂 技术的优点，给出了开展气举反循环冲砂技术研究的前景和预期效果。另外，本章还根 据研究出的气举反循环冲砂技术工艺流程，列出了开展气举反循环冲砂施工作业需要的 配套设备，论述了其中需要研制设备的设计过程、结构特点及其样机试制。 1 6 第三章气举反循环冲砂技术理论研究 第三章气举反循环冲砂技术理论研究 为了从理论上证明气举反循环冲砂技术的施工可行性和其技术特点，作者在研究过 程中，着重建立了气举反循环冲砂技术注气深度、注气深度与井深关系、注气量、冲砂 液最小上返速度、冲砂液最小排量和注气管强度计算模型，并通过这些计算模型建立起 了完善的气举反循环冲砂技术理论，使气举反循环冲砂技术首先在理论上具备了坚实的 基础，并证实了气举反循环冲砂技术的可行性和可靠性。此外本章，还给出了一口实例 井的理论计算过程和方法，为气举反循环冲砂技术理论指导现场生产制定了理论计算的 方法和步骤。 3 1 注气深度模型建立 注气深度是形成气举反循环的重要参数之一。气举反循环冲砂工艺中，注气深度是 随冲砂油管和注气管的加长而