论文部分内容阅读
一、前言
在油水井施工过程中，如果井底有砂子，我们需要下油管冲砂。正常情况下一般的砂柱都能被冲出，但是有种情况的砂子无法冲动，那就是一部分井压裂后形成的砂柱。由于压裂液中本身就含有胶结物，再加上砂柱承受特别高的压力后，这样形成的砂柱就特别的硬。形象的说就像本来是一堆木屑，我们给它加上胶水，然后再用液压设备把它压成木板一样。面对这种情况我们常用的做法是起出冲砂管柱，下螺杆钻去钻洗。也就是说本来可以用水冲走的散砂，我们不得不采用钻开坚硬岩石的方法去把它清理出来。这样做不但延长了工期，增加了工作量，加大了成本支出，而且还大大增大了施工难度。
二、油井冲砂方法原理及冲砂工艺管柱设计
（一）冲砂方法工艺原理。该冲砂方法主要是利用投放可捞式小冲管减小原冲砂管柱的水流出口截面积，提高水流速度，最终依靠提高水流冲刺力度，达到冲散井内砂子的目的。在常规冲砂管柱下方接上两用破砂器，如果能正常冲下去就正常冲砂。如果冲不下去，可以拆开地面管线，从油管内投入小冲管。等到小冲管坐到冲管座后就可以开始下放管柱正循环冲砂。当砂柱被高速冲砂液冲散后，改变地面管线为反循环洗井。反循环洗井时，冲管座内的小冲管就会被水流冲起并上行。当小冲管到达井口时，会被管柱上的捕获装置卡住，同时泵压上升。这时停泵拆开管线，取出小冲管，再接上管线正常冲砂，直至把井内的砂子全部冲出洗净为止。
（二）冲砂工艺管柱的设计。冲砂工艺管柱由四部分组成：一是安装在冲砂管柱最下端的破砂器；二是安装在破砂器内部的冲管座；三是可投可捞的冲管总成；四是安装在管柱最上端的小冲管捕获器。
冲砂工艺管柱结构组成是：由下自上是破砂器、冲管座、冲管总成、油管、捕获器等组成。
破砂器：该工具的主要作用就是通过加压和旋转相组合，辅助冲砂液体破坏砂面，使其成为散砂，从而有利于提高破砂效果。
冲管座：该工具的主要作用就是承托冲管总成，并与冲管总成之间形成密封，从而保证冲砂液体全部由小冲管内喷出，充分发挥液体的破砂效果。
冲管总成：该工具的主要作用就是减小冲砂液的过流面积，提高液体的冲刺力，达到冲散井内砂子的目的。
油管：用于连接工具，加深管柱的目的。
捕获器：该工具的主要作用就是捕获小冲管。
1、油井冲砂工艺的可行性分析。根据我们设计的冲砂工艺管柱看，只要能冲开砂柱、洗出冲管总成、管柱结构简单，就能够实现该工艺：
A、这种冲砂方法的想法来源于以前压裂井施工后冲砂冲不下去，怀疑套管因压裂变形，于是下铅印打印落实。当正循环冲洗鱼顶时，却加不上压，直接冲下去了。所以根据这种情况看，利用冲管去冲开较硬的砂柱是可行的。
B、在以往的冲砂施工中，有过多次反循环洗井冲出加重杆的现象。我们设计的冲管直径与加重杆相近，而重量要小得多，所以反循环洗出冲管总成是没有问题的。
C、我们设计的冲砂管柱与常规冲砂管柱外部结构一样，只是在内部添加了一些部件，现有的冲砂设备和辅助装备完全可以满足施工要求。
三、投放可捞式小冲管及辅助设施的设计
（一）冲管总成结构设计。冲管总成要达到三个目的：一是要能够加快水流流速，提高水流的冲刺力；二是能够与冲管座形成密封，防止冲砂液流失而降低水利效果；三是能够在井口被捕获。为此，我们设计的冲管总成由导向头、捕获胶塞、换流罩、冲管组成。导向头是钢制球形的，其作用是引导冲管总成顺利进入捕获接头。捕获胶塞是橡胶材质，它依靠泵车从下方给的压力，挤进捕获器内。由于它的外径大于捕获器的内径，所以一旦挤进去，就不会脱落。以上两部分保证了总成能够被捕获。换流罩在侧面开孔，其下部连接冲管，这样就能够把油管内的液体引入冲管。冲管与换流罩相连，进入换流罩的液体进入冲管后，过水截面积减小，水流速度加快，增大冲击力。这两部分保证了冲管总成达到加快水流流速，提高水流冲刺力的目的。在冲管外壁加工一个台阶，让其与冲管座配合，形成一个密封。从而达到防止冲砂液流失而降低水利效果的目的。
（二）冲管座结构设计。冲管座的主要作用就是承托冲管总成，并与冲管总成之间形成密封，从而保证冲砂液体全部由小冲管内喷出，充分发挥液体的破砂效果。为了达到这个目的，我们设计的冲管座上部内侧加工了一个倒角，使之与冲管上的台阶相配合，从而达到密封的目的。其结构如下图。
（三）破砂器结构设计。该工具的主要作用是破除砂床，同时也是砂液进入储砂管的通道。因此该工具必须满足以下几个方面的要求
a、开口处有能戳破砂面或砂床的尖部。
b、中心有较大的导流通道。
c、进口符合液流特性，减小液体通过的阻力。
d、工具外径必须不大于D73mm外加厚油管接箍外径。
综合考虑以上四方面的问题，我们设计了马齿形破砂器。
这种破砂器就是用外径73mm的油管为材料，在一端切出三个正旋方向的马齿形斜尖。这种形状的斜尖可以对砂面进行加压下戳，也可以旋转管柱划破砂面，破砂效果非常好。另外三个马齿形斜尖具有一定的高度，当破砂器与砂面接触时，能够保证有足够的过水通道，减小液体通过的阻力。用外径73mm的油管做的破砂器，外形尺寸与常规作业用的管材尺寸一样，通用性很好，而且内径达到62mm，中心具有较大的导流通道。
（四）捕获器结构设计
为了简化管柱结构，我们没有专门设计捕获器，而是充分利用常规管柱上的部件来替代捕获器。安装在常规冲砂管柱最上方的一个变径接头其内径是50mm，正好可以用来捕获冲管总成。
四、投放可捞式小冲管及辅助设施的制作
（一）冲管总成
（二）冲管座
（三）破砂器
（四）捕获器 五、冲砂方法的设计
该冲砂方法的操作步骤：
（一）下带有冲管座的冲砂管柱到砂面的位置。
在下冲砂管柱之前，我们一般先用一种仪器确定出井下砂面的位置，然后再把冲砂的管子下到这个位置。管柱结构如下图。
（二）反循环冲砂。
把冲砂用的泵车管线连在套管闸门上，这是冲砂液体的进口。在冲砂的油管柱上连接一根软管，这是冲砂液体的出口。反循环冲砂的优点是冲散的砂子能够很快的返到地面来。缺点是水流对砂柱的冲刺力比较小，遇到一些较硬的砂面就冲不下去。
（三）如果冲不下去，改为正循环冲砂。
如果反循环冲砂冲不下去，就把冲砂液进口和出口的位置调换一下，改为正循环冲砂。正循环冲砂的优点是水流对砂面的冲刺力比较大，一般的砂面都能给冲散。缺点是冲起的砂子不能较快地返到地面来，而且有些较大的沙粒有可能就返不出来，最后又沉降回井底。
（四）如果还冲不下去，就投放小冲管。
先拆掉油管上的管线，然后把小冲管投进油管内，再连上管线，并用冲砂泵车打水，送小冲管到冲管座的位置。与现有技术相比，不必起出冲砂管柱，再下螺杆钻去鉆洗。步骤如下图。
（五）正循环冲开砂柱。
冲砂液体从冲管高速喷出，产生强大的冲刺力，冲开坚硬的砂柱。工况如图5。红虚线箭头表示水流冲击方向，绿色虚线箭头表示冲开后的砂子上返方向。
（六）反循环洗出小冲管。
当把所有砂柱冲开后，改正循环冲砂为反循环洗井，水流从小冲管的下方向上流，把小冲管从冲管座内冲起、上行、直至最后钻进井口的捕获装置内，被抓住。捞出小冲管的示意图如下图。
（七）反循环洗井
小冲管被捕获后，拆开洗井管线，取出小冲管，再连接好洗井管线，大排量洗出井内的砂子。
六、油井冲砂工艺管柱及冲砂方法工艺试验
选安28-31井进行试验
（一）选井理由
安28-31井压裂施工时，施工压力最高达到了63MPa，井下温度达到了58度，压裂用液450m3。高温、高压、液量大，这些都是压裂砂形成板结的有利条件，所以选择这口井进行试验。
（二）现场施工
下冲砂管柱，硬探砂面2939m，人工井底3125.67m，砂柱高186.67m。为了检验砂面硬度，我们没有直接投放冲管总成，而是采用常规的反循环冲砂方法冲砂。泵压3 MPa，管柱给砂面加压50KN，连续冲洗30分钟，没有进尺。于是改为常规的正循环冲砂，泵压2.5 MPa，管柱加压50KN，多次下戳，同样没有进尺。最后我们往油管内投放了冲管总成，冲管总成坐到冲管座后，泵压涨至5.8 MPa，管柱加压50KN，2分钟后开始有进尺，5分钟后冲下6.5m，下放顺畅。洗井20分钟后改正循环冲砂为反循环洗井，35分钟后泵压涨至12 MPa。立即停泵，拆管线，从捕获器中取出冲管总成，再次接好管线后采用常规反循环方式冲砂，直至冲砂至人工井底。
（三）效果确认
●此次冲砂试验，投放式冲管冲开了常规冲砂工具不能冲开的砂面。
●反洗井后冲管总成顺利被井口的捕获器捕获，达到了可投可捞的目的。
●冲砂管柱与常规配套工具设备完全兼容，现场适用性很强。
通过以上对比，我们认为这套冲砂方法达到了冲开坚硬砂面，减少施工工序，降低作业成本和风险的目的。
七、油井冲砂工艺管柱及冲砂方法效果确认
（一）冲管总成效果确认
该工具到目前为止，在25口冲砂井中进行了使用，每口井都冲开坚硬砂面，成功捕获冲管总成，达到了设计目的。
（二）破砂器效果确认
在使用的25口井中，有3口井依靠旋转冲砂管柱，带动破砂器旋转，依靠破砂器上的马齿型斜尖划开砂面，然后配合冲管完成施工。破砂器达到了设计目的。
（三）冲管座效果确认
由于冲管座在井内不便于确定其密封状况，我们在地面进行了相关实验，达到了设计目的。
（四）捕获器效果确认
在使用的25口井中，每次捕获器都完美的捕获了冲管总成，完全达到了设计目的。
八、油井冲砂工艺管柱及冲砂方法关键与创新点
研究的关键技术是冲管总成的设计。主要创新点：综合分析认为，本项目主要创新点有以下几方面：
（一）采用冲管设计，充分利用水利切割的功能处理坚硬的砂面。
该结构工具通过减小水流通道的截流面积，提高水流的冲刺力，充分利用水流的水利切割功能刺开坚硬的砂面。
（二）马齿形破砂器，破砂效果好。
这种形状的斜尖可以对砂面进行加压下戳，也可以旋转管柱划破砂面，破砂效果非常好。另外三个马齿形斜尖具有一定的高度，当破砂器与砂面接触时，能够保证有足够的过水通道，减小液体通过的阻力。
（三）冲管总成可投可捞，一趟管柱可进行多工序施工。
冲砂遇到冲不动的情况时，不必起出冲砂管柱后再下其它工具，而是直接投入小冲管就可以完成冲砂工序。冲砂完成后洗井捞出小冲管，还能利用这个管柱进行其它工艺的施工。省时、省力、减少开支。
（四）利用常规管柱上的配件充当捕获器，思路巧妙。
我们利用管柱最上端的一个变径接头充当冲管总成的捕获器。这样既减少了制作成本，更是避免了使管柱结构复杂化。
（五）管柱结构与常规冲砂管柱结构相同，设备通用性高。
这套冲砂工艺管柱的外径、扣型与常规的冲砂管柱一样。不需要配备特别的工具设备，通用性非常好。
九、结论
通过以上效果确认，我们认为油井冲砂管柱及冲砂方法技术完全达到了我们的设计要求。它对于压裂井的坚硬砂面、聚合物与砂子混合形成的粘稠砂面、砂面上有小件落物的井，都具有较好的适应性。能够达到清除井筒沉砂的目的。
在油水井施工过程中，如果井底有砂子，我们需要下油管冲砂。正常情况下一般的砂柱都能被冲出，但是有种情况的砂子无法冲动，那就是一部分井压裂后形成的砂柱。由于压裂液中本身就含有胶结物，再加上砂柱承受特别高的压力后，这样形成的砂柱就特别的硬。形象的说就像本来是一堆木屑，我们给它加上胶水，然后再用液压设备把它压成木板一样。面对这种情况我们常用的做法是起出冲砂管柱，下螺杆钻去钻洗。也就是说本来可以用水冲走的散砂，我们不得不采用钻开坚硬岩石的方法去把它清理出来。这样做不但延长了工期，增加了工作量，加大了成本支出，而且还大大增大了施工难度。
二、油井冲砂方法原理及冲砂工艺管柱设计
（一）冲砂方法工艺原理。该冲砂方法主要是利用投放可捞式小冲管减小原冲砂管柱的水流出口截面积，提高水流速度，最终依靠提高水流冲刺力度，达到冲散井内砂子的目的。在常规冲砂管柱下方接上两用破砂器，如果能正常冲下去就正常冲砂。如果冲不下去，可以拆开地面管线，从油管内投入小冲管。等到小冲管坐到冲管座后就可以开始下放管柱正循环冲砂。当砂柱被高速冲砂液冲散后，改变地面管线为反循环洗井。反循环洗井时，冲管座内的小冲管就会被水流冲起并上行。当小冲管到达井口时，会被管柱上的捕获装置卡住，同时泵压上升。这时停泵拆开管线，取出小冲管，再接上管线正常冲砂，直至把井内的砂子全部冲出洗净为止。
（二）冲砂工艺管柱的设计。冲砂工艺管柱由四部分组成：一是安装在冲砂管柱最下端的破砂器；二是安装在破砂器内部的冲管座；三是可投可捞的冲管总成；四是安装在管柱最上端的小冲管捕获器。
冲砂工艺管柱结构组成是：由下自上是破砂器、冲管座、冲管总成、油管、捕获器等组成。
破砂器：该工具的主要作用就是通过加压和旋转相组合，辅助冲砂液体破坏砂面，使其成为散砂，从而有利于提高破砂效果。
冲管座：该工具的主要作用就是承托冲管总成，并与冲管总成之间形成密封，从而保证冲砂液体全部由小冲管内喷出，充分发挥液体的破砂效果。
冲管总成：该工具的主要作用就是减小冲砂液的过流面积，提高液体的冲刺力，达到冲散井内砂子的目的。
油管：用于连接工具，加深管柱的目的。
捕获器：该工具的主要作用就是捕获小冲管。
1、油井冲砂工艺的可行性分析。根据我们设计的冲砂工艺管柱看，只要能冲开砂柱、洗出冲管总成、管柱结构简单，就能够实现该工艺：
A、这种冲砂方法的想法来源于以前压裂井施工后冲砂冲不下去，怀疑套管因压裂变形，于是下铅印打印落实。当正循环冲洗鱼顶时，却加不上压，直接冲下去了。所以根据这种情况看，利用冲管去冲开较硬的砂柱是可行的。
B、在以往的冲砂施工中，有过多次反循环洗井冲出加重杆的现象。我们设计的冲管直径与加重杆相近，而重量要小得多，所以反循环洗出冲管总成是没有问题的。
C、我们设计的冲砂管柱与常规冲砂管柱外部结构一样，只是在内部添加了一些部件，现有的冲砂设备和辅助装备完全可以满足施工要求。
三、投放可捞式小冲管及辅助设施的设计
（一）冲管总成结构设计。冲管总成要达到三个目的：一是要能够加快水流流速，提高水流的冲刺力；二是能够与冲管座形成密封，防止冲砂液流失而降低水利效果；三是能够在井口被捕获。为此，我们设计的冲管总成由导向头、捕获胶塞、换流罩、冲管组成。导向头是钢制球形的，其作用是引导冲管总成顺利进入捕获接头。捕获胶塞是橡胶材质，它依靠泵车从下方给的压力，挤进捕获器内。由于它的外径大于捕获器的内径，所以一旦挤进去，就不会脱落。以上两部分保证了总成能够被捕获。换流罩在侧面开孔，其下部连接冲管，这样就能够把油管内的液体引入冲管。冲管与换流罩相连，进入换流罩的液体进入冲管后，过水截面积减小，水流速度加快，增大冲击力。这两部分保证了冲管总成达到加快水流流速，提高水流冲刺力的目的。在冲管外壁加工一个台阶，让其与冲管座配合，形成一个密封。从而达到防止冲砂液流失而降低水利效果的目的。
（二）冲管座结构设计。冲管座的主要作用就是承托冲管总成，并与冲管总成之间形成密封，从而保证冲砂液体全部由小冲管内喷出，充分发挥液体的破砂效果。为了达到这个目的，我们设计的冲管座上部内侧加工了一个倒角，使之与冲管上的台阶相配合，从而达到密封的目的。其结构如下图。
（三）破砂器结构设计。该工具的主要作用是破除砂床，同时也是砂液进入储砂管的通道。因此该工具必须满足以下几个方面的要求
a、开口处有能戳破砂面或砂床的尖部。
b、中心有较大的导流通道。
c、进口符合液流特性，减小液体通过的阻力。
d、工具外径必须不大于D73mm外加厚油管接箍外径。
综合考虑以上四方面的问题，我们设计了马齿形破砂器。
这种破砂器就是用外径73mm的油管为材料，在一端切出三个正旋方向的马齿形斜尖。这种形状的斜尖可以对砂面进行加压下戳，也可以旋转管柱划破砂面，破砂效果非常好。另外三个马齿形斜尖具有一定的高度，当破砂器与砂面接触时，能够保证有足够的过水通道，减小液体通过的阻力。用外径73mm的油管做的破砂器，外形尺寸与常规作业用的管材尺寸一样，通用性很好，而且内径达到62mm，中心具有较大的导流通道。
（四）捕获器结构设计
为了简化管柱结构，我们没有专门设计捕获器，而是充分利用常规管柱上的部件来替代捕获器。安装在常规冲砂管柱最上方的一个变径接头其内径是50mm，正好可以用来捕获冲管总成。
四、投放可捞式小冲管及辅助设施的制作
（一）冲管总成
（二）冲管座
（三）破砂器
（四）捕获器 五、冲砂方法的设计
该冲砂方法的操作步骤：
（一）下带有冲管座的冲砂管柱到砂面的位置。
在下冲砂管柱之前，我们一般先用一种仪器确定出井下砂面的位置，然后再把冲砂的管子下到这个位置。管柱结构如下图。
（二）反循环冲砂。
把冲砂用的泵车管线连在套管闸门上，这是冲砂液体的进口。在冲砂的油管柱上连接一根软管，这是冲砂液体的出口。反循环冲砂的优点是冲散的砂子能够很快的返到地面来。缺点是水流对砂柱的冲刺力比较小，遇到一些较硬的砂面就冲不下去。
（三）如果冲不下去，改为正循环冲砂。
如果反循环冲砂冲不下去，就把冲砂液进口和出口的位置调换一下，改为正循环冲砂。正循环冲砂的优点是水流对砂面的冲刺力比较大，一般的砂面都能给冲散。缺点是冲起的砂子不能较快地返到地面来，而且有些较大的沙粒有可能就返不出来，最后又沉降回井底。
（四）如果还冲不下去，就投放小冲管。
先拆掉油管上的管线，然后把小冲管投进油管内，再连上管线，并用冲砂泵车打水，送小冲管到冲管座的位置。与现有技术相比，不必起出冲砂管柱，再下螺杆钻去鉆洗。步骤如下图。
（五）正循环冲开砂柱。
冲砂液体从冲管高速喷出，产生强大的冲刺力，冲开坚硬的砂柱。工况如图5。红虚线箭头表示水流冲击方向，绿色虚线箭头表示冲开后的砂子上返方向。
（六）反循环洗出小冲管。
当把所有砂柱冲开后，改正循环冲砂为反循环洗井，水流从小冲管的下方向上流，把小冲管从冲管座内冲起、上行、直至最后钻进井口的捕获装置内，被抓住。捞出小冲管的示意图如下图。
（七）反循环洗井
小冲管被捕获后，拆开洗井管线，取出小冲管，再连接好洗井管线，大排量洗出井内的砂子。
六、油井冲砂工艺管柱及冲砂方法工艺试验
选安28-31井进行试验
（一）选井理由
安28-31井压裂施工时，施工压力最高达到了63MPa，井下温度达到了58度，压裂用液450m3。高温、高压、液量大，这些都是压裂砂形成板结的有利条件，所以选择这口井进行试验。
（二）现场施工
下冲砂管柱，硬探砂面2939m，人工井底3125.67m，砂柱高186.67m。为了检验砂面硬度，我们没有直接投放冲管总成，而是采用常规的反循环冲砂方法冲砂。泵压3 MPa，管柱给砂面加压50KN，连续冲洗30分钟，没有进尺。于是改为常规的正循环冲砂，泵压2.5 MPa，管柱加压50KN，多次下戳，同样没有进尺。最后我们往油管内投放了冲管总成，冲管总成坐到冲管座后，泵压涨至5.8 MPa，管柱加压50KN，2分钟后开始有进尺，5分钟后冲下6.5m，下放顺畅。洗井20分钟后改正循环冲砂为反循环洗井，35分钟后泵压涨至12 MPa。立即停泵，拆管线，从捕获器中取出冲管总成，再次接好管线后采用常规反循环方式冲砂，直至冲砂至人工井底。
（三）效果确认
●此次冲砂试验，投放式冲管冲开了常规冲砂工具不能冲开的砂面。
●反洗井后冲管总成顺利被井口的捕获器捕获，达到了可投可捞的目的。
●冲砂管柱与常规配套工具设备完全兼容，现场适用性很强。
通过以上对比，我们认为这套冲砂方法达到了冲开坚硬砂面，减少施工工序，降低作业成本和风险的目的。
七、油井冲砂工艺管柱及冲砂方法效果确认
（一）冲管总成效果确认
该工具到目前为止，在25口冲砂井中进行了使用，每口井都冲开坚硬砂面，成功捕获冲管总成，达到了设计目的。
（二）破砂器效果确认
在使用的25口井中，有3口井依靠旋转冲砂管柱，带动破砂器旋转，依靠破砂器上的马齿型斜尖划开砂面，然后配合冲管完成施工。破砂器达到了设计目的。
（三）冲管座效果确认
由于冲管座在井内不便于确定其密封状况，我们在地面进行了相关实验，达到了设计目的。
（四）捕获器效果确认
在使用的25口井中，每次捕获器都完美的捕获了冲管总成，完全达到了设计目的。
八、油井冲砂工艺管柱及冲砂方法关键与创新点
研究的关键技术是冲管总成的设计。主要创新点：综合分析认为，本项目主要创新点有以下几方面：
（一）采用冲管设计，充分利用水利切割的功能处理坚硬的砂面。
该结构工具通过减小水流通道的截流面积，提高水流的冲刺力，充分利用水流的水利切割功能刺开坚硬的砂面。
（二）马齿形破砂器，破砂效果好。
这种形状的斜尖可以对砂面进行加压下戳，也可以旋转管柱划破砂面，破砂效果非常好。另外三个马齿形斜尖具有一定的高度，当破砂器与砂面接触时，能够保证有足够的过水通道，减小液体通过的阻力。
（三）冲管总成可投可捞，一趟管柱可进行多工序施工。
冲砂遇到冲不动的情况时，不必起出冲砂管柱后再下其它工具，而是直接投入小冲管就可以完成冲砂工序。冲砂完成后洗井捞出小冲管，还能利用这个管柱进行其它工艺的施工。省时、省力、减少开支。
（四）利用常规管柱上的配件充当捕获器，思路巧妙。
我们利用管柱最上端的一个变径接头充当冲管总成的捕获器。这样既减少了制作成本，更是避免了使管柱结构复杂化。
（五）管柱结构与常规冲砂管柱结构相同，设备通用性高。
这套冲砂工艺管柱的外径、扣型与常规的冲砂管柱一样。不需要配备特别的工具设备，通用性非常好。
九、结论
通过以上效果确认，我们认为油井冲砂管柱及冲砂方法技术完全达到了我们的设计要求。它对于压裂井的坚硬砂面、聚合物与砂子混合形成的粘稠砂面、砂面上有小件落物的井，都具有较好的适应性。能够达到清除井筒沉砂的目的。