旋转捞砂储砂管的改进及其在煤层气井的应用

秦绍锋

中联煤层气有限责任公司 （北京 100028）

随着煤层气井的排采生产，煤层反吐压裂砂、出煤粉煤粒越来越多， 导致沉砂口袋减小直至砂埋煤层、砂埋管柱，影响了井的正常生产。 清理口袋内沉积的压裂砂、 煤粉煤粒是必须也是必要的维护井正常生产的作业。但由于煤储层压力低、裂隙发育以及排水降压的生产特点， 不适合采用冲砂方式进行清理。 普通捞砂泵工艺虽然克服了冲砂液循环冲砂的缺点[1-2]，但对于板结的砂面及较大粒径的煤粒无法清理，而旋转捞砂泵工艺可以转动管柱[3]，带动底部钻头破碎煤粒及松散砂面， 但仍然存在捞砂效率不理想的情况。为此，在沁水盆地南部柿庄煤层气田采用旋转捞砂泵工艺配套改进的储砂管技术进行捞砂作业，实现了高效捞砂作业，降低了作业成本，取得了良好的经济效益。

1 结构及工作原理

1.1 结构

改进前管柱结构主要由动力油管、旋转捞砂泵、储砂管、底阀总成组成[4-5]，但是在遇到板结的砂面及较大粒径的煤粒后， 进行旋转管柱破碎板结的砂面或煤粒时， 储砂管内的砂粒和煤粒沉降后压覆在翻板之上，如图1（a）所示，再次捞砂时翻板会发生延迟打开或打开程度降低的问题， 影响捞砂效果甚至造成捞砂无进尺。

图1 改进前及改进后储砂管示意图

为解决上述问题， 在储砂管内增加了内沉砂杯结构，如图1（b）所示。 内沉砂杯形状如开口杯子，分布在储砂管内壁， 其数量可以根据储砂管的内径和长度确定。 当旋转管柱钻板结的砂面和煤粒时，储砂管内的砂粒和煤粒在重力作用下下沉， 被内沉砂杯捕获后沉积在其内， 从而减少了下沉至翻板上的煤粉和砂粒的数量， 提高了再次捞砂时翻板开启的能力。

改进后管柱结构由上而下主要由动力油管、旋转捞砂泵、改进储砂管、底阀总成组成，如图2 所示。其中旋转捞砂泵由工作筒、循环接头、外六方传动螺母、六方活塞拉杆和软活塞组成。底阀总成由钻头和翻板组成，钻头可以为刮刀钻头、套铣钻头或磨鞋钻头。 翻板为单流阀的一种，考虑到煤粒较大，故采用翻板以便于大块煤粒经翻板进入储砂管。

组配管柱时，首先根据储砂管的内径，计算出把井筒沉砂和煤粒全部捞进储砂管内需要的储砂管长度，实际组配管柱时按照120%的系数组配长度，但储砂管长度不能超过200 m。然后依次下入钻头、储砂管、旋转捞砂泵和动力油管。

图2 旋转捞砂储砂管的改进工艺管柱结构示意图

1.2 工作原理

当钻头接触沉砂口袋内的砂面后， 地面指重表指示井下管柱悬重下降， 需要将储砂管的全部重量加在砂面上，活塞开始下行，地面指重不变，为动力油管的重量；在活塞继续下行的过程中，底阀总成中的翻板关闭，循环接头的单流阀打开，泵内液体向上经单流阀进入循环接头，再经循环接头的旁排液孔，循环到油套环空内；当活塞下行冲程结束，即活塞下行至下死点后，地面指重表悬重稍有下降，此时停止下放，开始上提动力油管，活塞开始上行，上单流阀关闭， 工作筒内通过软活塞与泵筒的间隙配合形成低压，并在泵筒与油套环空内液柱的压差下，底阀总成中的翻板打开， 砂面上的沉砂和煤粒随井筒水经翻板后一起进入储砂管内。随着活塞继续上行，沉砂和煤粒不断进入储砂管，如图3（a）所示。 当活塞到达上死点时，地面指重表悬重突然上升，这时停止上提管柱，开始下放管柱。 泵内液体经单流阀，通过排液孔流入油套环空内， 而砂子和煤粒在储砂管内呈悬浮状态。通过及时的往复上提下放动力油管，井筒内的沉砂和煤粒就会不断进入到储砂管内。

若钻头接触板结的砂面或粒度大的煤块， 则捞砂无进尺，可用井口液压钳旋转井口动力油管柱，从而将扭矩传递给井下的六方活塞拉杆和六方传动螺母，再传递给储砂管，最后传递给钻头，钻松板结的砂面和钻碎较大的煤粒后，再捞进储砂管内。在旋转管柱时，储砂管内呈悬浮状的砂粒和煤粒开始下沉，大部分被内沉砂杯捕获， 少部分沉降后压覆在翻板之上，如图3（b）所示。 因此大大减少了压覆在翻板之上的砂粒和煤粒， 当钻进后再次捞砂时翻板能够及时、畅通的打开。

图3 改进的储砂管进砂和内沉砂杯储砂示意图

2 主要技术参数

旋转捞砂泵外径：Φ89 mm、Φ99 mm、Φ110 mm；

旋转捞砂泵行程：3 m；

泵筒长度：3.6 m；

六方活塞杆长度：3 m；

软活塞长度：0.4 m；

动力油管外径：Φ73 mm 加厚油管；

储砂管外径：Φ73 mm 加厚油管， 长度50 m，内部具有分散式内沉砂杯；

钻头外径：Φ95 mm、Φ102 mm、Φ114 mm。

3 使用注意事项

1）套变井、井内有落物井不宜使用旋转捞砂泵。

2）井斜大于30°的煤层气井不宜使用。

3）下井前，对捞砂泵地面试抽，验证抽吸能力。

4）在捞砂无进尺时可采用钻塞方式，钻塞后立即进行捞砂作业。

5）钻进1 个单根后，尽快完成井口接单根。

6）多次捞砂无进尺，需起出管柱检查软活塞，必要时及时更换。

4 现场应用及效益分析

2018 年7 月至9 月，改进了储砂管的旋转捞砂工艺在柿庄煤层气区块应用20 井次，施工有效率达100%，有效地解决了因旋转管柱钻板结的砂面和煤粒时， 储砂管内的砂粒和煤粒沉降后压覆在翻板之上，捞砂时翻板延迟打开和打开程度降低的问题，保证了气井下一步措施的顺利进行。

现场应用表明， 采用改进了储砂管的旋转捞砂工艺进行煤层气井的清砂作业， 在不需要泵车、罐车、 转盘等特殊车辆和设备以及大量冲砂液的条件下，能够快速、高效地完成清理井筒沉砂的工作，与没有使用改进的储砂管相比， 至少减少1 井次的起下管柱作业，节约成本5 000 元。 按照2018 年7 月至9 月实施的20 井次计算， 共计降低作业费用10万元，具有良好的经济效益。

5 结论

1）改进的储砂管结构简单、性能可靠，便于现场的改造使用。

2）改进了储砂管的旋转捞砂工艺能够有效解决因旋转管柱钻板结的砂面和煤粒时， 储砂管内的砂粒和煤粒沉降后压覆在翻板之上， 捞砂时翻板延迟打开和打开程度降低的问题。

3）改进了储砂管的旋转捞砂工艺捞砂成功率高，可大大降低作业成本，具有良好的经济效益。