春光油田稀油防砂举升工艺技术研究与应用

吴庭文

（中国石化河南油田分公司新疆采油厂，新疆巴州 841400）

春光油田稀油区块稀油井的开采具有两大难点：一是举升工艺管柱目前主要采用普通管式抽油泵进行举升，对稀油本身具有很好的适应性，但在出砂井举升过程中易造成砂粒卡泵及凡尔漏失等问题的发生，最终导致检泵作业；2013 年因出砂造成的泵阀漏失、管杆柱卡等检泵作业11 口井，严重降低了油井的开采效率；二是举升工艺参数目前仍采用笼统的抽油泵工作制度进行举升，具有一定的盲目性，排砂效果差，容易造成砂粒无法有效排出井筒而在生产管柱中堆积，最终导致管柱及配套工具失效而检泵。因此，常规的举升工艺管柱及举升工艺参数不能满足稀油区块举升需要。为了解决这一问题，本文研究应用了一种能够在易出砂稀油井中实现高效采油的举升工艺技术。

1 关键技术

目前采用的抽油泵没有防砂功能，砂粒易沉积于泵间隙、泵阀及泵上油管，引起泵漏失及管杆柱卡滞，造成检泵。防砂举升参数笼统，没有科学的排砂工作制度，排砂效果亟待提高。

针对这些问题的解决方案主要有：①长柱塞与短泵筒密封挡砂，泵筒上、下部设计刮砂角实现刮砂，双通芯桥式机构建立进液通道及沉砂通道，确保二者有效分离而互不干扰，实现泵下接尾管沉砂；②采取一井一策，利用数学模型，结合油井产液能力，准确计算出携砂举升临界冲次，调整工作制度，实现有效携砂。

2 稀油防砂举升工艺技术

2.1 稀油防砂举升工艺管柱

2.1.1 管柱组成及结构

如图1 所示，稀油防砂单开工艺管柱主要由油管、防砂抽油泵、沉砂尾管、丝堵等组成[1]。该举升工艺管柱的技术核心为长柱塞防砂抽油泵[2–6]，如图2 所示，其结构主要由游动阀球、导向扶正环、短泵筒、长柱塞、固定阀球、双通芯及丝堵等组成。

图1 稀油防砂举升工艺管柱

图2 长柱塞防砂抽油泵结构

2.1.2 工艺原理

防砂举升工艺原理包括：①采油原理：长柱塞防砂抽油泵上冲程时，柱塞上行，泵腔体积增大，压力降低，此时游动阀球关闭，固定阀球开启，泵腔进液，井口排液；长柱塞防砂抽油泵下冲程时，柱塞下行，泵腔体积减小，压力增大，此时游动阀球开启，固定阀球关闭，泵腔排液。②防砂原理：长柱塞防砂抽油泵的长柱塞始终外露于短泵筒，沉降的砂粒无法进入抽油泵的间隙及泵腔，只能由长柱塞防砂抽油泵的双通芯沉入泵下尾管。当外露于短泵筒的长柱塞表面附着砂粒等杂质时，抽油泵柱塞在抽汲过程中的往复运动及短泵筒上设计的刮砂角可自动刮削清理。依据油井产状，可确定携砂举升临界冲次，在达到临界冲次的条件下进行举升，从而确保举升过程中有效携砂。

2.1.3 技术指标

根据现场生产需求，长柱塞防砂抽油泵主要规格及参数见表1。

表1 长柱塞防砂抽油泵主要规格及参数

2.2 稀油防砂举升工艺参数

为获得最大经济效益，采用防砂与携砂相结合的生产工艺，可降低成本但也存在一定的风险。评价产出砂粒能否被携带出井筒是此种工艺风险性研究的重要内容，产出的砂粒应被携带到地面而非沉积到井底。油井必须保持一定的产液速度，才能使砂粒搬运能量克服其沉积能量而被携带出来。因此，砂粒的最小携砂速度是重要的设计参数[7–9]。

2.2.1 砂粒沉降速度

单分散球形颗粒在牛顿流体均匀介质中的沉降规律基本符合斯托克斯方程，其公式为：

式中：sV 为颗粒沉降速度，m/s；d 为颗粒直径，mm；Sρ 、Lρ 分别为颗粒、流体的密度，kg/m3；μ为流体黏度，mPa·s；g 为重力加速度，m/s2。

2.2.2 最小携砂速度

首先计算固体雷诺数大小，按照雷诺数的范围将颗粒沉降划分为层流、过渡流、紊流三个阶段，再依据不同沉降区理论公式，计算得到最小携砂速度。固体雷诺数的计算式为：

当 tRe ＜2 时，为层流沉降区，颗粒的最小携砂速度为：

当2≤tRe ＜500 时，为过渡流沉降区，颗粒的最小携砂速度为：

当500≤tRe ＜200 000 时，为紊流沉降区，颗粒的最小携砂速度为：

式中：tRe 为固体雷诺数，无量纲；cV 为最小携砂速度，m/s。

根据春光油田生产参数，计算出固体雷诺数为0.25，颗粒沉降属于层流阶段，再将计算结果代入式（3），计算出球形颗粒最小携砂速度为6.68×10–3m/s。

井筒最小携砂速度的一般计算方法，需对颗粒自由沉降末速附加一个固定的修正系数。

固定修正系数计算式为：

式中：a 为固定修正系数，无量纲。

实际最小携砂速度为：

根据式（7），计算出春光油田实际最小携砂速度为38.12×10–3m/s。

2.2.3 携砂举升临界产液量

根据附加修正系数法所计算的实际最小携砂速度，计算机抽井临界携砂产液量如下：

式中：Q 为日均产液量，m3；t 为日均实际生产时间，s。

根据式（8），计算得到春光油田稀油井机抽单井日均产液量为6.89 m3，而稀油井机抽单井实际日均产液量为20.00 m3，其产液量符合携砂举升要求。

2.2.4 携砂举升临界冲次

携砂举升临界冲次值计算式为：

式中：LJN 为抽油泵举升的临界冲次，min-1；S 为泵冲程，m；K 为泵常数，无因次；η 为平均泵效，%。

通过对2014 年机抽井生产情况的统计，计算出两种不同泵径下的携砂举升临界冲次值，如表2 所示，可以看出，采用φ44 mm 抽油泵举升时，携砂举升冲次应不低于2.09 min-1；采用φ56 mm 抽油泵举升时，携砂举升冲次应不低于0.97 min-1。

表2 采用两种抽油泵泵径机抽井总体生产情况

3 现场效果

2016 年，长柱塞防砂抽油泵先后在春63 井、春72 井及排19–2 井进行了现场应用，有效率达100%。实施后平均检泵周期为210 d，实施前为165 d，平均检泵周期延长了45 d，实现了稀油出砂井检泵周期延长的目的（表3）。

表3 长柱塞防砂抽油泵应用井生产效果对比

4 结论

（1）研制的稀油防砂举升工艺管柱及配套工具，集挡砂、刮砂、沉砂功能于一体，具有良好的防砂效果，能够实现稀油出砂井高效举升。

（2）优化设计举升工艺参数，确定合理的举升工作制度，能提高举升工艺管柱的携砂能力。