水平井冲砂洗井技术进展

＊尹兴雨

（西安石油大学化学化工学院 陕西 710065）

20世纪末，随着石油开采量的增加，油田单井产量大幅度提高、原油采收率进一步提升，油田的效益大幅度提升。但开采过程中，油井由于长时间使用，地面产状气压逐渐降低，往往会发生地层出砂的问题。在用砂砾回填过程中，就会发生充填性砂石大量堆积井底的现象。当产出较高时，砂子就会在正常产出的流体中出现漂浮的状况，这就会使采油设备产生很大损坏，在到达地面后就必须对砂体加以剥离与处置，从而提高了生产成本。当产出较低时，砂体会滞留于竖井中产生砂柱、砂床，并阻塞了喷砂射孔段和近地面下沉井壁的地层，使油井井底流体流速与阻力增加，生产率降低，严重时影响正常产出。因此，水平井的冲砂洗井效率直接影响其生产率和开发成本。

1.冲砂方式

冲砂方式主要有正冲砂、反冲砂、正反冲砂和联合冲砂等几种方式[1]。

正冲砂方法在施工中将冲砂液先沿冲砂管方向流淌，最后在冲砂口以较快的速度冲刷油井的井底沉砂，将冲散的砂子砂块和工作液混匀，然后液体沿冲砂管和套环之间的缝隙返回地面。随着砂堵不断被冲开，冲砂管柱的位置逐渐加深。期间需要注意的是在下放过程中速度不宜过快，避免在插入砂堵时引起憋泵。正冲砂的好处是冲砂强度大，缺点是携砂力较弱。大粒砂子不易被带出，并且停泵后砂子会下沉，容易出现卡住的风险。

反冲砂方法为冲砂的工具液沿套管和冲砂管环空间隙流下，直接冲击油井井底的沉砂，当冲散了沉砂之后，工作液与砂子结合相互搅拌，最后再顺着冲砂管回流至地面，这种方法上返过程中速度比较快，能够有效的减少卡砂的问题。但缺点是下行期间速度较低，所以无法解决砂堵严重问题。相比较而言：正冲砂撞击力大，在管柱底部可带动涡轮钻具等冲砂用具工作，较方便的把砂堵冲散，但由于环空横截面大，进而造成液体流动上返流速较小，不利于携砂，若使用不规范，容易引起卡钻。反冲砂环空液流在上返过程中速度较快，对携砂有较好的帮助作用。但由于井口高度不易控制，液流对沉砂的撞击力也相对小，冲砂井内底部并没有装带水动力的涡轮式钻具[2]等冲砂器械。

正反冲砂法具有正冲砂与反冲砂的优势，利用正面冲砂的方法，油井井底的沉砂被沿冲砂管滴下的冲砂液冲散，使用正冲砂的方法与液体搅拌后，用反面冲砂的方法直接将砂子带到地面，而利用正反冲砂法还有另外一个要求就是必须在井口安装管汇，这样就可以在转换冲砂的方法同时快速开关阀门，进而保障冲砂的效率。缺点是管柱不能带水动力涡轮钻具等工具。

2.冲砂洗井技术发展

(1)真空清砂技术

同心连续管真空清砂技术在北美地区最先发展应用是在传统连续管清砂技术上的进一步完善和发展。作为一项新颖的井下作业技术，在面对井下作业出现棘手问题时，能够按需求进行施工，是一种高效的洗井工艺技术。

连续管真空清砂装置由喷射泵与同心连续油管两部分组装而成。其工作机理是井内底部的射流泵在冲砂水流入同心连续管内管后被水利效应激发为工作状态。因此，局部负压在井底形成，抽吸效应使得内管不断的被砂子所填充，然后将冲砂水经过井内自身的环空上返至地面。因为管柱设计的环空空间受到限制，受此影响环空中的液流流速较快，砂子因此会被迅速的带往地面。因此，此技术不仅能做到快速施工，而且还为低压水平井提供了改进的砂清除技术。

(2)密闭连续冲砂洗井技术

密闭连续冲砂洗井技术的原理是环空和油管通过井下换向器被紧密连接到一起，通过改变流通管道使冲砂液能够向下产生有力的冲击，同时向上的返出速度较快，能够将砂粒带到地面，在井口处冲砂液中的砂粒会被去除[3]，为了循环利用，洁净的冲砂液会返回到井中重复作业。泵车需要在这个过程中持续处于工作状态。

(3)连续管冲砂洗井技术

连续管冲砂洗井技术适合大斜度井或者水平井的冲砂施工，通常会加上扶正器或弯曲管柱形体来适应井下复杂的井深轨迹。其优点有：工作效率高[4]，可连续工作；成本低，比常规洗井作业降低近一半；具有很强的抗拉伸性，可下较深的井底；无需把施工井原有管柱起出地面，对底层伤害小，特别适合井眼轨迹复杂的冲砂作业；易于安装，占地面积小作业施工快。

(4)泡沫冲砂洗井技术

在实际的冲砂作业中，以上所描述的洗井技术主要用海水、盐水、地层水、原油和柴油等易获取的方便流体[5]。泡沫流体兼具低密度和高携砂能力的特点，可以作为低密度冲砂液的首选。

泡沫冲砂洗井技术有三个特点：

①在同等条件下，泡沫流体阻力的最大携砂力远高于清水[6]，或者普通冲砂水；

②泡沫流体可通过工具调整泡沫密度，进而改变液柱压力；

③泡沫流体因为具有较强的携砂性，对井壁和管柱上的粘附物有着很好的清理能力。

3.水平井冲砂工具

(1)普通油管旋流连续冲砂工具

普通油管工作原理[7]是让冲砂液在井壁与管柱之间的缝隙通过水眼进入管柱。再通过管柱的独立环空进入喷头。设计冲砂液通过水眼高速喷出，喷头开始转动，最后在井底形成高速旋转。搅动水平井段的沉砂，冲散砂床，保持颗粒不会下沉，保持悬浮，通过上返液流把砂粒带回地面，清理井底[8]。在这个过程中想要保持持续的冲砂就要实现不停泵接单根，这样才能保持颗粒悬浮不下沉，从而避免管柱卡砂事故。水力旋流冲砂器就是为达到此目的所研制出的关键部件。

(2)连续管旋转射流冲砂洗井工具

水平井井身构造也存在一定特点，目前我国国内已普遍使用连续管直接装上螺旋喷流冲砂洗井工具来完成水平井冲砂洗井作业[9]。该工具的主体为螺旋喷嘴，喷头通常布置于前方、侧边和后部。其中，最前端喷头数量通常为1至3个，主要是用于撞击破坏或定向在水平井下部胶结的砂床；侧面或后部的喷头，通常为2至4个。主要是驱使旋转喷头转动[10]，并在竖井环空内形成旋流场，以提高砂子紊流强度，从而降低砂子的沉降速率；而后部喷头产生向后喷流场，驱扫砂床以减少其在竖井内的残留，从而提升驱扫效能。在实际施工中先下冲砂管柱至井段后，下放速度通常小于5m/min，距砂面10m时，停止下放，卸掉自封封井器。连接换向短节（之后的每根油管上都要接，施工前应连接好）及水龙带后，控制排量进行循环，如泵入液量超过井筒液面以上容积1.2～1.5倍时，仍未建立循环，再适当提高排量直至建立循环，正常冲砂过程中泵压应控制在7MPa以内，下钻速度控制在2m/min，并控制排量。设计冲砂至人工井底。达到设计深度后，充分循环洗井，当出口含砂量合格后，上提管柱至水平井段以上，一段时间后再复探砂面，记录深度。若发现冲砂返出物中有固体胶结或垢块，需要进行泄压、拆卸地面管线，起出管柱。

(3)同心连续管真空清砂工具

继连续管螺旋喷流式冲砂洗井技术发展成功以后，国外企业已开始积极发展同心连续性管标准真空清砂工艺技术[11]，以求达到水平井的高效率安全冲砂洗井生产作业。该工艺技术一般涉及同心连续性管和国际标准真空清砂用具。国际标准真空清砂技术工具通过利用焊接接头装于同心连续性管下部，流体参数下由工具喷头高速流出，在部分流体参数上返至井口，而剩下的流体则流向井底[12]。再由文丘里管腔室的功能，逆时针循环系统携带岩屑吸到工具中，再经过同心连续性管的环空上返至井口，完成标准冲砂洗井。

4.水平井冲砂过程常见问题

(1)冲砂过程卡钻

在冲砂中，井内管柱会贴近下沉井壁并经过竖直的放置井，在管柱受“钟摆力”和摩擦力的共同影响下，砂子易卡在竖井成为砂卡，因此冲砂液对砂子的携带效果也会随着黏度的增加而提高。冲砂液黏度增加，水泥层的高度也就会提高，所以当正冲砂段时冲起的砂子在引力作用下沉降，但是由于水平段的空隙比较狭窄[13]，所以砂子就会下沉到近井眼的地方，造成卡钻；而相对来说造斜段就更易产生卡钻，因为当经过造斜段时砂水流动方向会出现变化，动能产生损失，流速和携水的能力减弱，从而影响砂子沉降速率提高，这样就会造成直井段的砂子下沉到造斜段。

冲砂液环空流量偏差过大，也是导致卡钻的另一种主要因素[14]。井围高边油套环空的摩擦力较小，低边的油套环空摩擦力则很大，冲砂液在井围高边速度较高，携砂能力强，但在井围低边速度较低，携砂能力减弱，因此在井围低边产生了大批砂子堆积构成的砂床，导致井内被卡钻[15]。

(2)砂堵或砂卡管柱

定向段水平井在冲砂作业过程中常会出现保持不动的情形。因为砂子在水平阶段时的下沉方位一直指向套管内壁底侧，与冲砂水流的走向几乎呈90°。一旦冲砂液黏度太小或对砂子缺乏充分的悬浮能力[16]，则井底被冲起的砂子在经过短时间移动后，便沉淀下来成为了砂丘（或砂床），从而产生了砂堵或砂卡管柱的现状。此外，一旦油井井底砂子经过长时间积累后，与油井井底的岩石分子融合产生硬质垢块，冲砂水便根本无法将其冲开。而这些状况，仅依靠提高冲砂液的黏度和排量便根部无法扭转。

(3)解决方案

①连续冲砂

为克服冲砂口不连续的问题，可利用“反循环连续冲砂井口”及其相应的换向短节，同时加工出反转角接箍工具油气管道和循环除砂装置。倒角式接箍工具油管可减少油管与套筒之间的磨擦，并防止内燃料管接箍在造斜阶段或水平段时将外套管接箍“咬死”而造成卡钻。

冲砂液可以通过换一个冲砂水循环管道，保证在井中冲砂水不断循环。这套工具有如下优点[17]：A.可以防止由于冲砂水断流而引起的卡砂事件；B.反循环法冲砂可以保持砂子一直在油管内运动，没有由于二次沉降产生钻具卡钻；C.环空横截面等于油气管内横截面，悬砂力强，增加了冲砂效果。

②改善冲砂液配方

为减少冲砂水的漏掉率，并提高携砂能力，可将冲砂水由活性用水改变为瓜胶水。但因为冲砂水的黏度越高，携砂能力也越高，所以优先采用浓度较低且带有较高黏性的增黏剂。由于黏性加大，循环阻力也加大，因而造成循环泵压力加大，也加大了对地面设备的需求。

③改进水平井冲砂工具

研究冲砂工具的重要目的是为了尽可能破碎砂床[18]，并增加冲砂液的上返流速，以避免砂子二次沉降，从而使管柱和井筒井壁之间的碰撞减至最小化。

冲砂工具有以下特性：A.工具的特殊构造使它在碰到坚硬砂堆、砂桥、垢块等时，能够利用在活动井内有效地破坏砂堆、砂桥、垢块等，将其溶解而冲出竖井；B.在工具侧面开窗多个水眼，使工具在流入砂体后，不会因混凝土车的憋泵造成泵压上升，进而减少了地层的泄露危险性。冲砂井内的密封胶粘剂皮限压为7MPa，对其密闭特性具有良好的保障效果；C.超过水眼尺寸的石屑、胶皮、垢块等杂质根本无法流入返液油气管道，因此能够很好地解决了换向短接水眼过小的实际问题；D.水眼大小可以明显降低冲砂液在隧道变径处的节流效果，进而降低了由于节流能力损失使泵道压力增大，所造成的岩石地层漏掉。

5.结束语

冲砂洗井在实际生产中会直接增加其产能，并且降低开采成本。冲砂洗井的方式很多，但各种方式的特点不同，需要根据实际情况来选择洗井方式。在施工过程中会出现很多的问题，有些问题不及时做出措施处理会直接影响产量效益，比如常见的卡钻和砂堵。根据出现问题情况类型与严重程度，选择相对应的措施能够及时提高水平井的冲砂洗井效率，从而更好地满足油田开发的需要。