王 涛,王朝阳,王 鹏
(渤海石油装备(天津)中成机械制造有限公司,天津 300280)
石油开采依赖特种采油设备将其从地层深处举升至地面,目前所使用的举升设备包括有杆采油系统与无杆采油系统。油井的生产情况复杂多变,面临的问题层出不穷,油井的出砂问题与防砂手段如影随形,总有解决不完的出砂油井。生产商通过对设备的改进与优化,在个别含砂量的少的油井中起到一定效果,检泵周期有所延长,但是对于出砂量大、井液质量差、出液不连续的油井,采油设备同样面临出砂问题的困扰。防止砂粒进泵或少进泵,是防砂工艺研究和钻研的目的,也是延长检泵周期的重要一环。
石油开采过程中,砂粒进泵后,不仅使得采油液含砂量增大,而且也容易使设备因砂粒的存在造成卡泵,不仅影响油井采油的效率,同时会使修井作业费、设备更换费、人工维护成本增加。油井中砂的来源一般有两种,一种是地层出砂,原油在流出地层时本身携带一部分砂粒;另一种是由压裂砂引起的,砂粒的大小及含量主要取决于井液的含砂情况(图1)。
图1 压裂天然石英砂粒径规格及试验标准筛组合
本文介绍的防砂工具由堵头、精密防砂筛管、双皮碗封隔器、眼管组合而成,部件间采用油管专用螺纹连接,牢固可靠(图2)。双皮碗封隔器与套管形成过盈配合,封隔器以下封隔原始井液,封隔器以上为处理后含砂量少的洁净井液。
图2 防砂工具井下管柱组合
防砂原理为:井液的流通渠道为井底→精密防砂筛管(筛管底部用堵头密封)→双皮碗封隔器内部→打孔管流出→油套管环空空间→泵体→生产管线。
其中,精密防砂筛管由基管、支撑泄流层、过滤介质和外护管构成,经过筛管处理后井液变成洁净的液体,再通过井皮碗封隔器内部后由眼管释放出来,供液稳定,供采油设备平稳汲取。
精密防砂筛管由基管全焊式绕丝筛管、过滤介质、支撑环组成,基管采用符合API(American Petroleum Institute,美国石油协会)标准的油管钻孔而成,全焊式绕丝筛管通过支撑环与基焊为一体(图3)。它应用特制梯形(楔形)丝绕组在呈圆周式排列的一组纵向支撑杆上焊制而成,可广泛应用于油、气、水井防砂。全焊式焊接保证了产品严格的连续整体性,从而使其形成理想的缝隙尺寸,具有管面光滑、无生产棱角、无毛刺、缝隙均匀不漏脂的特点。
图3 筛管实物
精密筛管自清洁的原理为:当储层随流体产出后,悬持在过滤介质中,而不会在筛管表面形成堵塞,使油气井在无压力损失的状态下生产。当砂粒在过滤介质中达到饱和后,后续的储层砂也会聚集在筛管表面,使筛管内外形成压差,压差推动过滤介质向内侧蠕动,从而破坏已经形成的堵塞,即“砂粒聚集—形成压差—过滤介质蠕动—破坏堵塞—压差减小—形成堵塞—建立新压差—过滤介质”的过程,堵塞层不断遭到破坏,同时再次蠕动—再次破坏阻塞。这个周期周而复始,过滤介质也在这个过程中保持自洁。
精密筛管的性能特点主要有3 个:
(1)梯形(楔形)丝的应用,使筛管跟筛板缝隙间形成V 形开口。该设计过滤精度面积更为精密比其他形式产品运作更高效,能起到更好的防砂作用(图4)。
图4 常见丝形
(2)更高的过滤精度。梯形(楔形)丝持续绕组在呈圆周式排列的支撑杆上形成持续的高密度均匀缝隙,保证了筛网的开口面积百分比和无堵塞性,避免沉淀物的高密度堆积造成的阻塞,从而为提高生产效率或延长水井的使用寿命提供保证。
(3)绕丝与所有纵向支撑杆之间均通过电焊连接组合,结实耐用,工作寿命周期更长久。
绕丝筛管挡砂精度为70~1000 μm,具体精度、整体长度及单段有效过滤长度可以根据用户要求来确定,相关技术参数如表1 所示。
表1 绕丝筛管技术参数mm
在投产过程中防砂,封隔器为采油设备在井筒内提供一个相对稳定的供液环境,增强泵的工作的稳定性,增长设备在井下的使用寿命。双皮碗封隔器是一种简单、实用、防砂效果好的完井投产封隔器,是在地层产能较低的生产井配合采油泵、筛管、防砂筛管等工具进行投产。本文提供的皮碗式封隔器是一种靠皮碗与套管的过盈量,以及井内压差密封油套环空的自封式封隔器(图5)。该自封式皮碗封隔器的规格型号为Z331-131,执行SY/T 5106—1998《油气田用封隔器通用技术条件》标准,相关技术参数见表2。
表2 自封式皮碗封隔器技术参数
图5 碗封隔器实物
本文介绍的泵下防砂工具可提升采油设备对含砂井液的适应能力,具有以下优势(图6):
图6 防砂工具管柱组合结构
(1)不必独立作业,随采油设备一起下入泵挂处,减少油井的投资。
(2)为采油设备在井筒内提供一个相对稳定的供液环境,增强设备的工作的稳定性,延长其使用寿命。
(3)可修复率高,重复利用率大,是一种成本低廉的防砂工具。
(4)可实现油管到套管反洗井的解堵功能,减少因砂卡设备而引起的问题,这也是与类似产品最大的不同。
防砂工具不仅适用于潜油电泵、螺杆泵、柱塞泵等无杆泵系统,在抽油机等机采设备中也均可使用。其适用于范围包含试油、采油、找水、酸化、防砂、洗井等工艺。
针对新投压裂井,因入地砂量的不同可以选择不同配比的精密筛管,达到防砂、滤砂的目的。目前已在长庆油田、新疆油田、中石化西北局、大港油田等国内油田的压裂新井施工近百井次,较好地解决了地层出砂的难题,大大延长检泵周期,修复性能强,可重复利用率高,得到各油田的认可。同时陆续应用在一些出砂量较大的老井,防止砂、杂质进泵的成效显著,检泵周期有所延长。其还可用于储层砂粒度中值d50(一个样品的累计质量分数50%对应的粒径)大于80 μm 的井中,在稠油、细粉砂和黏土含量高的井中使用时防砂效果更加明显。通过系列化的设计,该装置可以满足不同井况对防砂工具的要求,推广与应用市场广阔。