[科普中国]-出砂油井抽油工艺技术

出砂油井生产特征及砂卡机理分析

油田长期进行注水开发, 原来不出砂或出砂少的油层, 由于受到流体的长期冲刷, 胶结物剥蚀严重, 出砂日趋严重而普遍, 同时随着出砂油藏储量动用程度和采油速度的不断提高,出砂油井井数也不断增多, 因此, 导致整个油田出砂状况不断恶化。油井严重出砂不仅使抽油泵的关键部件磨损过早失效, 而且因砂卡、砂磨、泵漏造成油井停产。

常规泵不适应于油井含砂的结构主要在柱塞上下两端( 上端结构见图 )。由于柱塞上下两端( 长约50 mm) 均比中间密封体在直径方向上小0 . 5 mm 左右, 形成一个台阶,这就从结构上提供了砂粒存留的环境。柱塞上行时, 柱塞上部的压力大于下部的压力, 携砂的井液在压差作用下沿柱塞与泵筒的密封间隙下行, 粒径较大的砂粒被滞留在柱塞的端部与泵筒的环形间隙之间。

上行时, 由于柱塞两端导向锥面的存在, 柱塞将挤压砂粒上行, 在柱塞的挤压作用下, 不仅使砂粒与泵筒之间的摩擦力增大, 而且砂粒同样对柱塞泵筒产生磨损, 使柱塞端部倒向锥面的角度θ发生改变。这样, 一方面必将对泵筒产生磨损, 造成泵筒的早期磨损失效; 另一方面, 当砂粒与泵筒内表面的摩擦系数u 和柱塞的导向锥面角θ满足下式时, 砂粒与泵筒之间的摩擦力大于柱塞上行力, 将出现砂卡柱塞现象。

柱塞下端的磨损及下行时遇阻情况, 其原理与上行过程相类似。

为了提高抽油泵的使用寿命, 减少因油井出砂造成的检泵作业次数, 采油工艺研究院研制成功了长柱塞防砂泵和等径柱塞抽油泵。1

长柱塞防砂泵结构长柱塞式防砂抽油泵采用长柱塞、短泵筒及泵下沉砂、侧向进油结构。主要由: 长柱塞、短泵筒、双通接头、沉砂外筒、进出油阀、水力连通式泵挡砂圈等零部件组成（右图）。

其防砂卡、砂磨的工作原理就是借助挡砂圈及漏失液的共同作用, 阻止砂粒进入柱塞与泵筒之间的密封间隙, 从而杜绝了砂卡、减轻了泵筒与柱塞的磨损, 使表面强化层得以保护。当油井停抽时, 下沉的砂粒又会沿沉砂环空沉入泵下尾管, 不会像常规泵那样在泵上聚积, 避免了砂埋抽油杆。

特点长柱塞式防砂抽油泵具有以下性能特点:

① 防砂埋、防砂卡、防砂磨、耐腐蚀。该泵能防止在停泵时砂埋抽油杆,在工作时防止砂卡柱塞, 特别是能有效地防止砂粒进入柱塞与泵筒之间的密封间隙, 造成对泵筒及柱塞的强烈磨损。由于磨损减轻, 柱塞及泵筒的表面强化层不易被破坏, 保证基体不会直接与腐蚀介质接触, 故采用同样的表面处理工艺,其耐腐蚀性能要优于常规泵。

② 寿命长。在含砂油井上使用的抽油泵, 其损坏形式均为阀或间隙漏失过大的主要原因,该泵能有效地防止砂磨, 减轻腐蚀, 故泵的使用寿命将大大延长。

③减轻杆管偏磨。由于该泵出油阻力小, 下行时无阻卡, 故下部杆柱不易弯曲, 杆管偏磨现象得到改善。

④ 使用维修方便。该泵使用过程中无特殊要求, 所有的阀及阀罩均采用标准件, 拆装也十分方便, 各采油厂的工具队均有能力维修。1

应用情况长柱塞防砂泵自1996 年7 月开始应用以来, 先后在胜利油区、中原油田及青海油田的各类出砂抽油井上推广应用1600 多台。防砂卡、防砂埋的成功率均为100% , 与常规泵相比, 平均泵效提高10%以上, 且保持高泵效的生产时间长。

典型井例: 胜坨油39221 井。该井上次作业原因是泵漏。该井原用常规泵生产, 开井仅6 个月泵效就由71 . 1%下降为33 . 8%。起出管柱后, 可见柱塞两端10 cm 段有明显划痕, 下部接箍均有磨损痕迹, 其中第7、10、11、14、17、20 根杆的接箍磨至与墩粗处平, 甚至磨穿。1999 年7 月22 日, 改下长柱塞防砂泵, 配合等直径加重杆, 并进行了杆柱优化设计, 该井正常生产了347 天, 最终于2000 年7 月3 日因出砂多停井作业, 泵效平均为63 . 8% , 且泵效下降趋势较常规泵平缓。

改进型长柱塞防砂泵(1) 改进型长柱塞防砂泵结构特点。原长柱塞防砂泵具有两大特点: 一是设计有环空沉砂装置; 二是设计有长柱塞短泵筒一对合理的摩擦副, 所以在应用中有效延长了油井的免修期。但该泵设计为侧向进油, 且泵的外径较大(114 mm) , 往往在该部位形成砂桥,砂卡泵及尾管。1999 年有7 口井解卡作业, 一口井交大修。因此东辛采油厂对该泵结构进行了技术改进。

(2) 改进型长柱塞防砂泵工作原理。下行程时, 柱塞上部的浮砂一部分被排到地面,一部分通过外管与泵筒之间的环空沉砂通道沉到下部沉砂环空中。由于进油通道由侧向改为底部进油, 防止了浮砂卡管、卡泵事故的发生, 延长生产周期。1

等径柱塞抽油泵原理等径柱塞抽油泵是常规抽油泵的一种替代产品, 该抽油泵通过对常规抽油泵在结构上进行优化改进, 不仅能提供常规抽油泵所具有的一切特点, 而且能有效防止出砂油井中砂卡柱塞、砂磨柱塞泵筒等现象的发生, 大大减缓柱塞与泵筒间的磨损, 延长出砂油井生产周期。

针对常规抽油泵结构上不适应于出砂油井的缺点, 创新设计的等径柱塞抽油泵( 结构示意图见图) , 采用了独创的等径刮砂柱塞结构, 从根本上消除了砂卡、砂磨柱塞泵筒的存砂环境, 并利用柱塞与液流之间的相对运动, 使其具备了自冲洗特性。

特点该抽油泵的工作原理与常规泵相同, 其独特之处在于:

① 防砂卡、防砂磨特性。

上冲程时, 柱塞上行, 由于刮砂倒角的作用, 可有效地将泵筒内壁附近的砂粒刮落于柱塞空腔内, 消除了普通抽油泵存在的柱塞与泵筒之间由于砂粒的压实作用形成的硬性挤压摩擦力, 所以能有效防止砂卡柱塞。并且由于砂粒进入抽油泵密封副的几率减小, 磨损减小, 所以, 能最大限度地延长柱塞、泵筒的使用寿命, 延长油井的生产周期。

②自冲洗特性。

下冲程时, 不仅具有下行刮砂作用, 而且随柱塞下行, 相对于柱塞运动, 排出的井液能将积存于柱塞排液口附近的少量的砂粒冲刷干净, 以便在下一次上冲程时保证柱塞工作于最佳的清洁环境,起到自动冲洗砂粒, 防止砂卡柱塞的作用。

③价格低, 效率高。

与常规泵相比, 等径柱塞抽油泵由于其加工成本未增加, 所以,能以常规抽油泵的价格, 获得比常规抽油泵有效延长油井生产周期的效用。在生产中节省大量的油井生产材料费用和作业费用,有效降低生产成本。[1]

应用等径柱塞抽油泵自1999 年5 月进入现场推广应用以来, 一年多的时间里, 在胜利油区, 及华北、辽河等油田已推广应用从44～95 各种规格及冲程的等径柱塞抽油泵1000 余台。主要用于各类中低含砂油井、长期停产井及新投井中, 以及与各种井下防砂措施配套应用。

其效果主要表现在:

①防砂卡效果好: 如现河采油厂的王3􊄮14 井, 在应用等径柱塞抽油泵之前, 下常规泵仅生产4 天即发生光杆卡停, 下等径柱塞抽油泵后, 正常生产三个月, 泵效为63 . 8%。

② 防砂磨效果好: 据统计应用于出砂油井时, 高泵效生产周期长, 平均提高泵效8%～10% , 延长生产周期2～3倍。如现河采油厂的C13-304 井, 作业时发现泵上一根油管砂埋, 且油井含气量较大。应用等径柱塞抽油泵后, 生产一年以上, 保持良好的生产效果, 泵效一直维持在70%。

③具有明显的防柱塞上接头断脱效果: 在所下的1000 余口井中, 未出现一台泵因柱塞上接头断脱而作业的, 与常规泵相比, 具有明显的优势。1

排砂采油工艺技术由于油井含水的升高, 油藏出砂对井筒内的各装置造成极大的伤害, 油田科技人员和现场工程技术人员长期投入巨大的精力, 花费巨额资金采用各种防砂或改进工具结构等办法去治理这种伤害, 但在治理的同时又损害了近井地带的油层物性, 降低了近井地带油层的渗透率, 影响了油井产量, 使得疏松砂岩油藏这种高效资源的开采变成低效、甚至无法开采利用。

排砂采油工艺技术的原理。井下排砂采油装置工作原理图见图。该项工艺技术是以高压水为动力液驱动井下排砂采油装置工作, 以动力液和采出液之间的能量转换达到排砂采油的目的。动力液在喷嘴处由高压头转变位高速头,

喷射液流将地层流体携地层砂从汇集室吸入喉管, 在喉管内形成混合液, 地层流体由动力液获得充分的能量, 由此混合液由速度头转变为压力头, 将地层流体( 包括地层油、水、砂及其他)排至地面。由于井下排砂采油装置的尾管处于油层下部, 地层流体携地层砂能够及时地进入尾管, 而不会滞留于尾管周围, 从而始终保证地层流体进入尾管畅通无阻。在地层液体被举升的过程中, 由于排砂采油装置能阻止地层砂下沉, 从而保证了地层流体顺利地排至地面。

排砂采油工艺特点该项工艺技术是在对国内外水力喷射泵采油工艺进行认真分析研究的基础上, 形成的一种新型的排砂采油工艺技术。它与原水力喷射泵采油工艺既有着本质的区别, 又具有独到的优越性。

该工艺技术具有很强的携砂排砂能力。在地层流体被举升的过程中, 由于排砂采油装置的特殊结构, 使地层液体从进入尾管开始, 在井筒内的任何部位其上升速度都大于砂子沉降速度的两倍。所以, 它具有阻止地层砂下沉的功能, 顺利排至地面, 原水力喷射泵则不能。由于原水力喷射泵携砂能力差, 其在泵下安装的封隔器不可避免地被砂埋甚至损坏。

该项工艺技术井下不设封隔器, 可正常录取套压、动液面等油静动态资料, 以便及时掌握井下工况, 及时进行分析、应对, 而原水力喷射泵采油工艺因设有封隔器而无法进行上述工作。

该工艺技术的尾管下至油层下部, 使地层出砂全部随采出液排至地面, 不会造成沙埋油层。

该项工艺技术所设井口及井下排砂采油装置结构设计科学合理, 无运行件, 现场检泵只需更换喷嘴、喉管及一个密封环三个部件, 从而大大减少了维修工作量, 使维护费用降至最低。

由于该工艺技术井壁无遮挡, 油层近井地带的流砂和堵塞物随地层流体涌入井筒, 从而很好地疏通油层和炮眼, 解除了堵塞, 恢复并提高了地层原有的渗透性, 使油井产量得到大幅度提高。

该项工艺技术对油层无污染、无堵塞性伤害, 采用动力液起下泵, 调整工作参数方便, 施工作业简便可靠, 施工费用低, 油井免修期长, 具有良好的综合经济效益。1

工艺条件及适应范围①该项工艺技术其设备由三部分组成: 即针对排砂采油设计的专用井口, 满足工艺要求的井下双管柱排砂采油装置和特殊结构的水力喷射泵。从井下到地面, 整套系统运行平稳, 工作可靠, 现场管理方便。

②该项工艺技术适用于各类出砂油藏, 对于油层胶结物极少, 地层砂近似为流砂, 出砂极其严重的井以及地层亏空极为严重到上覆盖层即将被破坏的井, 需进行油层充填作业、以补充地层上覆盖层的支撑力,充填砂粒径可放大到足以使地层分析砂流出, 然后在采用本工艺技术进行排砂采油。

③因机械防砂造成产量损失严重, 甚至无产量的油井, 可起出防砂管柱, 再采用本项工艺技术进行生产。

④改性工艺技术适用于115 mm (含115 mm) 以上的各种规格套管完井的直井和斜井(115 mm 套管使用同心管柱) , 其井深在2000 m 以内, 且套管无破裂、无错断、无严重变形。1