水平井修井作业井筒清洁技术研究及高效清砂工具设计

一、引言

水平井在油气开采中展现出诸多优势，如增大油层裸露面积、提高油气产量等。但在长期生产过程中，井筒内会出现砂粒沉积等问题，严重影响油井的正常生产。井筒清洁是水平井修井作业中的重要环节，有效的清洁技术和工具对于保障油井产能、延长油井寿命至关重要。目前，水平井井筒清洁面临诸多挑战，传统的清洁技术在实际应用中暴露出一些不足，因此，研究新型的井筒清洁技术及设计高效清砂工具具有重要的现实意义。

二、水平井修井作业井筒清洁技术研究

2.1 水平井冲砂难点分析

2.1.1 砂粒沉降规律

在水平井中，冲砂液上返流动方向与砂粒自由沉降方向近乎垂直。当冲砂液粘度较低时，对砂粒的悬浮能力不足，井底被冲起的砂粒在短距离运移后便会再次沉积，形成砂丘或砂床。砂粒在沉降过程中，由于其形状不规则，阻力系数比规则颗粒大，且伴有水平方向的漂移运动，这使得砂粒的沉降末速小于规则颗粒。例如，产层产出的地层砂大多形状不规则，在相同条件下，其沉降末速比压裂充填的石英砂要小。同时，砂粒在流动液体中的沉降速度受粒径大小、形状、液体流速、液体粘度等多种因素影响。

2.1.2 影响冲砂效果的因素

冲砂液的性能是影响冲砂效果的关键因素之一。冲砂液粘度越大，砂粒沉降速度越慢，形成二次沉砂及砂床的时间延长。但粘度增加也会导致循环阻力加大，循环泵压升高，对地面设备要求更高。提高冲砂液排量虽能缩短砂粒在井筒中的返出时间，但并不能明显提高携砂能力。部分水平井能量不足，高排量会使井底压力升高导致漏失，低排量则难以将砂粒返出地面，既无法完成冲砂，又会污染地层。此外，井筒斜度大，沉砂在运动过程中的垂直下落距离短，在重力作用下，一旦上返速度达不到要求或循环不充分，砂粒很快就会紧贴套管壁堆积，容易引发砂埋卡钻或粘附卡钻等问题。

2.2 提高冲砂效果的技术途径

2.2.1 优化冲砂液性能

通过对比 HPAM（聚丙烯酰胺）、CMC、胍胶等高分子化合物的增粘效果与使用浓度的关系，筛选出 HPAM 和胍胶作为增粘剂效果较好。冲砂液粘度越高，其携砂能力越强，但需综合考虑循环阻力等因素。地层砂粒径一般在 2mm 以下，根据计算，当下沉速度小于 1m/min 时，携砂液的粘度不低于 68mpa.s。因此，选取 0.3-0.4% 的HPAM 可满足冲砂要求。对于严重漏失的井，可加入 1%-1.5% 、粒径控制在 20 - 40 目左右的暂堵剂。现场推荐携砂液配方为：非漏失井采用 0.3‰ HPAM + 清水；漏失井采用 0.3-0.4%HPAM+1% 暂堵剂 + 清水。

2.2.2 改进冲砂工艺

采用连续冲砂技术，利用井口连续冲砂换向工具或连续油管操作，实现不停泵连续作业。连续冲砂技术包括 “油管连续冲砂工艺” 和 “连续油管冲砂工艺”。“油管连续冲砂工艺” 又有 “地面换向连续冲砂技术”“套管内换向连续冲砂技术”“旋流工具连续冲砂工艺技术” 等。这些工艺通过不同的方式实现连续循环，避免了因停泵造成的沉砂卡钻，有效提高了冲砂效率和安全性。

三、高效清砂工具设计

3.1 工具结构设计

设计的高效清砂工具主要由冲砂喷嘴、换向机构、连接部件等组成。冲砂喷嘴采用特殊的结构设计，能够产生高速高压的射流，对砂床和砂堵进行高效冲击破碎。换向机构可实现井下工作模式的切换，满足不同冲砂阶段的需求。连接部件确保工具各部分之间的稳定连接，同时便于与井下管柱进行连接安装。例如，冲砂喷嘴采用耐磨材料制成，其内部流道经过优化设计，可使冲砂液在喷嘴出口处形成高速射流，提高对砂粒的冲击力。换向机构采用可靠的机械结构，能够在井下复杂环境中稳定工作，实现冲砂模式的灵活切换。

3.2 工作原理

在冲砂作业时，首先通过井口设备将清砂工具下入到井筒中的预定位置。当工具到达砂堵位置后，开启冲砂液泵，冲砂液通过工具内部的流道进入冲砂喷嘴。冲砂喷嘴将冲砂液加速形成高速高压射流，对砂床和砂堵进行轴向和径向的冲击，将砂块和岩块破碎。在需要改变冲砂模式时，通过换向机构切换流道，使冲砂液以大排量进行环空冲洗，将破碎后的砂粒迅速带出井筒，实现井筒的高效清洁。例如，在初始冲砂阶段，利用冲砂喷嘴的高速射流对砂堵进行冲击破碎；当砂堵被初步破碎后，通过换向机构切换至环空冲洗模式，利用大排量冲砂液将破碎的砂粒快速返排至地面。

3.3 性能优势

该高效清砂工具具有高效破碎和强力返排的双重优势。在破碎方面，特殊设计的冲砂喷嘴能够产生强大的冲击力，有效破碎砂桥和砂塞，提高冲砂效率。在返排方面，通过换向机构实现的大排量环空冲洗，能够确保冲碎的砂粒及时被带出井筒，避免二次沉积。工具采用耐冲蚀、耐腐材料制成，能够适应井下复杂的工况环境，延长工具使用寿命。工具的换向机构可靠，可无限次实现井下工作模式的切换，满足不同水平井冲砂作业的需求。

四、结论

水平井修井作业中的井筒清洁技术对于保障油井的正常生产和提高油气采收率具有重要意义。通过对水平井冲砂难点的分析，采取优化冲砂液性能和改进冲砂工艺等技术途径，能够有效提高冲砂效果。设计的高效清砂工具，凭借其独特的结构设计和工作原理，具备高效破碎和强力返排的性能优势，为水平井修井作业提供了一种有效的井筒清洁解决方案。

参考文献

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