冲砂工艺技术

一、概
地层出砂规律
述
1、未胶结地层：未胶结地层中没有有效的胶结物，地层的聚集主 要依靠很小的流体束缚力及周围环境圈闭的压实力。这类地层一旦 开井投产便立即开始长时间连续出砂，且地层产出液含砂量基本保 持稳定。尽管累积出砂量越来越大，但套管周围不会出现地层空穴， 只是地层越来越疏松。 2、弱胶结地层：弱胶结地层胶结物数量少，胶结力弱，地层强度 较低。油水井投产后，炮孔附近地层砂砾逐渐剥落，进而发展形成 洞穴。如不及早加以控制，极易造成油层砂埋、油管砂堵及渗透率 降低、产量下降。这类地层产出液含砂量变化较大，甚至每天都不 一样，时多时少。 随着产层压力递减，作用在承载骨架颗粒上的负荷逐渐增加， 出砂情况会日趋严重。任其发展，有可能造成地层坍塌、盖层下沉、 套管损坏、油水井报废的严重后果。
少，而且泥质较多。
一、概
述
（一）井筒沉砂原因
（2）当其他条件相同时，渗透率越高，岩石强度越低，地层越容 易出砂；
（3）地层构造变化引起出砂；
（4）地层在构造上发生急剧变化的区域，例如在断层多、裂缝发
育、地层倾角大及边水活跃的地区，由于地层岩石原始应力状态被复
杂化，极易引起地层出砂。
一、概
2、开发因素
三、斜井冲砂技术
在有一定斜度的井内，砂粒在水流里受力是不平衡的，水 平方向和垂直方向均有分力，所以砂粒在井筒内部的轨迹与合 力的方向一样也是不一定的；随着角度减小，水平方向的 分力在逐步增大，狭小空间内，很容易造成砂粒的堆积，形成 砂桥或砂堵，堵塞油管或砂埋油管。 所以在斜井中冲砂，一般采用反循环冲砂。 在斜井中冲砂时的下放速度一定要慢，排量尽可能增大， 以便增大砂粒的上返速度，避免砂粒堆积。
二、直井冲砂技术
3、正冲反洗冲砂：
（1）先用正冲的方式冲散沉砂，使其呈悬浮状态，随即 改用反冲砂，将砂粒携带到地面的方式。
（2）正反冲砂可以提高冲砂效率。正反冲砂时，必须接
总机关，以便使倒换冲砂方式方便，迅速。
二、直井冲砂技术
4、气化液冲砂： （1）采用泵车泵出的冲砂液和压风机压出的气混合而成的混 合液进行冲砂的方式。 （2）在一些地层压力低的井中，冲砂时往往由于液柱压力过
一、概
3、脆性砂、砾岩层
述
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脆性砂、砾岩层易碎，但有较多的胶结物，中等胶结强 度。地层流体产出时，能把地层面上的砂砾逐渐冲刷下来。 这类地层开始投产时出砂一段时间，忽然出砂量大减，甚至 无砂产生，此时，产量有可能会上升，但到一定时候有可能 重新出砂。这种规律是因为在出砂过程中套管外部冲蚀空穴 突然增大，过流面积成倍增加，使地层流体的流速大幅度下 降，致使出砂量明显下降。随着油气井条件变化，又会形成 新的出砂环境而开始出砂。当单位过流面积上的流体速度达 到一定数值时，又会出现地层砂砾大块坍塌，过流面积倍增 而停止出砂，最终可使油气井套管变形而报废。
井出砂，油井出砂后，如果井内的液流不能将出砂全部带至地面，
井内砂子逐渐沉淀，砂柱增高，堵塞出油通道，增加流动阻力，使 油井减产甚至停产，同时会损坏井下设备造成井下砂卡事故。 2、由于作业工序需要，将地层砂人为的填入井筒，滞留后在井筒堆 积成砂柱，影响到油井的正常生产或注水井的正常注水。 3、压裂施工后的压裂砂返出沉淀、滞留，影响生产。
冲砂工艺技术
作业一分公司
2012年3月
汇报提纲
一、概述 二、直井冲砂技术
三、斜井冲砂技术
四、特殊井冲砂技术
一、概
述
冲砂，就是向井内高速注入液体，靠水力作用将井底沉砂冲散 悬浮，并借助高速上返的液流将冲散的砂子带到地面的施工方法。 冲砂的原因： 1、由于油层胶结疏松或油井工作制度不合理，以及措施不当造成油
风机，继续开泵5-10min，使液体充满冲砂管柱。液体的气化
程度要按需要而调节。 （5）气化液冲砂时，返出管线要用硬管线固定好，以防管线
跳动而发生事故。
二、直井冲砂技术
5、冲管冲砂：
所谓冲管冲砂，就是用小直径的管子下入油管内冲砂，如 小直径连续油管，以清除砂堵。其优点是操作轻便，不拆井口， 不动油管，可以冲砂至人工井底。 其他冲砂方式还有泡沫冲砂、连续装置冲砂等。
大而产生漏失，严重时会无法进行循环，因此常采用气化液冲
砂（又称混气冲砂）。 （3）气化液的液体可采用原油或清水。气化液冲砂的实质在 于降低冲砂液的密度，从而降低液柱对井底产生的回压，以减 少或防止漏失。气化液是用水泥车打出的油（或水）和压风机 供给的气混合而成的。
二、直井冲砂技术
4、气化液冲砂： （4）气化液冲砂时，压风机与水泥车并联。要先开水泥车， 后开压风机，使泵不受气体影响，保证上水正常。压风机出口 与水泥车之间要装单流阀，以防液体倒流。接单根前要先停压
四、特殊井冲砂技术
（一）水平井冲砂技术： 1、冲砂特点
1）油层砂粒更易进入井筒，形成长井段的“砂床”，严重时砂 堵井眼。 2）井内管柱贴近井壁低边，管柱受“钟摆力”和摩擦面积大的 双重作用，管柱摩阻大。 3）冲起的砂粒在造斜段和水平段容易再次沉积。
4）修井液环空流速偏差很大，井眼低边的流速很低，携砂能力
一、概
（三）油水井出砂危害
述
1、原油产量、注水量下降甚至停产、停注
2、地面和井下设备磨损
3、修井工作量增加
4．套管损坏、油水井报废
二、直井冲砂技术
（一）冲砂方式
冲砂方式主要可以分为正循环冲砂、反循环冲砂、正冲反洗 冲砂、气化液冲砂、冲管冲砂等。 1、正循环冲砂 （1）正冲砂是冲砂液从冲砂管内进入，携带沉砂沿冲砂管与套管 环行空间返至地面的冲砂方式。 （2）通常在冲砂管最下端带斜尖，这样可以防止下放太快而憋泵， 也可利用斜尖刺松砂堵，便于冲砂。 （3）正冲砂的优点是冲砂管直径较小，冲刺力大，易于冲散砂堵； 缺点是套管特别是大直径套管与冲砂管环行空间面积比较大，使冲 液上返速度小，携砂能力弱，大颗粒砂子不易带出。为了提高携砂 能力，可以提高冲砂液的粘度或加大泵的排量。 （4）为了防止在接单根过程中砂子下沉而造成卡钻，在接单根前 要进行较长时间的循环冲洗，并要求接单根速度尽可能快。
一、概
1、地质因素：
述
（一）井筒沉砂原因
（1）地层胶结疏松时，地层流体在生产压差作用下向井眼方向渗流，
致使岩石颗粒间的胶结力不断消弱，地层结构破坏引起出砂。流体密
度粘度越高、含气量越大，流动阻力越大，就越容易出砂。地层疏松
与否主要取决于岩石颗粒间胶结力的强弱，胶结强度与胶结物的种类、
数量及胶结方式有关。容易出砂的地层主要是接触胶结，胶结物数量
二、直井冲砂技术
（三）冲砂的水力计算
冲砂时为使携砂液将砂子带到地面，液流在井内上返 速度必须大于最大直径的砂粒在携砂液中的下沉速度。 Vt>2Vd 式中 Vt—冲砂液上返速度； Vd—砂子的自由下沉速度，可以从相关资料直接查询。 下式求出冲砂时所需要的最低排量 Qmin=360F×Vt min 式中 Qmin—冲砂要求的最低排量； F—冲砂液上返流动截面积； 为了提高冲砂速度应尽可能提高泵的排量，并减少液 流返出截面，以保持高的液流上返速度。
述
（1）在地层流体渗透过程中，大部分有效压强消耗在井壁附近。因 此，井壁岩石受渗流冲刷的作用力量最大，也最容易变形和破坏。 （2）不恰当的开采速度及采油速度的突然变化、注水井的急剧放压 等原因造成地层压力梯度发生急剧变化，致使岩层结构破坏引起出
砂。
（3）频繁的增产措施会破坏地层岩石结构，引起地层出砂。例如压 裂时高速流体冲击岩层，使岩石颗粒间胶结力削弱；酸化时酸液溶
三、斜井冲砂技术
1、斜度较小的井冲砂方式和直井基本一样。
2、斜度较大的井，沙粒随流体上返时作用力情况分析为：
三、斜井冲砂技术
在斜井中水力上返的力基本上是平衡于井壁的，假设砂
粒垂直方向的受力是平衡的。 在冲砂过程中，沙粒在井内受力：
G=F×sinθ
G——砂粒的重力与浮力的合力 F——砂子所受的水力冲击力 θ——井斜角度 在实际冲砂中，砂子在垂直方向的受力是不平衡的。 水平方向上分力：N=F×cosθ 垂直方向上的分力：N=F×sinθ-G
四、特殊井冲砂技术
3、水平井连续正循环冲砂：
从油管注入冲砂液，旋转冲 砂器将形成的砂床旋流冲起，进 入套管环空。同时井口的连续冲 砂装置实现了不停泵冲砂作业， 缩短了接入单根循环时间，降低 了劳动强度，避免了井场污染。 管柱组合（51/2“套管内）： Φ89mm导锥＋Φ73mm（3*45°） 倒角油管＋Φ73mm油管 Φ89mm旋流冲砂器＋Φ105mm扶正 器+Φ73mm倒角油管＋Φ73mm油管
下降，易导致钻具被卡。
四、特殊井冲砂技术
2、水平井冲砂施工方式：
水平井冲砂施工过程中必须保证连续作业，杜绝意外造 成停泵循环的现象。根据井身倾角的不同，排量设计和 工具的运动有所不同，施工方式具体分为如下几个阶段: 0°一30°时，基本与直井冲砂方式相同，冲砂过程中不要急 于求成，以0.3m/min稳定的速度下放管柱，冲洗排量不 低于600L/min; 30°一60°时，上返的地层砂容易再次沉降形成砂卡，冲洗 时宜将排量提高到1000一1200 L/min为宜，钻具要上下 起放，一般下放50m，上提一次，没有负荷大幅度增加 现象和憋压情况，才能继续冲洗; 60°一90°时，冲砂管柱磨阻最大阶段，加压下放速度小于 0.3 m/min，并每单根上下移动2一3次为宜，以破坏 “固化的砂床”，冲洗排量不低于1000 L/min,如遇憋 压情况，上提活动管柱。
解部分岩石胶结物，使岩石骨架解体；密集射孔会破碎岩石甚至引
起套管损坏。
一、概
述
（4）油井出水时，泥质胶结物水化膨胀并分散成细小颗粒，在地层 压差作用下随着油、水流线向井眼方向运移，造成油井出砂、出泥。 （5）在油水井生产过程中，油、气层孔隙压力总体上是不断下降的， 而上覆岩层对地层颗粒及其胶结物的有效应力则不断增加，致使颗粒 间的应力平衡被破坏，胶结力下降引起地层出砂。 （6）在注水开发油田，当油井含水量上升时，为维持原油产量必须 提高采液速度，加大了地层流体对岩石颗粒的拖拽力，引起地层出砂。 （7）当井壁附近的岩石结构破坏到一定程度时，就会出现流砂现象。 这时即使井底压差很小，大批砂子也会无控制地流出，造成严重的砂 堵或砂卡现象。
二、直井冲砂技术
（二）冲砂液
冲砂液指的是进行冲砂时所采用的液体。通常采用的冲 砂液有油、水、乳化液等。为了防止污染油层，在液中可以 加入表面活性剂。一般油井用原油或水做冲砂工作液，水井 用清水（或盐水）做冲砂工作液，低压井用混气水做冲砂工 作液。选择冲砂液有一定的标准。 （1）具有一定的粘度，以保证有良好的携砂性能。 （2）具有一定的密度，以便形成适当的液柱压力，防止井喷 和漏失。 （3）与油层配伍性好，不损害油层。 （4）来源广，不损害油层。
一、概
述
对非均质、弱胶结或中等胶结砂砾岩油藏来讲，注水开发
阶段是油水井严重出砂的开始，特别是当油井见水后，产出液
含水量不断上升，胶结物逐渐膨胀疏松，致使地层胶结强度迅 速下降并出现严重的出砂现象。出砂情况随开采时间的延续及 开采强度的变化呈周期性变化。一般来说，开采时间越长出砂 越多，造成的地下亏空也越大。当亏空后的生产层胶结强度不 足以支撑生产液流所引起的冲刷强度时，就会出现更为严重的 出砂现象。
一、概
述
（二）出砂地层破坏机理及出砂规律
油水井出砂首先是由炮孔结构破坏引起的，根据地层胶结特性， 炮孔失稳主要是由以下三种破坏造成的。 1、压缩破坏：压缩破坏是由孔壁附近过大的剪应力引起的， 过大的压力衰竭和生产压差均可能造成此种情况。 2、拉伸破坏：拉伸破坏是由径向拉应力超过拉伸强度而产生 的，主动作用力为油水井生产压差。 3、滑移次生破坏：当流体作用在岩石颗粒表面上的拖拽力超 过其粘结力时就会出现滑移次生破坏。这是一种特殊的拉伸破坏形 式，是在孔眼表面逐渐产生的砂粒脱落现象，其中流体速度是一个 重要参数。 室内试验与理论分析表明，在未胶结地层中炮孔失稳以拉伸破 坏为主，在弱胶结地层以压缩破坏为主，中等胶结强度的脆性砂、 砾岩层主要以滑移次生破坏为主。
二、直井冲砂技术
2、反循环冲砂
（1）反冲砂是冲砂液从套管与冲砂管的环形空间进入，携 带沉砂由冲砂管内上返至地面的冲砂方式。 （2）冲砂液由套管和冲砂管的环形空间进入，冲起并携带 泥砂沿冲砂管上返到地面。由于冲砂管内径小，冲砂液上返 速度快，携砂能力强，泥砂不易沉淀。所以，当套管直径较 大正冲砂冲不净时，改用反冲砂的方法可将砂冲洗干净。消 除了冲砂过程中卡钻的可能性。 （3）反冲砂的缺点是液体下行速度较慢，冲刺力不大，且 易堵塞冲管。