一种适用于二次防砂水平井的冲砂洗井管柱

技术领域

本发明属于油水井井下作业工具领域，具体涉及一种适用于二次防砂水平井的冲砂洗井管柱。

背景技术

辽河油田储层多为疏松砂岩油气藏，出砂问题严重，生产过程中必须采取必要的防砂措施。筛管防砂技术作为一种简单有效的防砂方式得到广泛应用，其中水平井中筛管防砂占绝大多数。

水平井筛管防砂完井主要有两种形式：一种是7寸套管下连接7寸筛管，上部固井完井；一种是9-5/8寸套管中，用悬挂器悬挂7寸筛管完井。该两种防砂完井方式油层段筛管尺寸均为7寸。在生产过程中，一般采用适度防砂的方式，即较粗的地层砂被挡在筛管之外，较细的地层砂可以进入筛管内部，随原油排出地面。随着生产时间延长，进入筛管的细地层砂，如果不能全部随原油排出地面，则在筛管内部沉降堆积，当筛管出现问题，需要进行二次防砂作业时，首先需要将水平井筛管内沉积的地层砂冲洗出来，故冲砂作业是水平井二次防砂施工过程中重要的作业步骤，直接影响到后续二次防砂管柱能否顺利下入。

二次防砂水平井施工冲砂过程中，需要解决难点有两个，一是将井下筛管内地层沉积砂冲开，而由于水平井段较长，出砂较多，筛管内沉积砂一般沉积压实严重，冲砂困难；二是在地层砂随液体上返过程中，地层砂不会再次沉积。水平井冲砂方式根据液流路径可以分为两种：一是正循环冲砂，即地面泵车自油管内泵入液体，自笔尖喷出，冲洗井下沉积砂段，然后自油套环空往上排出地面；二是反循环冲砂，即地面泵车自油套环空内泵入液体，冲洗井下沉积砂后，沿油管内空间往上排出地面，如图1所示。

由于油管内空间比油管、套管间环空，即油套环空的空间小很多，所以油管中液体流速比油套环空大很多，以7寸井内下入31/2寸油管冲砂为例，油套环空面积为油管内截面面积的3.06倍。故在泵排量一定的前提下，反循环冲砂过程中：冲砂过程中液体自油套环空泵入，由于流速较小，很难将压实沉积砂冲动，但在液体携带地层砂上返过程中，由于油管内流速较大，地层砂不易沉降；而正循环冲砂过程中：液体自油管内泵入，流速较快，冲砂过程中容易将压实的沉积砂冲动，但在液体携带地层砂上返过程中，油套环空空间较大，液体流速较慢，地层砂容易重新沉降。

目前水平井中冲砂的主要方式有以下几种，冲砂过程均为正冲砂：

①油管连接笔尖，下入筛管内冲砂；

②常规密闭连续冲砂或连续管冲砂，其工具与上面相同，即油管连接笔尖；

③旋转射流笔尖冲砂；

④水力喷射泵负压冲砂。

其中连续冲砂的工艺很好地解决了冲砂过程中下入油管需要停泵，造成液体流动不连续导致的地层砂在排出过程中的沉降问题。旋转射流、水力喷射负压冲砂等工艺主要是为了解决压实的地层沉积砂冲不动的问题。以上课题的研究方向主要集中在研发新型的冲砂工具，主要目的是解决地层砂冲不动或者冲不干净的问题，冲砂方式仍为正循环冲砂，对于由于油套环空截面积大、液体流速小导致的地层砂上返过程中的沉降问题均没有考虑。

发明内容

为了克服现有冲砂方式无法兼顾冲动压实沉积砂和避免地层砂上返过程中沉降的缺陷，本发明提供一种适用于二次防砂水平井的冲砂洗井管柱，可以兼顾正循环和反循环冲砂的优点，在冲砂过程中，液体自油套环空进入，当管柱接近沉积地层砂时候，液体经转换自油套环空进入油管，自油管冲击冲洗沉积地层砂，流速较大，容易将筛管内压实的地层沉积砂冲击松动，上返过程中液体携带地层砂自油套环空转换至油管向上流动，速度较大，地层砂不易沉降，冲砂效果好。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于二次防砂水平井的冲砂洗井管柱，包括下入至套管内的油管，套管与油管间形成有油套环空，在油管上连接有正反循环冲砂转换装置，以使自油套环空进入井内的液体及冲砂后携带地层砂沿油套环空向上运移的液体经正反循环冲砂转换装置后，完成自油套环空进入油管内的流道转换；正反循环冲砂转换装置外壁下部套接有膨胀密封件，用以密封该位置的油套环空。

作为本发明进一步的实施方案，正反循环冲砂转换装置包括滑动连接的固定管和内部驱动管，当内部驱动管相对于固定管处于第一位置时，正反循环冲砂转换装置内腔的上部与下部连通，正反循环冲砂转换装置内腔与外部油套环空隔断；当内部驱动管相对于固定管滑动至第二位置时，固定管与内部驱动管贯通，正反循环冲砂转换装置内腔与外部油套环空连通，正反循环冲砂转换装置内腔的上部与下部隔断。

作为本发明进一步的实施方案，

固定管包括上接头、液缸套、外保护套、内管、过流管、下接头；内部驱动管为滑动内管，其中：

上接头外壁开设有若干凹槽流道a，凹槽流道a顶端通过开设于上接头壁身上的通孔a与上接头内部贯通；

液缸套连接于上接头下端，液缸套外壁开设有若干凹槽流道b，凹槽流道b顶端与凹槽流道a对正连通，凹槽流道b底端与开设于液缸套壁身上的通孔b连通；

外保护套连接于上接头、液缸套外壁，将凹槽流道a与凹槽流道b封装为密闭流道；外保护套与液缸套上设有由槽口对应连通形成的连通口a和连通口b；

内管与液缸套底部内壁连接，内管上开设有与通孔b连通的通孔c；

过流管与内管内壁连接，二者之间形成有腔体，通孔c与该腔体对应连通；

滑动内管与上接头、液缸套内壁滑动连接，滑动内管与液缸套之间形成有压缩腔，滑动内管与液缸套之间形成有与连通口b连通的液腔；所述滑动内管底部在过流管与内管之间的腔体内竖直滑动且其底端连接有滑块，滑块与内管内壁滑动相接；滑动内管壁身上还开设有连通腔，用以在滑动内管上移到第二位置时与连通口a贯通，以使正反循环冲砂转换装置内腔与外部油套环空连通；滑动内管顶部设有插头结构，用以在滑动内管上移到第二位置时密封上接头内腔，以使正反循环冲砂转换装置内腔的上部与下部隔断；

下接头与内管外壁连接，下接头与过流管之间形成进液口，进液口与开设在过流管外壁的若干凹槽流道c相通。

作为本发明进一步的实施方案，当所述滑动内管处于第一位置时，滑块封堵于通孔c处，当滑动内管上移至第二位置时，滑块向上移出通孔c处。

作为本发明进一步的实施方案，膨胀密封件螺纹连接于下接头外壁。

作为本发明进一步的实施方案，膨胀密封件为皮碗封隔器。

作为本发明进一步的实施方案，压缩腔内设有压缩弹簧。

作为本发明进一步的实施方案，外保护套上的槽口通径大于液缸套上的槽口通径。

作为本发明进一步的实施方案，外保护套、液缸套分别通过定位销钉与上接头连接。

作为本发明进一步的实施方案，还包括连通于油管底端，用以加大液体流速的底部冲砂装置。

作为本发明进一步的实施方案，底部冲砂装置外径大于油管外径。

作为本发明进一步的实施方案，底部冲砂装置包括接头、冲砂装置本体、冲砂喷嘴，接头一端连接油管，另一端连接冲砂装置本体，冲砂装置本体内壁连接冲砂喷嘴，冲砂喷嘴外壁与冲砂装置本体内壁之间形成负压腔，冲砂喷嘴内径自上向下逐渐变小。

作为本发明进一步的实施方案，冲砂装置本体侧壁上开设若干与负压腔连通的水眼。

作为本发明进一步的实施方案，水眼内径自外向内逐渐变大。

作为本发明进一步的实施方案，冲砂装置本体侧壁开设有若干水槽，用以作为液体向上流动的通道。

本发明的有益效果包括：①液体从地面自油套环空进入井内，经过正反循环冲砂转换装置后，流道转换，自油套环空进入油管，速度变大，经底部冲砂装置后冲击下部堆积地层砂，对下部堆积地层砂冲击效果更好；下部堆积地层砂经流体冲击后变松散，在流体携带下沿油套环空向上运移，再次经过正反循环冲砂转换装置后，流体自油套环空进入油管，速度变大，使流体携砂作用加强，地层砂不易沉降，携砂效果更好；

②底部冲砂装置采用冲砂喷嘴和负压腔设计，流体经过底部冲砂装置后，速度变大，冲击力更大，对装置周围地层砂具有清理作用，冲砂作用更好；

③膨胀密封件设置于正反循环冲砂转换装置下部的下接头上，当流体自油套环空向下经过时，在该部位产生节流，使得膨胀密封件上部油套环空压力上升，进而膨胀密封件膨胀，密封其所在油套环空。

附图说明

图1a是现有技术正循环冲砂示意图；

图1b是现有技术反循环冲砂示意图；

图2是本发明冲砂洗井管柱冲砂过程液流示意图；

图3是本发明正反循环冲砂转换装置关闭状态结构示意图；

图4是本发明正反循环冲砂转换装置开启状态结构示意图；

图5是本发明正反循环冲砂转换装置上接头结构示意图；

图6是图5的A-A剖面图；

图7是图5的B-B剖面图；

图8是本发明正反循环冲砂转换装置过流管结构示意图；

图9是图8的C-C剖面图；

图10是本发明底部冲砂装置结构示意图；

图11是图10的截面图；

图12是图10的A-A剖面图；

图13是图10的局部放大示意图；

图14是图10的局部放大示意图。

图中的附图标记说明：1、正反循环冲砂转换装置，2、底部冲砂装置，3、膨胀密封件，4、上接头，5、外保护套，6、液缸套，7、滑动内管，8、内管，9、滑块，10、过流管，11、下接头，12、进液口，13、压缩腔，14、液腔，15、连通口a，16、连通腔，17、连通口b，18、凹槽流道a，19、通孔a，20、接头，21、冲砂装置本体，22、负压腔，23、水眼，24、冲砂喷嘴，25、水槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于区分部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

一种适用于二次防砂水平井的冲砂洗井管柱，如图2所示，包括下入至套管内的油管，套管与油管间形成有油套环空，在油管上连接有正反循环冲砂转换装置1，正反循环冲砂转换装置1外壁下部套接有膨胀密封件3。

设置正反循环冲砂转换装置1，主要功能是实现流体向下流动时从油套环空进入装置内部，然后自油管向下流动完成冲砂作业，以及实现冲砂作业后向上流动的液体自油套环空进入装置内部进而向上进入油管，完成流体的两次流道变换，实现高效冲砂、携砂。

图3所示，正反循环冲砂转换装置1包括上接头4、液缸套6、外保护套5、内管8、过流管10、下接头11、滑动内管7，

上接头4外壁开设有两条凹槽流道a18，凹槽流道a18顶端通过开设于上接头4壁身上的通孔a19与上接头4内部贯通；

液缸套6连接于上接头4下端，液缸套6外壁开设有两条凹槽流道b(图中未示出)，两条凹槽流道b顶端分别与两条凹槽流道a对正连通，凹槽流道b底端与开设于液缸套6壁身上的通孔b(图中未示出)连通；

外保护套5连接于上接头4、液缸套6外壁，将凹槽流道a与凹槽流道b封装为密闭流道；外保护套5与液缸套6上设有由槽口对应连通形成的连通口a15和连通口b17；

优选的，外保护套5上的槽口通径大于液缸套6上的槽口通径，外保护套5、液缸套6分别通过定位销钉与上接头4连接，保证外保护套5和液缸套6上的两处槽口分别对正。

内管8与液缸套6底部内壁连接，内管8上开设有与通孔b连通的通孔c(图中未示出)；

过流管10与内管8内壁连接，二者之间形成有腔体，通孔c与该腔体对应连通；

下接头11与内管8外壁连接，下接头11与过流管10之间形成进液口12，进液口12与开设在过流管10外壁的三条凹槽流道c(图中未示出)相通，以使液体可以由进液口12进入凹槽流道c；

下接头11下部外壁设置螺纹，膨胀密封件3螺纹连接于下接头11外壁，优选的，膨胀密封件3为皮碗封隔器；

滑动内管7与上接头4、液缸套6内壁滑动连接，滑动内管7与液缸套6之间形成有压缩腔13，压缩腔13内设有压缩弹簧；

滑动内管7与液缸套6之间形成有与连通口b17连通的液腔14；

滑动内管7壁身上还开设有连通腔16，用以在滑动内管7上移到图4所示的第二位置时与连通口a15贯通，以使正反循环冲砂转换装置1内腔与外部油套环空连通；滑动内管7顶部设有插头结构，用以在滑动内管7上移到第二位置时与上接头4内壁凸台配合卡接，密封上接头4内腔，以使正反循环冲砂转换装置1内腔的上部与下部隔断；

所述滑动内管7底部在过流管10与内管8之间的腔体内竖直滑动且其底端螺纹连接有滑块9，滑块9与内管8内壁滑动相接；

当所述滑动内管7处于图3所示的第一位置时，滑块9封堵于通孔c处，用以在滑动内管7没有上移封堵上接头4时，阻绝液体由进液口12顺凹槽流道c由过流管10与内管8之间的腔体进入连通的通孔c和通孔b进而进入上接头4和液缸套6外侧的流道，用以使正反循环冲砂转换装置1上下不贯通；当滑动内管7上移至图4所示的第二位置时，滑块9向上移出通孔c处；

上述的流体、液体均指冲砂液。

根据上述实施方案，其工作方法：

冲砂液下行过程：

地面组装冲砂洗井管柱，下入井内需冲砂位置；

利用泵车从地面由油套环空向井内泵入冲砂液，冲砂液向下运移到正反循环冲砂转换装置1外侧，此时正反循环冲砂转换装置1处于关闭状态，如图3所示，液腔14未进液，压缩腔13内压缩弹簧未被压缩，连通腔16和连通口a15未连通，正反循环冲砂转换装置1与外部空间隔断，流体不能进入正反循环冲砂转换装置1内部。同时上接头4和液缸套6外侧的流道在下端被滑块9封堵，无法上下贯通。

流体进而沿油套环空继续往下流动，在皮碗封隔器处产生节流，皮碗封隔器上部油套环空中压力增加，在压力作用下皮碗封隔器膨胀，该处油套环空被密封。

由于皮碗封隔器处油套环空被密封，在地面继续向油套环空中泵入流体，则油套环空中压力继续增加。流体由连通口b17进入液腔14，推动滑动内管7向上压缩10压缩压缩腔13内的压缩弹簧，滑块9向上滑动，最终正反循环冲砂转换装置1变为开启状态，如图4所示。

此时，滑动内管7顶部的插头结构将上接头4封堵，正反循环冲砂转换装置1内的上部与下部不再联通，而连通腔16和连通口a15对接连通，正反循环冲砂转换装置1内部于外部油套环空连通。

正反循环冲砂转换装置1外部油套环空中的流体通过连通腔16和连通口a15进入正反循环冲砂转换装置1内部，往下流出油管，冲击底部堆积的地层砂。

返出地面过程：

流体携带地层砂由油套环空向上流动，

流体携带地层砂经油套环空向上流动到皮碗封隔器处，由于皮碗封隔器膨胀，油套环空被密封，流体携带地层砂沿下接头11与过流管10之间的进液口12进入，沿过流管10外壁凹槽流道c经由过流管10与内管8之间的腔体进入连通的通孔c和通孔b，进而进入上接头4和液缸套6外侧的流道，最终在上接头4内的通孔a19进入正反循环冲砂转换装置1内，进而往上进入油管，沿油管向上返出井口。

继续进行上述过程，直至地层砂冲洗干净，返出液为无砂，施工结束。

优选的，本发明冲砂洗井管柱还包括连通于油管底端，用以加大液体流速的底部冲砂装置2，底部冲砂装置2外径大于油管外径，其外径可根据油井油层筛管内径决定，可使底部冲砂装置2外径小于油层筛管内径10-15mm。

如图10所示，底部冲砂装置2包括接头20、冲砂装置本体21、冲砂喷嘴24，接头20一端连接油管，另一端连接冲砂装置本体21，冲砂装置本体21内壁连接冲砂喷嘴24，冲砂喷嘴24外壁与冲砂装置本体21内壁之间形成负压腔22，冲砂喷嘴24内径自上向下逐渐变小。

优选的，冲砂喷嘴24上部内径均等，底部端口处内径自上向下逐渐变小，在流体经过冲砂喷嘴24时，速度逐渐加大，在负压腔22内形成负压。

冲砂装置本体21侧壁上开设若干与负压腔22连通的水眼23，水眼23内径自外向内逐渐变大，当地层砂或者杂物自外部进入水眼23时，水眼23不易被堵塞。由于水平井中，当底部冲砂装置2处于水平状态，其下部及侧部水流不予冲击的地方，地层砂流动性变差，容易再次堆积。当负压腔22内由于高速水流形成负压时，水眼23周围地层砂及杂物被水眼23内负压吸附进入负压腔22，与高速水流混合，避免了底部冲砂装置2处于水平状态时下部及侧部的地层砂再次堆积。

冲砂装置本体21侧壁开设有若干水槽25，用以作为流体冲击堆积地层砂后向上流动的通道。

(2)冲砂过程

该过程在冲砂液下行过程与返出地面过程之间，

冲砂液从地面自油套环空泵入井内，经正反循环冲砂转换装置1后，流体自油套环空进入油管内，向下流入底部冲砂装置2。

冲砂液进入冲砂喷嘴24，流速变大，自下端出口冲击堆积地层砂。

冲砂液进入冲砂喷嘴24流速变大，负压腔22内形成负压，水眼23周围地层砂及杂物被水眼23内负压吸附进入负压腔22，与高速水流混合，避免了底部冲砂装置2处于水平状态时下部及侧部的地层砂再次堆积。

冲砂液携带地层砂沿冲砂装置本体21外侧水槽25向上流动，进入返出地面过程。

正反循环冲砂转换装置1的效果是可以兼顾正循环和反循环冲砂优点，在冲砂过程中，液体自油套环空进入，当冲砂洗井管柱接近井底沉积地层砂时候，液体经转换自油套环空进入油管，自油管冲击冲洗沉积地层砂，流速较大，容易将筛管内压实的地层沉积砂冲击松动，上返过程中液体携带地层砂经转换自油套环空进入油管向上流动，速度较大，地层砂不易沉降，携砂效果好。底部冲砂装置2效果是经过冲砂喷嘴24、负压腔22及水眼23的设计，流体经过底部冲砂装置2后，速度变大，冲击力更大，且水眼23对底部冲砂装置2周围地层砂具有清理作用，冲砂作用更好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。