开采疏松砂岩油气藏过程中常常面临出砂问题，冲砂洗井过程中，地层砂上返时容易二次沉积，造成砂卡、砂堵；深井、超深井进行冲砂洗井时，由于井眼轨迹复杂，携砂液摩阻增大；低压漏失井具有地层压力低、孔隙度高、渗透性强等特点，进行冲砂洗井作业时，冲砂液漏失严重，携砂能力下降，冲砂洗井效率低^[1-2]。当井筒内出现出砂、结垢、地层漏失等复杂情况，采用常规段冲砂洗井技术已不满足生产需要，急需开展冲砂洗井技术与冲砂工具的优化研究^[3-5]。目前，国外进行冲砂洗井技术服务的公司有Halliburton公司^[6]、Baker Hughes公司^[7]、日本越南石油公司^[8]、Weatherford国际公司^[9]、Schlumberger公司^[10]以及GRIFCO 国际公司等，国内也研制了负压射流冲砂洗井工具、一体式多级封隔冲砂装置和新型水平井抽砂泵等多种冲砂洗井工具，并形成了配套技术。为推进我国冲砂洗井技术的进步，笔者重点介绍了国外公司的冲砂洗井工具和配套技术，总结出发展趋势和攻关方向，以期指导国内冲砂洗井技术的研究。

1.   冲砂洗井原理

进行常规冲砂洗井作业时，将冲砂管柱下至冲砂界面后，从冲砂管柱泵入高压冲砂液，高压冲砂液对沉积砂床进行冲洗，冲散的砂粒流化后形成混砂液，经由冲砂管柱和套管之间的环空上返至地面，通过上提冲砂管柱实现一次下钻，完成冲砂洗井作业，如图1所示。

图  1  冲砂洗井作业示意

Figure  1.  Sand washing and well cleaning operation

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2.   国外冲砂洗井技术

目前，国外提供冲砂洗井技术服务的公司主要有Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger和GRIFCO等，这些公司的冲砂洗井工具种类繁多，有普通多喷嘴冲砂洗井工具、高压旋转射流冲砂洗井工具、负压冲砂洗井工具以及冲砂压裂集成式水力喷枪等工具，这些冲砂洗井工具均支持针对特定井况的定制服务。

2.1   Halliburton公司冲砂洗井技术

2.1.1   CoilSweep冲砂洗井技术

CoilSweep冲砂洗井技术由旋流冲砂工具（见图2）、流体系统和清砂设计软件3部分组成。旋流冲砂工具整合了Halliburton连续油管的专业知识和流体技术，旨在解决大尺寸井眼段、斜井或水平井的出砂问题，实现最佳清砂效果^[11]。该工具有2组侧向射流喷嘴，向下的射流喷嘴能够清除较硬的堆积砂屑，射流喷嘴和喷嘴间距经过优化设计，能够促进井底组件周围形成湍流，确保砂屑在冲砂喷嘴处向上移动，提高井筒中冲砂液的携砂能力。CoilSweep冲砂洗井技术可以提供4种不同的冲砂作业流体，根据井况，针对常规井眼冲砂、低压漏失井清砂或者二者兼具的情况，精确定制冲砂作业工艺。清砂设计软件InSite for Well Intervention Software支持对油井冲砂程序进行全面建模，根据井况优化最佳的冲砂作业参数，最大限度地减少冲砂作业次数冲砂作业间距，从而实现高效冲砂洗井作业。

图  2  CoilSweep旋流冲砂工具

Figure  2.  CoilSweep rotating jet sand washing tool

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2.1.2   HydraBlast Pro低速旋转冲砂工具

HydraBlast Pro低速旋转冲砂工具由马达总成、齿轮减速器和喷射头组成（见图3），通过专用的设计软件优化泵速、冲砂行程速度、冲砂头喷嘴配置等，用于去除套管或油管内堆积的砂屑和有机物。根据井况和砂屑的性质，定制喷射头，让喷射头比传统的自由旋转冲砂洗井工具旋转得更慢，获得更长的停留时间和更高的冲砂效率，通过一次作业即可完成全井冲砂。与固定式和自由旋转式冲砂工具相比，该冲砂工具能够集中高压进行射流冲砂作业，旋转速度缓慢，可以最大限度地延长接触时间，可定制冲砂喷射头（目前有侧向喷射头和前向喷射头），其与冲砂作业设计软件配合，能够在各种井身结构的井中进行冲砂作业，且冲砂效率高。

图  3  HydraBlast Pro™低速旋转冲砂工具

Figure  3.  HydraBlast Pro low-speed rotating sand washing tool

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2.2   Baker Hughes公司冲砂洗井技术

2.2.1   Tornado连续油管冲砂洗井技术

Baker Hughes公司的Tornado连续油管（CT）冲砂洗井技术是一种强大、灵活有效的连续油管（CT）井筒冲砂技术，该技术不受井眼形状和井眼轨迹的限制，可以与各种井下工具（标准冲砂喷嘴、电机、磨机或旋转射流工具）灵活配合，即使对井底胶结的井底碎屑（如地层碎屑、井底细砂、射孔和铣削碎屑等），仍然能够获得较好的冲洗效果^[12-13]。

Tornado冲砂工具能够单独实现向前射流和向后射流，开始冲砂时，先通过向前喷射冲砂液分解沉积的砂柱，使砂柱在冲洗头后方沿井眼形成砂床；完成砂柱冲洗后，通过闭合换向结构，使冲砂液向后喷射，冲洗移动后的砂床，通过上提下放管柱，进行冲砂作业，将砂屑全部冲洗至地面（见图4）。Tornado冲砂工具搭载Baker Hughes公司的CIRCA建模软件，通过绘制冲砂过程中砂屑运移到井口的过程，可以生成优化后的冲砂解决方案（包括所需的流速、循环时间、冲砂工具配置和冲砂工具行程速度）。将CIRCA软件与优化的冲砂工具相结合，能够完成常规冲砂无法完成的冲砂作业。Tornado连续油管（CT）冲砂洗井技术采用的冲砂工具经过现场验证，其冲砂效果优良 。

图  4  Tornado冲砂工具作业示意

Figure  4.  Operation of Tornado™ sand washing tool

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2.2.2   Sand-Vac, Well-Vac, Tele-Vac冲砂洗井技术

Baker Hughes公司的Sand-Vac、Well-Vac和Tele-Vac冲砂洗井技术将同心连续油管（CCT）与井下喷射泵相结合，通过喷射泵喷嘴喷射冲砂液，在冲砂工具前端产生局部负压区，在压差作用下冲砂液和其携带的砂屑被吸入负压区，清除常规循环冲砂作业无法处理的超低压井筒中的砂屑，如图5所示^[14]。在Well-Vac模式下，通过增加局部压降，实现从储层抽吸冲砂液、钻井液、压裂液和酸液等其他液体。在Sand-Vac和Well-Vac模式下，液体回流进入喷射泵扩散器并从喷嘴喷射出去恢复压力，将混砂液通过同心连续油管（CCT）环空泵送至地面。向前和向后射流使砂屑流化，流化后的砂屑被吸入筛网，通过同心连续油管（CCT）环空泵送至地面。该冲砂洗井技术使用单相流体，与循环硝化流体相比，可简化砂屑运移过程，降低冲砂作业成本。

图  5  同心连续油管负压射流泵冲砂作业示意

Figure  5.  Sand washing operation of negative-pressure jet pump with concentric coiled tubing

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2.3   Schlumberger公司冲砂洗井技术

2.3.1   常规连续油管（CT）冲砂洗井工具

Schlumberger公司有2种标准连续油管（CT）冲砂洗井工具，用于出砂油气井中的冲砂洗井作业：其中一种冲砂洗井工具的底部有4个射流喷嘴，根据现场作业要求可以从不同直径的射流喷嘴中选择合适的射流喷嘴，作业压力可达68.9 MPa；另一种冲砂洗井工具用于高温高压油气井冲砂洗井作业，其抗拉强度为141.4～544.1 kN，其冲砂喷头有前向喷嘴和侧向喷嘴，该喷嘴设计可以提高大斜度井的冲砂能力。根据射流强度可以将2种冲砂洗井工具可以分为大流量、常规冲洗强度，大流量、高冲洗强度，小流量、常规冲洗强度和小流量、高冲洗强度4种类型，冲砂洗井工具的长度和喷嘴数量可以根据现场作业要求进行定制。

2.3.2   Jet Blaster连续油管（CT）冲砂洗井工具

Jet Blaster连续油管（CT）高压射流冲砂洗井工具与Jet Advisor清砂除垢软件、CoilCADE连续油管（CT）设计和评估软件配合，可以进行井筒清洗作业，包括冲砂、油管除垢、防砂筛管清洗以及近井筒表皮去除^[15]。Jet Blaster连续油管（CT）高压射流冲砂洗井工具具有快速、经济、高效等特点，可以替代常规冲砂洗井工具、容积式冲砂泵和其他冲砂设备。根据具体的砂床和井况，可以利用Jet Advisor软件优化Jet Blaster冲砂洗井工具的配置、连续油管（CT）管柱组合，利用CoilCADE软件模拟井下流体是否能够将沉积物携带至地面。

Jet Blaster冲砂洗井工具产生的高能射流可以轻松破碎胶结的砂床，有利于携砂液上返。该工具的冲洗半径不受工具几何形状的限制，不仅可以用于冲砂作业，还可以对复杂、精细结构的井下工具（井下筛网、气举心轴和滑套等）进行无损清洗。此外，模块化的设计可针对特定工况进行定制作业。Jet Blaster冲砂洗井工具采用硬质合金喷嘴、润滑密封的重型轴承，可以在177 ℃高温下工作，能够适应井下恶劣的环境。该冲砂洗井工具通过降低旋转接头和喷嘴的能量损失来提高冲洗能力，冲砂效率不受井深影响，可用于大多数油井的冲砂洗井作业。

2.4   GRIFCO国际公司冲砂洗井技术

2.4.1   常规连续油管（CT）冲砂洗井工具

常规连续油管（CT）冲砂洗井工具有圆头冲砂洗井工具、风暴冲砂洗井工具和多喷嘴冲砂洗井工具（见图6）。圆头冲砂洗井工具是一种常规冲砂洗井工具，只有斜向和轴向喷嘴，结构简单，可以通过井筒内缩径的位置。风暴冲砂洗井工具内部包含一个螺杆，当液体流经工具内部的螺旋流道时，液体在工具内部高速旋转，高速旋转的液体通过喷嘴流出时，形成旋流冲洗效果；该工具的喷嘴为耐冲蚀喷嘴，喷射方向向下，喷射范围广。多喷嘴冲砂洗井工具具有斜向、轴向和径向喷嘴，用来清洗油管和套管的内壁，通过喷射液体，实现井筒内壁清洁。多喷嘴冲砂洗井工具可以根据需求打开或堵上需要的喷嘴，每个喷射孔搭配最合适直径的喷嘴，实现斜向、轴向和径向的喷射。上端扣型、喷射孔的位置和喷嘴的直径可以根据需求进行定制。

图  6  常规连续油管（CT）冲砂洗井工具

Figure  6.  Conventional coiled tubing (CT) sand washing and well cleaning tool

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2.4.2   旋转射流冲砂洗井工具

旋转射流冲砂洗井工具主要依靠射流冲击力使喷嘴旋转，其采用碳化钨喷嘴，通过调节泵压控制喷嘴的转速，喷嘴转速最高可达300 r/min，可以实现全方向喷射，达到高效冲砂的目的，主要用于清洁油管内部和循环冲砂作业，也可用于辅助连续油管起下（见图7）。低速旋转冲砂洗井工具是一种高压旋转冲砂洗井工具，其通过特殊的旋转控制机构实现较低转速下的旋转冲砂洗井作业，高压喷嘴提供强大的冲砂洗井能力，可以冲洗井底沉砂而不损坏油管，内部特殊的旋转控制机构可以将喷嘴的转速控制在30～200 r/min，承压35 MPa，最大流量可达400 L/min，适用于井况较为复杂情况下的连续油管清洗作业，更换合适的喷嘴还可以利用其进行喷砂切割作业。

图  7  旋转射流冲砂洗井工具

Figure  7.  Rotating jet sand washing and well cleaning tool

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2.4.3   冲砂压裂集成式冲洗工具及文丘里捞砂工具

冲砂压裂集成式冲洗工具集成了连续油管接头、喷枪和冲洗工具，利用其可进行冲砂、气举作业，需要进行射孔时只需在地面投球，将冲洗部分封堵后即可进行射孔、定向酸化等作业，喷枪的冲洗方向可定制，可根据工况调整射孔喷嘴的直径。文丘里捞砂工具（见图8）用于打捞井内的砂屑，其可与钻井液、氮气泡沫等介质配合，其喷嘴可以根据泵排量调整。该工具的承屑腔内安装一个砂屑过滤网，可以防止砂屑堵塞文丘里管，通过延长承屑筒长度可以增加携带砂屑的体积。进行清砂作业时，流体从文丘里捞砂工具喷嘴喷出，在工具的腔内形成真空，从工具底部吸入携砂流体，携砂流体由承屑筒内部的滤网过滤，过滤后的流体进入文丘里捞砂工具吸入腔内再次循环，砂屑留在承屑腔内部的承屑筒中随工具带出井外。

图  8  文丘里捞砂工具

Figure  8.  Venturi sand fishing tool

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3.   国内冲砂洗井技术

笔者通过统计调研文献中冲砂洗井现场作业案例发现^[16-36]，国内主要应用射流泵负压冲砂技术进行冲砂作业，较少应用泡沫流体冲砂技术和旋转射流冲砂技术（见图9），说明我国对于集成式冲砂洗井技术的研究存在不足，且目前尚未开发出与冲砂洗井作业软件配套的设备。下面，笔者简要介绍一些国内经过现场作业验证的冲砂洗井工具的结构、工作原理、主要技术参数等。

图  9  冲砂洗井现场作业分类统计

Figure  9.  Histogram of classification statistics of on-site operations of sand washing

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3.1   负压射流冲砂洗井工具

中石油煤层气有限责任公司工程技术研究院基于射流泵工作原理设计研制了一种负压射流冲砂洗井工具。该工具由特制射流泵、冲砂喷嘴、井下封隔器和延长密封管等组成^[35]（见图10）。射流泵的喷嘴、喉管和扩散管可根据工况选择其尺寸规格。井下封隔器连接在同心管上端，用于阻隔冲砂液进入低压储层，冲砂液从其桥式机构进入同心管外环空，封隔器承压能力40 MPa。延长密封管采用普通油管加工而成，用于在下冲砂管柱过程中调解同心管内外管的长度差，最大调解长度为2 m。水平井利用该冲砂洗井工具顺利完成冲砂作业，并且有效解决了易漏失井段的冲砂问题。

图  10  负压射流冲砂洗井工具

Figure  10.  Negative-pressure jet sand washing and well cleaning tool

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3.2   一体式多级封隔冲砂工具

为了对定点喷砂射孔后的筛管进行分段冲砂作业，中国石油大港油田分公司石油工程研究院研发设计了一体式多级封隔冲砂工具。该工具主要由上接头、中心管、四级封隔皮碗、顶丝和导向头组成（见图11），通过四级封隔皮碗实现分隔密封，上接头与中心管为一个整体，四级封隔皮碗通过螺纹连接在中心管外部，受压缩后封隔皮碗与上接头外径保持一致，采用顶丝防止中心管与封隔皮碗、导向头之间产生相互转动。一体式多级封隔冲砂工具下至冲砂位置后通过喷砂射孔建立冲砂循环通道，可分段清洗筛管外部的砂粒，能够有效避免在上提管柱过程中发生砂卡，提高长筛管冲砂作业成功率。4口水平井采用该工具成功冲砂，显著降低了作业成本、缩短了作业时间，提高了经济效益。

图  11  一体式多级封隔冲砂工具

Figure  11.  Integrated multi-stage isolation sand washing tool

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3.3   新型水平井抽砂泵

为了解决冲砂施工中因地层漏失造成砂粒无法顺利返至地面的问题，减少冲砂液对地层的二次污染，西安科采能源装备有限公司研制了一种新型水平井抽砂泵。该抽砂泵由泵和旋流底阀组成（见图12），不用泵车进行循环冲砂，依靠油管上下反复移动把砂粒吸入油管中，通过提出油管将砂粒带到地面，达到对井筒清砂的目的。采用该抽砂泵进行抽砂作业时，先下旋流底阀，旋流底阀上面接油管或加厚油管，其长度根据井下砂柱高度而定，油管内孔容积在能够装下井筒中砂粒的基础上，再加长100 m，油管柱连接好后接上抽砂泵，再在抽砂泵上接油管，直至旋流底阀接触砂面。与直井抽砂泵相比，水平井抽砂泵改进了游动凡尔和固定凡尔，将“球–球座”式的凡尔改为“弹簧–半球连杆–球座”式的凡尔，能够适应水平井作业环境，可完成400 m长水平段的抽砂作业。该捞砂泵的砂铲尺寸略小于本体尺寸，抽砂管柱下井、起出不会遇阻，从而确保不会卡钻。

图  12  新型水平井抽砂泵及其剖视图

Figure  12.  New horizontal well sand pump and its sectional view

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3.4   国内典型应用案例

兴隆台潜山构造井深大多为4500～4700 m，井眼轨迹复杂，不仅增加了作业管柱的井内摩阻，而且降低了修井设备和工具的性能，实施常规冲砂洗井作业风险高，效果不佳。该构造的马古6-6-12井地层压力高，压裂所用支撑剂致密，压裂后采取反循环和正循环冲洗井内的支撑剂，未能见效，严重影响了油井正常生产。针对这种情况，采用水力喷射冲砂技术进行冲砂，由于油管喷射速度较慢，于是安装喷嘴，将压力能转换为速度能，喷嘴喷出的水像水刀一样，击碎井底凝固砂柱、砂床，并将其顺利携带至地面。马古6-6-12井进行水力喷射冲砂作业仅12 h，人工井底就由井深4 455 m增至井深4 587 m，作业后日产原油35 t、天然气9121 m³。水力喷射冲砂技术的成功应用解决了辽河油田深井冲砂的难题，为深井实施压裂提供了保障。

赵州桥油田的赵57-10X井，因地层出砂严重造成物性好的34号油层经常砂埋，产量不稳定。该井地层漏失严重，导致常规冲砂、捞砂无效，无法解决砂埋油层的问题。于是，应用暂堵冲砂工艺进行冲砂解堵，成功解除砂埋油层，同时缓解了地层出砂。暂堵冲砂工艺操作简便，即在进行冲砂作业时用冲砂液将暂堵剂携带至井筒，随着冲砂液进入漏失地层，在压差作用下封堵漏失层炮眼以及高渗通道，在近井地带形成滤饼，降低冲砂液继续向地层的漏失量，从而在井筒中建立起循环，保证冲砂作业正常进行。赵57-10X井实施暂堵冲砂工艺后日增液4.7 m³、日增油3.4 t，将长期砂埋34号油层的潜能彻底释放。

4.   冲砂洗井技术发展趋势

从现有冲砂洗井技术及冲砂洗井工具调研情况可以看出，目前市场推出的新型冲砂洗井工具主要集中在集成化、模块化，软件化、动态化以及针对特殊井况的冲砂洗井工具定制化、智能化服务上，它们的发展将主要集中在以下几个方面：

1）冲砂洗井工具集成化、模块化。集成后的冲砂洗井工具可以一趟钻完成多种作业，能够实现各项作业既协调统一又互不干扰。模块化冲砂洗井工具在常规作业时可进行冲砂、气举，通过更换喷嘴还可应用于喷砂切割作业，需要进行射孔时只需在地面投球，将冲洗部分封堵后可进行射孔、压裂、定向酸化等作业。集成化冲砂洗井工具能够降低作业成本、缩短作业时间，显著提高油田经济效益。

2）冲砂洗井工具定制化、智能化。标准冲砂洗井工具的设计符合大多数油田的作业条件，同时兼具成本效益，但油田冲砂洗井作业常常会面临各种挑战，为适应苛刻的井况，如大直径井筒冲砂作业、高温高压深井冲砂作业、低压漏失井冲砂作业等，目前国外Halliburton公司、Baker Hughes公司Schlumberger公司和GRIFCO国际公司等可以通过分析油井的状况，定制冲砂洗井工具。由于支持冲砂定制服务，在满足油田特殊作业需求时，具有更高的可靠性和灵活性。

3）冲砂洗井工具与冲砂洗井设计软件配套。目前国外与冲砂洗井冲砂工具配套的软件支持对油井冲砂程序的全面建模，可以根据井况优选最佳的流体和作业参数（泵速、冲砂行程速度和冲砂头喷嘴配置等），可以最大限度地减少冲砂作业次数和间距，实现高效冲砂作业。国内目前仍未研发出较为系统和完整的与冲砂工具配套的软件，与国外相比还存在差距，需要开展这方面的研究。

5.   结束语

国外冲砂洗井工具及配套技术设施已较为完善，通过技术攻关和自主研发，国内冲砂洗井技术已具备有效解决油田出砂的能力，但仍面临许多技术难题，在配套软硬件研发、高效冲砂作业、特殊井况定制解决方案等方面仍存在较大提升空间。通过研发冲砂洗井工具，国内已经具备解决冲砂洗井作业中深度深、冲砂井段超长、高压低渗、低压漏失等难题的能力，建议进一步完善优化并推广应用，以满足出砂油气田高效冲砂作业的需求，在冲砂洗井工具集成化、定制化，冲砂作业过程智能化等方面进行技术攻关，逐步优化并完善冲砂洗井技术的各个模块，不断增强其高效性，创新研究出具有独立自主知识产权的冲砂洗井技术体系，真正实现冲砂洗井的自主化和智能化。