一种大排量连续式井下清砂解堵管柱及其清砂解堵工艺技术领域
本发明涉及石油工业中采油井井筒机械清砂技术领域，尤其涉及一种大排量连续
式井下清砂解堵管柱及其清砂解堵工艺。
背景技术
油井出砂是国内外砂岩性油藏开采过程中面临的主要问题之一，严重影响和制约
原油的正常生产和经济效益的提高。尤其是对于处在中后期开采的油田，受油井含水高、地
层压降大及单井高强度放差提液与生产层段的注采不平衡等不利因素的影响，地层亏空、
负压严重，油井普遍严重出砂。
捞砂泵负压捞砂工艺技术是被各油田广泛应用的一种用于清除井筒沉积砂的方
法。传统的捞砂泵负压捞砂工艺管柱结构自上而下依次为：动力油管，捞砂泵，储砂油管，捞
砂锥。采用反复上提下放的连续抽汲方式使井筒中的沉积砂在井液的携带作用下被抽汲进
并沉降在储砂油管中，而井液通过捞砂泵顶端的循环孔再循环回流进井筒套管中。这种捞
砂技术具有工艺成熟、操作简单的特点。但是，当井筒沉积砂柱很厚、砂面较高，而动液面却
比较深时，就会造成只能下入少量几根的储砂油管，以保证捞砂泵顶部的游动阀必须沉没
在动液面以下具有足够的沉没压力，从而提高游动阀的密封性。但是，少量的几根储砂油管
将只能沉积容纳少量砂，无法一次将井筒厚砂柱捞除干净，必须起下多趟捞砂管柱，经历多
次重复捞砂，延长作业占井时间一到两天才能达到彻底清除井筒沉积砂的目的，造成捞砂
效率低下。尤其是随着滚动开发、深度挖潜程度的不断加大，目前各油田投入开发的深井、
动液面很深的低能量采油井越来越多，这些井采用传统捞砂工艺进行井筒清砂作业时表现
出来的捞砂效率低、捞砂不彻底，甚至捞砂失败的问题更为突出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种井筒清
砂效率高且可以实现地层解堵功能的大排量连续式井下清砂解堵管柱及其清砂解堵工艺。
本发明所采用的技术方案为：一种大排量连续式井下清砂解堵管柱，包括泵筒，在
泵筒内安设有中空的柱塞和柱塞连杆，其特征在于：柱塞连杆的上端连接有游动阀，所述游
动阀的上端与泵上油管密封相连，泵筒的下端与捣砂器相连，在捣砂器的上端内部设有底
部阀门，通过不断的上提下放泵上油管，泵上油管带动柱塞不停的上下运动，携砂井液被抽
入泵筒后通过泵上油管向井口返排。
按上述技术方案，所述游动阀包括阀体，所述阀体的两端分别与柱塞连杆和泵上
油管相连，所述阀体内设有阀口朝上的阀球座，在阀球座上配置有阀球，在阀体的上端设有
顶部球阀挡板，在顶部球阀挡板上设有多个过流孔。
按上述技术方案，所述底部阀门为盖板式阀片，其包括在捣砂器上端内部设置内
径变小的阀口，在阀口的上部固设有底部盖板，所述底部盖板的一端与捣砂器通过扭簧相
铰接，通过底部盖板的上翻和落下，实现阀口的开或关。
按上述技术方案，所述捣砂器的底部为尖锥状，在捣砂器的内部设有中空的腔体，
在捣砂器的侧壁和底部均设有多个进液孔。
按上述技术方案，所述泵筒顶部的螺纹根部对称设有对穿的呼吸孔。
按上述技术方案，所述泵筒的下端既可以通过泵下油管与捣砂器相连，又可以与
捣砂器直接相连。
按上述技术方案，所述捣砂器包括驱动螺杆，在驱动螺杆的外壁沿周向设有多条
螺旋滑道，在驱动螺杆外套装有棘轮机构，所述棘轮机构上设有径向凸出件，所述径向凸出
件对应嵌设在螺旋滑道内，并能沿螺旋滑道的轨迹进行滑移，从而将径向凸出件的螺旋滑
移运动转化成棘轮机构的旋转运动，所述棘轮机构通过设置在驱动螺杆上的复位弹簧复
位，在棘轮机构下端依次连接有支撑筒和捣砂锥，所述驱动螺杆的下端伸入支撑筒之内，并
通过密封接头与支撑筒密封套接，且可相对支撑筒轴向滑移。
按上述技术方案，所述棘轮机构包括主动棘轮和从动棘轮，所述径向凸出件对称
安设在主动棘轮的内壁，所述主动棘轮的下端面设有主动啮合齿，所述从动棘轮的上端面
设有从动啮合齿，主动啮合齿与从动啮合齿相啮合。
按上述技术方案，所述捣砂锥包括捣砂锥本体和捣砂锥钻头，在捣砂锥本体内设
有进砂腔，在捣砂锥本体上设有多个捣砂锥本体进液孔与进砂腔相连通，捣砂锥本体的上
端设有盖板式阀片，所述盖板式阀片的一端与捣砂锥本体通过扭簧相铰接，所述盖板式阀
片用于打开和关闭在捣砂锥本体上设置的排砂通道，所述捣砂锥钻头与捣砂锥本体相连，
在所述捣砂锥钻头的外壁设有多个螺旋式钻齿，在相邻钻齿形成的凹槽上同样设有多个钻
头进液孔，所述钻头进液孔与捣砂锥钻头的中心孔相连通。
一种大排量连续式井下清砂解堵管柱的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将大排量连续式井下清砂解堵管柱下放至井筒的砂面处；
步骤二、从井口向泵上油管内灌入一定体积的清水，使游动阀的阀球与阀口密封
配接；
步骤三、在井口油管上连接水龙带，不断的上提下放泵上油管，泵上油管带动柱塞
不停的上下运动，携砂井液被抽入泵筒后通过泵上油管向井口返排，最终通过水龙带排污
进地面污水处理设备。
本发明所取得的有益效果为：
1、本发明的游动阀上部采用封闭的结构，游动阀上部不再设置侧向循环孔，井液
不会再回流进井筒，固相颗粒会在连续抽汲作用下随井液沿泵筒和泵上油管串始终向井口
返排，最终通过井口水龙带排污进地面污水罐，只需下一趟该工艺管柱连续操作就能将井
筒沉积砂彻底清除干净，清砂效率大大的得到提高；
2、由于本发明实现了连续抽排清砂功能，无需再设置储砂管，泵筒的下端既可以
与捣砂器直接相连，也可以通过一根油管或油管短节相连，使得泵下余隙大大缩小，进一步
提升了抽吸能力；
3、本发明的捣砂器通过控制驱动螺杆的向下运动，带动棘轮机构产生正向(俯视
顺时针)旋转，所述棘轮机构的旋转带动支撑筒及捣砂锥正向旋转实现捣砂，上提驱动螺杆
时，从动棘轮不发生旋转，主动棘轮与从动棘轮在复位弹簧的作用下复位，使捣砂锥能够以
自动旋转钻磨的方式将井筒沉积砂柱的硬质砂盖钻磨捣碎，进而实现正常的抽汲捞砂作
业，提高捞砂成功率；
4、本发明的捣砂锥的下端设有捣砂锥钻头，在捣砂锥钻头上设有钻齿，有效的提
高了捣砂效率；
5、由于游动阀上部与泵上油管密封连接，游动阀所受的沉没压力与井筒液面毫无
关系，运用本发明的清砂解堵工艺进行井筒清砂作业时将不再受井筒沉积砂柱很厚、砂面
较高，而动液面却比较深这种矛盾因素限制；且，随着泵筒上部油管中不断上返的液柱越来
越高，泵筒顶部游动阀所承受的沉没压力也会随之越来越高，上冲程的密封可靠性、在抽砂
泵筒中形成的负压抽汲强度、抽汲清砂效率随之都会不断提高。
附图说明
图1为本发明提供的大排量连续式井下清砂解堵管柱的结构图。
图2为本发明提供的大排量连续式井下清砂解堵管柱上提管柱时井液的流向示意
图。
图3为图1中的B-B剖视图。
图4为图1中的A-A剖视图。
图5为本发明中提供的捣砂器的结构图。
图6为图5中的A-A剖视图。
图7为图5中B处的主剖视图。
图8为捣砂器的驱动螺杆的立体图。
图9为本发明中棘轮机构的爆炸示意图。
图中：1—水龙带；2—泵上油管；3—顶部球阀挡板；4—顶部球阀；5—顶部球阀座；
6—泵筒；6-1—泵筒呼吸孔；7—柱塞连杆；8—柱塞；9—泵下油管；10—捣砂锥；10-1—盖板
式阀片；10-2—捣砂锥进液孔；11—沉积砂；12—人工井底；13—井液；14—套管；15—井口；
16—驱动螺杆；16-1—螺杆接头；16-2—螺杆螺旋滑道；17—弹簧；18—滑动垫片；19—销
钉；20—主动棘轮；21—从动棘轮；22—支撑筒；22-1—支撑筒呼吸孔；23—密封接头；24—
密封圈；25—密封环；26—变扣接头；27—捣砂锥；27-1—盖板式阀片；27-2—捣砂锥本体；
27-2-1—捣砂锥本体进液孔；27-3—捣砂锥钻头；27-3-1—钻头进液孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-4所示，本实施例提供了一种大排量连续式井下清砂解堵管柱，包括泵筒6，
在泵筒6内安设有中空的柱塞8和柱塞连杆7，柱塞8可以相对泵筒6上下滑移，两者之间的间
隙小于砂体颗粒直径，所述泵筒的侧壁设有对穿的呼吸孔6-1，该呼吸孔6-1位于泵筒6顶部
螺纹的根部。柱塞连杆7的上端连接有游动阀，所述游动阀的上端与泵上油管2密封相连，泵
筒6的下端与捣砂器10相连。
所述游动阀包括阀体，所述阀体的两端分别与柱塞连杆7和泵上油管2相连，所述
阀体内设有阀口朝上的阀球座5，在阀球座5上配置有阀球4，在阀体的上端设有顶部球阀挡
板3，在顶部球阀挡板上设有多个过流孔。
本实施例中，所述捣砂器10的底部为尖锥状，在捣砂器的内部设有中空的腔体，在
捣砂器的侧壁和底部均设有多个进液孔10-2，在捣砂器上端内部设置内径变小的阀口，在
阀口的上部设有盖板式阀片10-1，所述盖板式阀片10-1的一端通过扭簧与捣砂器的内壁相
铰接，通过盖板式阀片10-1的翻转，实现阀口的开或关。
本实施例中，泵筒的下端与捣砂器之间不再需要连接储砂油管，两者可以直接相
连，也可以通过一根泵下油管9或油管短节与捣砂器相连。
上述大排量连续式井下清砂解堵管柱的清砂解堵工艺，包括如下步骤：
步骤一、将大排量连续式井下清砂解堵管柱下放至井筒的砂面11处，使捣砂器与
砂面接触；
步骤二、从井口向泵上油管内灌入一定体积的清水，使游动阀的阀球4与阀口密封
配接；
步骤三、在井口油管上连接水龙带1，使用修井设备上提泵上油管2，泵上油管2带
动柱塞8上行，此时，游动阀关闭，盖板式阀片10-1打开，，携砂井液13一起通过捣砂器的进
液孔10-2及盖板式阀片10-1的阀口进入泵筒6内；柱塞8到达上死点后，下放泵上油管，推动
柱塞8下行，此时，盖板式阀片10-1关闭，游动阀打开，砂粒在井液的携带下通过泵上油管2
向井口15返排，最终通过水龙带1排污进地面污水罐。如此连续循环往复，井筒砂面不断下
降，砂柱逐渐变薄，只需在井口第一油管和水龙带之间逐根连接单根油管来加长整个清砂
管柱，从而实现不断下行清砂，实现下一趟该工艺管柱连续操作就能将井筒沉积砂彻底清
除干净。同时，因游动阀上部没有侧向循环孔，井筒液面压力不再作用在游动阀上。也就是
说，游动阀所受的沉没压力与井筒液面毫无关系，运用该工艺技术进行井筒清砂作业时将
不再受井筒沉积砂柱很厚、砂面较高，而动液面却比较深这种矛盾因素限制。而且，随着泵
上油管中不断上返的液柱越来越高，顶部游动阀所承受的沉没压力也会随之越来越高，上
冲程的密封可靠性、在抽砂泵筒中形成的负压抽汲强度、抽汲清砂效率随之都会不断提高。
另外，泵筒采用泵径规格为![]()
的大排量、长冲程井下清砂管柱，通过连续抽排
作业可以对射孔井段形成强力的抽汲作用。而随着井液不断返排出井口，可以持续降低井
筒液面，大幅降低短时间内的井底流压，疏通地层孔道，对油井起到一定的解除堵塞作用，
使其作业完开抽后能够及时恢复产能并得到一定程度的增产效果。
本实施例中，为了进一步提高本发明的清砂效率，本发明的捣砂器也可以设置成
自旋钻进式捣砂器，其结构如图5-9所示，其包括驱动螺杆16，在驱动螺杆16的外壁沿周向
设有至少4条螺旋滑道16-2，在驱动螺杆16外套装有棘轮机构，所述棘轮机构包括主动棘轮
20和从动棘轮21，主动棘轮20的下端面设有主动啮合齿，所述从动棘轮21的上端面设有从
动啮合齿，主动啮合齿与从动啮合齿相啮合。在主动棘轮20的内壁对称设有4个径向凸出件
19，所述径向凸出件19对应嵌设在螺旋滑道16-2内，并能沿螺旋滑道的轨迹进行滑移，从而
将径向凸出件的螺旋滑移运动转化成棘轮机构的旋转运动，其中径向凸出件19可以为销钉
也可以为其它类型的部件，本实施例以为销钉为例进行说明。在驱动螺杆16的上端有一体
式加工成的螺杆接头16-1，所述复位弹簧17抵接在螺杆接头16-1和主动棘轮20之间，所述
棘轮机构通过复位弹簧17复位，在复位弹簧17的下端设有滑动垫片18。在棘轮机构下端依
次连接有支撑筒22和捣砂锥27，所述驱动螺杆16的下端伸入支撑筒22内，在驱动螺杆16的
下端连接有密封接头23，所述密封接头的上端通过密封圈24与驱动螺杆16密封连接，下端
通过密封圈24与支撑筒22实现密封套接，且可相对支撑筒22轴向滑移。在支撑筒22上位于
密封接头23的上方设有支撑筒呼吸孔22-1。
所述捣砂锥27通过变扣接头26与支撑筒22相连，所述捣砂锥27包括捣砂锥本体
27-2和捣砂锥钻头27-3，在捣砂锥本体27-2内设有进砂腔，在捣砂锥本体上设有多个捣砂
锥本体进液孔27-2-1与进砂腔相连通，捣砂锥本体的上端设有盖板式阀片27-1，所述盖板
式阀片27-1的一端与捣砂锥本体27-2通过扭簧相铰接，所述盖板式阀片用于打开和关闭在
捣砂锥本体上设置的排砂通道，所述捣砂锥钻头27-3与捣砂锥本体27-2相连。
在所述捣砂锥钻头27-3的外壁设有多个螺旋式钻齿，在相邻钻齿形成的凹槽上设
有多个钻头进液孔27-3-1，所述钻头进液孔27-3-1与捣砂锥钻头的中心孔相连通。
本实施例的捣砂器的工作原理为：捣砂器支撑在硬质砂盖上，只需井口垂直上下
反复提放管柱，使向下压力传递到捣砂器的驱动螺杆16上，由于主动棘轮20上镶嵌的四颗
驱动销钉是一一对应嵌入在驱动螺杆的四条螺旋滑道22-1中的，当驱动螺杆16向下垂直运
动时，就会将旋转扭矩通过销钉传导到主动棘轮20上，在弹簧17的压力和螺旋滑道16-2对
销钉的正向摩擦力作用下，对主动棘轮20产生俯视顺时针的旋转扭力，由于棘轮机构始终
啮合，主动棘轮20就会将旋转扭力传导到从动棘轮21上，进而带动支撑筒22、变扣接头26和
捣砂锥27产生俯视顺时针的旋转运动，进而使底部捣砂锥钻头27-3对硬质砂盖产生钻磨捣
碎力量；当井口向上提起捞砂管柱时，驱动螺杆16同步上行，此时，在弹簧17的压力和螺旋
滑道对销钉的反向摩擦力作用下，主动棘轮20产生俯视逆时针的旋转运动，但是根据棘轮
机构的原理，主动棘轮20和从动棘轮21将退出啮合状态，即主动棘轮20会在从动棘轮21上
反向滑动，无法将反向旋转扭矩传递到从动棘轮21以下部件上，即从动棘轮21以下部件会
被驱动螺杆16同步提起，但却不会发生旋转，避免了所有连接处螺纹松动退扣的发生。当井
口再次向下加压整个捞砂管柱时，捣砂器将再次重复上述动作，如此循环，达到捣碎硬质砂
盖，捞砂顺利进尺的目的。
通过对螺旋滑道的具体设计，捣砂器每次下冲程可自动旋转3圈，可有效起到对硬
质砂盖的钻磨作用。
捣砂器使用起出后经过清洗、检查、修复可以重复多次使用，其捣砂锥27、盖板式
阀片27-1、弹簧17等均可以拆卸更换。