低壓地層水平井沖砂工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李大建，曾亞勤，何淼

巨亞鋒，崔文昊，郭靖 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院 低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710018）

在低滲透、超低滲透油藏開發(fā)過程中，為提高單井產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)外油田主要采用水平井、壓裂改造的方式進(jìn)行開發(fā)，單井改造、加砂規(guī)模不斷擴(kuò)大，水平井井深、水平段長(zhǎng)度不斷增加。在水平井生產(chǎn)過程中，受到排液方式、生產(chǎn)壓差等因素影響，開發(fā)水平井井筒出砂現(xiàn)象日益嚴(yán)重，由于地層壓力低，傳統(tǒng)沖砂工藝技術(shù) （斜尖沖砂、非連續(xù)沖砂）已無法滿足要求。以長(zhǎng)慶油田水平井開發(fā)情況為例，2013年完鉆水平井超過500口，平均單井加砂規(guī)模在300m3以上，平均井深在2000m左右，統(tǒng)計(jì)顯示出砂水平井達(dá)到68口，年損失產(chǎn)能超過5×104t；由于水平井主要采用五點(diǎn)法井網(wǎng)、自然能量方式開發(fā)，多數(shù)井地層壓力低，目前主要采用斜尖、非連續(xù)沖砂工藝，洗井時(shí)地層漏失嚴(yán)重，沖砂效率低、效果差，低壓地層水平井井筒高效沖砂已迫在眉睫。

為提高低壓地層水平井沖砂效率、效果，國(guó)內(nèi)外油田提出了不同類型水平井井筒沖砂工藝技術(shù)，其中代表性的沖砂方式為：旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂以及井下水力射流泵負(fù)壓沖砂；主要沖砂工藝技術(shù)：一是連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂技術(shù)［1～3］，二是井下液流換向旋轉(zhuǎn)射流反循環(huán)連續(xù)沖砂工藝技術(shù)［4，5］，三是同心管旋轉(zhuǎn)射流負(fù)壓反循環(huán)連續(xù)沖砂工藝技術(shù)［6］。從3種工藝技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看，在取得良好應(yīng)用效果的同時(shí)，對(duì)水平井井況具有相應(yīng)的技術(shù)要求，存在不同的技術(shù)局限性。

在分析總結(jié)以上水平井沖砂技術(shù)原理、特征的基礎(chǔ)上，通過集成創(chuàng)新，基于目前沖砂工藝技術(shù)原理前提下，首次創(chuàng)新提出了低壓地層水平井井筒高效沖砂工藝設(shè)計(jì)，能有效解決目前沖砂工藝技術(shù)局限，進(jìn)一步提高了工藝技術(shù)的適應(yīng)性，對(duì)低壓地層水平井井筒高效沖砂具有一定借鑒意義。

1 典型低壓地層水平井沖砂工藝技術(shù)分析

1.1 連續(xù)油管沖砂技術(shù)

連續(xù)油管沖砂技術(shù)主要有3種方式：連續(xù)油管配套普通油管正循環(huán)連續(xù)沖砂、連續(xù)油管正循環(huán)連續(xù)沖砂、同心連續(xù)油管正循環(huán)連續(xù)沖砂。其工藝技術(shù)原理主要是通過連續(xù)油管與普通油管、套管或連續(xù)油管本身建立循環(huán)通道，實(shí)現(xiàn)水平井的連續(xù)沖砂，配套沖砂工具主要為旋轉(zhuǎn)射流沖砂器以及水力射流泵（同心連續(xù)油管配套應(yīng)用）。主要技術(shù)特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)水平井連續(xù)不停泵沖砂，沖砂效率高，尤其是配套水力射流泵沖砂，水力射流在井底返排液入口附近形成負(fù)壓，易提高返排液流速，促進(jìn)返排，進(jìn)一步提高水平井段沖砂洗井效果；但連續(xù)油管沖砂技術(shù)由于配套連續(xù)油管，成本過高，對(duì)井場(chǎng)、道路條件要求苛刻，井眼軌跡復(fù)雜井沖砂管柱下入過程中易發(fā)生管柱卡鉆，甚至鎖死、壓折，影響了技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的推廣應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外油田主要以試驗(yàn)為主。

1.2 井下液流換向旋轉(zhuǎn)射流反循環(huán)連續(xù)沖砂技術(shù)

工藝技術(shù)原理：配套專用洗井井口、反洗井閥、工作筒、液流轉(zhuǎn)向器、皮碗封隔器、旋轉(zhuǎn)射流沖砂器等井下工具，工藝管柱見圖1。沖砂洗井時(shí)，由油套環(huán)空泵入沖砂洗井液，洗井液經(jīng)轉(zhuǎn)向皮碗封隔器轉(zhuǎn)向后，進(jìn)入皮碗封隔器以下油管內(nèi)，流經(jīng)旋轉(zhuǎn)射流沖砂器后，在水平井段形成旋轉(zhuǎn)水射流，沖擊、攪拌懸浮水平段井筒內(nèi)的積砂；返排液在一定返排流速條件下，攜帶懸浮砂粒從油套環(huán)空返排，流經(jīng)轉(zhuǎn)向皮碗封隔器后，液流再次轉(zhuǎn)向進(jìn)入到轉(zhuǎn)向皮碗封隔器上油管柱內(nèi)繼續(xù)向井口方向返排，在井口附近，通過反洗閥后，返排液由油管轉(zhuǎn)向進(jìn)入油管與工作筒環(huán)空，返排至地面。在沖砂洗井過程中，井口接油管單根時(shí)，在反洗閥作用下，通過改變返排液液流方向?qū)崿F(xiàn)不停泵連續(xù)沖砂洗井，有效提高了井筒沖砂效率。

工藝技術(shù)特點(diǎn)：沖砂效率高，水平井段旋轉(zhuǎn)射流沖擊力大，產(chǎn)生湍流流態(tài)促進(jìn)砂粒懸浮返排；但是在長(zhǎng)水平段井筒沖砂洗井時(shí)，由于返排流速低，返排液在返排過程中，由于垂向距離短，懸浮砂粒在重力作用下容易發(fā)生二次沉積，形成新的砂橋，一定程度上降低了沖砂效果，嚴(yán)重時(shí)在大斜度井段的二次積砂可能導(dǎo)致卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 同心油管反循環(huán)負(fù)壓旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂技術(shù)

工藝技術(shù)原理：井筒內(nèi)下入同心油管柱 （外油管通過絲扣連接，內(nèi)油管通過插接、膠圈密封方式連接），建立獨(dú)立沖砂洗井液循環(huán)通道，配套負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流沖砂器 （水力射流泵與旋轉(zhuǎn)射流沖砂器有機(jī)結(jié)合）。沖砂洗井時(shí)，由同心油管柱環(huán)空泵入洗井液，在井底沖砂洗井液分流，一部分洗井液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)射流沖砂器，形成旋轉(zhuǎn)水射流，沖擊、攪動(dòng)懸浮井筒內(nèi)積砂，返排液攜帶懸浮砂粒返排；一部分沖砂洗井液進(jìn)入水力射流泵，形成井筒沖砂反向水射流，返排液進(jìn)入同心油管中心返排通道附近形成負(fù)壓，提高返排液水平井段返排流速，促進(jìn)水平井段返排與攜砂。井口連接油管單根時(shí)，通過地面改變液流方向，實(shí)現(xiàn)不停泵連續(xù)沖砂，沖砂工藝管柱見圖2。

工藝技術(shù)特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流沖砂，提高了沖砂效率、效果。由于返排液主要依靠插接式、膠圈密封油管建立循環(huán)通道，受到管柱抗拉強(qiáng)度限制，該工藝目前主要在淺井上應(yīng)用，新疆油田37口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明效果良好，但最大下入井深只有1028m。

圖1 井下液流換向旋轉(zhuǎn)射流反循環(huán)連續(xù)沖砂工藝管柱

2 低壓地層水平井沖砂工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為了滿足長(zhǎng)水平段、低壓地層、深水平井井筒沖砂洗井技術(shù)要求，進(jìn)一步降低沖砂作業(yè)成本，針對(duì)性提出了 “普通油管連續(xù)沖砂、旋轉(zhuǎn)射流沖砂、井底負(fù)壓式?jīng)_砂”相結(jié)合的工藝技術(shù)思路，主要是在井下液流換向旋轉(zhuǎn)射流反循環(huán)連續(xù)沖砂技術(shù)、同心油管反循環(huán)負(fù)壓旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，通過集成創(chuàng)新，充分發(fā)揮以上兩種工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，避免存在的技術(shù)局限，形成一種適應(yīng)低壓地層水平井高效沖砂洗井工藝技術(shù)。

2.1 沖砂工藝管柱設(shè)計(jì)

根據(jù)以上提出的高效沖砂工藝技術(shù)思路，通過技術(shù)論證，設(shè)計(jì)成功低壓地層水平井普通油管負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝，工藝管柱見圖3。

工藝管柱：主要配套專用洗井井口、反洗閥、工作筒、液流轉(zhuǎn)向器、皮碗封隔器、同心油管、水力射流泵、旋轉(zhuǎn)射流沖砂器等井下工具。主要工藝原理：井口連接油管單根時(shí)，通過反洗閥液流轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)不停泵連續(xù)沖砂，油套環(huán)空泵入沖砂洗井液，流經(jīng)轉(zhuǎn)向器后進(jìn)入皮碗封隔器以下同心油管柱環(huán)空至井底，沖砂洗井液在井底沖砂器附近分流，一部分沖砂洗井液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)射流沖砂器形成旋轉(zhuǎn)水射流，沖擊攪動(dòng)懸浮水平段井筒內(nèi)積砂；一部分沖砂洗井液進(jìn)入水力射流泵，形成反向水射流，在井底形成負(fù)壓，提高返排流速，促進(jìn)水平井段返排液返排，實(shí)現(xiàn)水平井高效連續(xù)沖砂洗井。

圖2 同心油管反循環(huán)負(fù)壓旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝管柱

2.2 主要工藝技術(shù)特點(diǎn)

普通油管負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝?yán)碚撋嫌袡C(jī)結(jié)合了井下液流換向旋轉(zhuǎn)射流反循環(huán)連續(xù)沖砂工藝、同心油管反循環(huán)負(fù)壓旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效避免了兩種工藝的技術(shù)局限，實(shí)現(xiàn)了低壓地層水平井 “普通油管連續(xù)沖砂、旋轉(zhuǎn)射流沖砂、井底負(fù)壓式?jīng)_砂”的目的，滿足了長(zhǎng)水平段、低壓地層、深水平井井筒沖砂洗井的技術(shù)要求；配套工具方面，目前反洗閥、專用洗井井口、工作筒、皮碗封隔器、同心油管、負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流沖砂器等工具已經(jīng)成熟，需要研發(fā)配套新型液流轉(zhuǎn)向器，即可滿足工藝技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

圖3 普通油管負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝管柱

2.3 配套關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)

依據(jù)新型轉(zhuǎn)向器液流轉(zhuǎn)向技術(shù)要求，通過與皮碗封隔器集成，設(shè)計(jì)了新型轉(zhuǎn)向皮碗封隔器，其結(jié)構(gòu)見圖4。新型液流轉(zhuǎn)向皮碗封隔器上接頭通過絲扣與普通油管連接，下接頭通過絲扣與同心油管連接，油套環(huán)空沖砂洗井液由轉(zhuǎn)向入口進(jìn)入同心油管柱環(huán)空，至井底沖砂工具處分流。返排液由同心油管中心返排通道向上返排，流經(jīng)轉(zhuǎn)向皮碗封隔器后進(jìn)入油管，返至井口，經(jīng)過反洗閥后再次轉(zhuǎn)向進(jìn)入井口油管與工作筒環(huán)空后返出地面。

圖4 新型液流轉(zhuǎn)向皮碗封隔器結(jié)構(gòu)三維圖示

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

1）連續(xù)、負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流沖砂是低壓地層水平井較為有效的沖砂洗井方式。

2）通過 “井下液流換向旋轉(zhuǎn)射流反循環(huán)連續(xù)沖砂工藝、同心油管反循環(huán)負(fù)壓旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝”的集成創(chuàng)新、關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)，形成了普通油管負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝，通過技術(shù)原理分析，理論上是可行的。

3）普通油管負(fù)壓式旋轉(zhuǎn)射流連續(xù)沖砂工藝能夠滿足長(zhǎng)水平段、低壓地層、深水平井沖砂洗井技術(shù)要求，相對(duì)連續(xù)油管沖砂工藝技術(shù)，能夠降低沖砂作業(yè)成本，下一步需要開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

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