連續(xù)油管鉆磨清管工藝研究及應(yīng)用

江 武，唐青雋，米紅學(xué)，李國亮，魏少波，曹銀萍

(1.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司試油公司，新疆 克拉瑪依 834000)(2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

連續(xù)油管鉆磨工藝廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖、吉木薩爾地區(qū)試油井的通井、鉆塞、沖砂及清管等常規(guī)作業(yè)，其作業(yè)主要集中在井深5 000 m以內(nèi)、地層壓力70 MPa以下的油水井。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣試油井具有高溫、高壓、高產(chǎn)的特征[1]，以高探1井為例，地層壓力達(dá)到134 MPa、地層溫度146 ℃，生產(chǎn)的原油為含膠質(zhì)、瀝青及蠟的輕質(zhì)油，試產(chǎn)期間原油中膠質(zhì)物析出并附著在完井管柱管壁，導(dǎo)致油壓、產(chǎn)量下降，嚴(yán)重影響了井的正常生產(chǎn)[2]，一旦膠質(zhì)物過多堵塞管柱，圈閉壓力接近甚至達(dá)到100 MPa。

為解決高溫、高壓、高產(chǎn)油井管壁清理的技術(shù)難題，筆者持續(xù)開展工藝難點(diǎn)分析、技術(shù)論證、方案設(shè)計和現(xiàn)場試驗，形成了利用連續(xù)油管實(shí)現(xiàn)高壓、高產(chǎn)油井生產(chǎn)管柱的鉆磨清管工藝。該工藝先后在高探1井應(yīng)用2次，保證了油井的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣高探1井概況

高探1井的油層套管結(jié)構(gòu)為φ177.8 mm×13.72 mm+φ139.7 mm×14.27 mm；完井投產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)為φ88.9 mm油管+φ139.7 mm井下安全閥+φ88.9 mm油管+φ73 mm油管+MHR永久式封隔器+投撈式堵塞器+POP球座，完井工具參數(shù)見表1。

表1 高探1井完井工具參數(shù)表

高探1井生產(chǎn)66 d后，起出射孔測試聯(lián)作管柱，發(fā)現(xiàn)管柱內(nèi)壁2 800 m以上部位附著厚度10～13 mm的膠質(zhì)物，析膠深度與溫度、壓力的關(guān)系曲線如圖1所示。為保證該井長期穩(wěn)定生產(chǎn)，根據(jù)析出膠質(zhì)物情況，考慮采用連續(xù)油管定期對生產(chǎn)管柱管壁進(jìn)行清理，預(yù)防井筒堵塞。

圖1 高探1井析膠深度與溫度-壓力關(guān)系圖

2 鉆磨清管技術(shù)難點(diǎn)

1)預(yù)測清管期間井口流動溫度會超過100 ℃。井筒高溫對螺桿馬達(dá)性能要求高；地面高溫易導(dǎo)致防噴系統(tǒng)、地面流程密封失效。

2)高壓導(dǎo)致作業(yè)井控風(fēng)險高。高壓對連續(xù)油管產(chǎn)生較大的上頂力，可能造成注入頭夾持塊與防噴盒之間的自由端折斷損毀[3]，對連續(xù)油管疲勞壽命的影響較大[4]。

3)連續(xù)油管與油管壁之間的間隙較小，產(chǎn)量高時管壁摩阻大，連續(xù)油管在接近極限的工況下作業(yè)，懸重的可操作安全范圍窄。

4)析膠點(diǎn)深。常規(guī)油井結(jié)蠟析膠深度一般不超過1 500 m，而高探1井析膠深度達(dá)到2 800 m，導(dǎo)致連續(xù)油管帶壓作業(yè)時間更長，防噴盒動密封長時間磨損易發(fā)生泄漏。

3 鉆磨清管方案設(shè)計

高探1井4 mm油嘴試產(chǎn)油壓91 MPa，井口壓力基本達(dá)到了目前國內(nèi)連續(xù)油管及105 MPa防噴系統(tǒng)的耐壓極限。為了確保安全施工，通過調(diào)整油嘴增大生產(chǎn)壓差，將油壓由91 MPa降低至60～70 MPa，采用連續(xù)油管底帶三刮刀實(shí)施鉆磨清管作業(yè)。

1)連續(xù)油管選擇。

連續(xù)油管尺寸的選擇取決于生產(chǎn)管柱的內(nèi)徑、施工壓力、排量和注入頭性能等參數(shù)[5]。高壓井作業(yè)時，需采用大尺寸連續(xù)油管才能確保有足夠的強(qiáng)度，但是尺寸越大，連續(xù)油管承受的上頂力越大?；谝陨峡紤]，選用了外徑為44.45 mm、壁厚為3.96～5.16 mm的連續(xù)油管。

2)防噴系統(tǒng)設(shè)計。

參考標(biāo)準(zhǔn)API RP 16ST，配備105 MPa雙聯(lián)防噴盒及105 MPa雙防噴器組[6]，使其具備兩道安全可靠的井屏障，防噴系統(tǒng)的連接部位均采用法蘭連接。

3)鉆磨清管工具設(shè)計。

設(shè)計的鉆磨清管工具結(jié)構(gòu)為φ44.45 mm連續(xù)油管+接頭+雙活瓣單流閥+馬達(dá)頭總成+φ45 mm螺桿馬達(dá)+φ55 mm三刮刀[7]。針對高探1井高壓高產(chǎn)的特點(diǎn)，使用φ45 mm的小尺寸螺桿馬達(dá)，螺桿馬達(dá)外徑小于三刮刀外徑，有助于鉆磨的膠質(zhì)物返出，防止膠質(zhì)物堆積造成油管堵塞；該型號螺桿馬達(dá)工作壓降為2.3 MPa，可降低施工泵壓。螺桿馬達(dá)性能參數(shù)見表2。

表2 螺桿馬達(dá)性能參數(shù)對比表

為提高鉆磨效率，有利于碎屑返出，需對三刮刀進(jìn)行優(yōu)化：設(shè)計15°的切屑面及斜坡度導(dǎo)流槽[8](如圖2所示)。為提高懸重安全操作窗口，減小了底端橫截面積，降低了上頂力。

圖2 三刮刀示意圖

4)地面流程設(shè)計。

采用140 MPa超高壓地面生產(chǎn)流程及排污流程[9]，包括節(jié)流控壓系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、除砂濾砂系統(tǒng)。

雙級節(jié)流控壓系統(tǒng)由140 MPa油嘴管匯、105 MPa油嘴管匯構(gòu)成，具備快速調(diào)整井口壓力的功能。

安全控制系統(tǒng)包括ESD緊急關(guān)斷閥、遠(yuǎn)程電控閘閥、MSRV緊急泄壓閥，其能在出現(xiàn)異常情況時快速關(guān)井。

除砂濾砂系統(tǒng)的主體為140 MPa濾筒式除砂器，并安裝間隙為2 mm的繞絲式過濾網(wǎng)。通過過濾鉆磨返出的膠質(zhì)物，一方面保證循環(huán)液體的清潔，確保螺桿馬達(dá)穩(wěn)定工作；另一方面可通過對膠質(zhì)物的分析，實(shí)時調(diào)整清管工藝參數(shù)。

4 鉆磨參數(shù)控制

4.1 上頂力計算

受井內(nèi)壓力影響，下入連續(xù)油管時，連續(xù)油管承受較大的上頂力?？紤]到管外沿程摩阻[10]及防噴盒夾緊產(chǎn)生的附加阻力，根據(jù)力與壓強(qiáng)的關(guān)系公式，連續(xù)油管承受的上頂力F為：

F=P×S+4 000×9.81

(1)

式中：P為壓強(qiáng)，Pa；S為受力面積，m2。

不同井口油壓下連續(xù)油管的上頂力如圖3所示。鉆磨清管前，采用增大油嘴試產(chǎn)的方式將油壓降低至60～70 MPa，此時上頂力為(132.3～147.9)×103N，遠(yuǎn)低于連續(xù)油管的抗擠毀上頂力179.2×103N，由此說明連續(xù)油管選型合理，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 上頂力與油壓關(guān)系曲線圖

4.2 施工排量計算

根據(jù)水力學(xué)實(shí)驗及沉降公式可知，圓球形固體顆粒在靜止液體中沉降速度vα為[11]：

(2)

實(shí)際鉆磨作業(yè)中，井筒流體為紊流狀態(tài)，在紊流區(qū)(1 000

假設(shè)鉆磨清管后形成的膠質(zhì)物顆粒直徑為3 mm，密度為2 g/cm3，則其自由沉降速度為0.295 m/s，環(huán)空止動返速應(yīng)達(dá)到0.59 m/s以上。使用10 mm油嘴試產(chǎn)時，日產(chǎn)油810 m3，該產(chǎn)量在環(huán)空中返速達(dá)到4.11 m/s，已具備足夠的攜帶能力。使用滑溜水為鉆磨液，降阻率可達(dá)到45%以上，進(jìn)一步提高了降阻和攜屑能力。綜合考慮螺桿鉆具的最優(yōu)性能參數(shù)和返排攜屑效果，鉆磨期間排量選擇90～150 L/min。

4.3 施工泵壓計算

高探1井所使用的連續(xù)油管外徑為44.45 mm，工具端油管內(nèi)徑為36.58 mm，長度為3 100 m。當(dāng)排量為150 L/min時，管內(nèi)流速為2.38 m/s。將連續(xù)油管視為光滑管[13]，摩阻系數(shù)符合尼庫拉則與卡門公式：

(3)

式中：λ為摩阻系數(shù)；l為管柱長度，m。

由式(3)算得摩阻系數(shù)λ=0.024，將λ代入摩阻計算公式：

(4)

式中：Pf為連續(xù)油管的摩阻，MPa；d1為管柱內(nèi)徑，m；v1為流體速度，m/s。

由式(4)算得連續(xù)油管的摩阻Pf為5.8 MPa。考慮螺桿馬達(dá)的循環(huán)壓耗，預(yù)計施工泵壓為68～82 MPa，控制連續(xù)油管外壓與內(nèi)壓差值小于50 MPa，可確保施工安全。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

采用φ44.45 mm連續(xù)油管，在井口流動壓力為64.8 MPa、井口流動溫度為103 ℃、日產(chǎn)液為1 020 m3的條件下，鉆磨清管至2 820 m，連續(xù)油管施工泵壓為67.0～80.2 MPa，排量為100～150 L/min，帶壓作業(yè)時間為680 min，完成高探1井連續(xù)油管帶壓清管作業(yè)。

因油管壁上附著的膠質(zhì)物較多，在井深0～980 m進(jìn)行鉆磨清管時多次遇阻，最大上頂力達(dá)到抗擠毀上頂力179.2×103N。

針對遇阻現(xiàn)象分析，連續(xù)油管清管遇阻原因主要有：1)井筒溫度不利于膠質(zhì)物軟化返出，鉆磨形成的膠質(zhì)物在鉆頭底部堆積；2)連續(xù)油管呈螺旋彎曲狀下入，與管壁殘余膠質(zhì)物之間的粘滯摩阻較大。通過優(yōu)化鉆磨參數(shù)，采取以下措施，解決了遇阻難題，順利完成了清管作業(yè)。

1)優(yōu)化排量。在井深33 m清管遇阻后，將泵注排量由150 L/min降低至100 L/min(圖4)，井口溫度由81 ℃上升至90 ℃。此時，油管壁上附著的膠質(zhì)物在高溫下開始軟化，鉆磨效果變好。

圖4 調(diào)整排量與懸重變化的關(guān)系圖

2)降低磨阻。由于連續(xù)油管在油管內(nèi)鉆磨時形成了螺旋形通道，受高產(chǎn)量影響，連續(xù)油管下入摩阻為40 kN，上頂力為135 kN，總懸重接近抗擠毀上頂力(179.2 kN)。因此筆者采取短起(圖5)的方式降低下管摩阻，共短起8次，每次短起后懸重均呈下降趨勢。鉆磨清管至979 m并短起后，懸重恢復(fù)正常，后保持5～10 m/min的下管速度，連續(xù)鉆磨清管至2 820 m。

圖5 短起與懸重變化關(guān)系圖

鉆磨清管后，在除砂器中安裝2 mm過濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)內(nèi)壁及頂端取得了部分膠質(zhì)物樣品，分析結(jié)果見表3。

通過對鉆磨清管作業(yè)的懸重分析，結(jié)合遇阻情況判斷，認(rèn)為高探1井井筒膠質(zhì)物分布具有表4所示規(guī)律。

表3 高探1井膠質(zhì)物成分分析 %

表4 高探1井油管壁膠質(zhì)物分布

6 結(jié)論

1)連續(xù)油管鉆磨工藝適用于高溫高壓油氣井的油管壁清理，無需動管柱，可在生產(chǎn)油管內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)，具有安全、高效、周期短等特點(diǎn)。

2)鉆磨清管工具的選擇是清管工藝成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。針對高產(chǎn)井，設(shè)計具有切屑面和導(dǎo)流槽的三刮刀鉆頭、選用低排量螺桿馬達(dá)，可降低上頂力，且有利于膠質(zhì)物返出。

3)結(jié)合堵塞物特性、井筒膠質(zhì)物分布狀態(tài)，清管期間應(yīng)及時調(diào)整鉆壓、排量等鉆磨參數(shù)，同時采取短起等措施降低連續(xù)油管下入摩阻。