雙壁鉆桿注氮氣沖砂工藝技術研究

王發(fā)清 任今明 蘭美麗 秦德友 周行文 王方智

中國石油塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

塔里木油田哈拉哈塘、哈得等區(qū)塊,由于地質(zhì)原因?qū)е略S多油氣井在鉆井及生產(chǎn)過程中存在著裸眼生產(chǎn)井段垮塌、出砂、砂埋現(xiàn)象,嚴重影響油氣井正常生產(chǎn)[1]。其中,哈拉哈塘區(qū)塊為奧陶系碳酸鹽巖油藏,平均井深 6 705 m,原始地層壓力76.01 MPa,壓力系數(shù)1.13 MPa/100 m;自2010年投入開發(fā)以來,儲集層虧空明顯,地層壓力下降17 MPa,壓力系數(shù)降至0.88 MPa/100 m[2-4]。

對低壓井的沖砂問題,國內(nèi)外學者提出了水力噴射泵沖砂[5-6]、雙級噴射喉管沖砂[7-8]和低密度氮氣泡沫沖砂[9]等多種沖砂工藝,以減少或避免沖砂液進入地層,造成二次污染。但這些沖砂工藝存在著井下工具結(jié)構(gòu)復雜、砂粒尺寸要求高、單次撈砂進尺小、作業(yè)故障多等問題,不能很好地解決塔里木油田碳酸鹽巖油藏低壓、易漏、無法建立循環(huán)的難題。

1 工藝原理簡介

沖砂工藝的管柱結(jié)構(gòu)及流體流動方向見圖1。高壓氮氣的流動方向如黃色實線所示:由鉆桿內(nèi)注入的高壓氮氣,推動內(nèi)管中的液位下降,被驅(qū)替的液體經(jīng)內(nèi)管與鉆桿間的小環(huán)空向上流動,經(jīng)注氣閥流出到鉆桿與生產(chǎn)套管間的大環(huán)空,使其液位上升。注入的高壓氮氣流到內(nèi)管底部后,將進入內(nèi)管與鉆桿間的小環(huán)空,此時它與攪動而起的沖砂液,在小環(huán)空內(nèi)形成氣液兩相流;此兩相流體經(jīng)注氣閥進入到鉆桿與生產(chǎn)套管間的大環(huán)空。之后,部分兩相流體沿大環(huán)空向上流動,但由于環(huán)空空間大導致氮氣流速不足以將沖砂液攜帶至井口，因此,從井口流出的僅為氮氣。這樣,氮氣便構(gòu)成了一個閉式循環(huán)。

另一方面,由于氮氣的攪動,沖砂液會在井內(nèi)形成另外一個閉式循環(huán):在內(nèi)管與鉆桿間的小環(huán)空以兩相流的形式向上流動,從注氣閥流出后,沿鉆桿與生產(chǎn)套管間的大環(huán)空向下流動,繞過鉆桿底部后,再在鉆桿內(nèi)向上流動(見圖1沖砂液流動方向)。

圖1 雙壁鉆桿注氮氣沖砂工藝技術原理圖Fig.1 Schemetic diagram of sand flushing process by nitrogeninjection with dual-wall drill pipe

2 工具優(yōu)選

撈砂鞋位于鉆桿的底部,在沖砂作業(yè)過程中起到撈砂和破碎砂粒的作用。通過優(yōu)選材質(zhì)、優(yōu)化撈砂鞋的結(jié)構(gòu),合理布局底部、側(cè)部水槽,嚴格控制流道寬度、數(shù)量和長度,增設倒劃眼功能及偏心設計等。撈砂鞋優(yōu)化前后效果圖見圖2。通過優(yōu)化撈砂鞋,提高了其工作效率,降低了堵塞流道、循環(huán)短路和卡鉆的風險。

圖2 撈砂鞋優(yōu)化前(左)后(右)效果圖Fig.2 Optimization effect on bailing shoe before(left) and after(right)

雖然雙壁鉆桿已廣泛應用于石油鉆井中[10],但在沖砂作業(yè)中應用還鮮有報道。由于雙壁鉆桿是本沖砂工藝的關鍵機具,它不僅要懸掛沉砂管、撈砂鞋等井下工具,還要為壓縮氮氣提供下行的通道。另外,它也為沖砂液閉式循環(huán)構(gòu)筑通道,因此,需要對內(nèi)管長度、外管尺寸等參數(shù)進行優(yōu)化。

3 注氣方式的優(yōu)選

一種注氣方式為圖1所示的正注方式,即從鉆桿內(nèi)注氣。另外一種注氣方式為從鉆桿與生產(chǎn)套管間的環(huán)空內(nèi)注氣,高壓氮氣流經(jīng)鉆桿與內(nèi)管間的小環(huán)空,最后從內(nèi)管流出至地面。現(xiàn)在就這兩種注氣方式進行模型分析,以獲得最佳沖砂效果。

3.1 環(huán)空內(nèi)注氣工藝流程與軟件模型

模型的初始狀態(tài)為靜液面以上的各管柱和環(huán)空中均為氣體,以下的所有管柱、環(huán)空中全為液體,具體分布見圖3。隨著高壓氮氣的不斷注入,環(huán)空2和鉆桿外管(即鉆桿與內(nèi)管間的小環(huán)空)內(nèi)的液面均逐漸下降,這些被驅(qū)替的液體流入鉆桿內(nèi)管中,其液面不斷上升,至注氣12.5 h時液體到達井口，此時各管柱內(nèi)的流體分布見圖4。與圖3初始流體分布比較發(fā)現(xiàn),環(huán)空2和鉆桿外管內(nèi)的液面均有所下降且液面持平,說明鉆桿內(nèi)、外部的液體被氣體推動著同步下降。之后,隨著高壓氮氣的持續(xù)注入,環(huán)空2和鉆桿外管的液位同步下落,被驅(qū)替的液體經(jīng)內(nèi)管不斷流出井口,直至注氣19.5 h。此時,氮氣突破內(nèi)管底部,沿內(nèi)管向上流出,井口開始見氣,并不斷發(fā)展成井筒的穩(wěn)定流動狀態(tài),見圖5。在井筒穩(wěn)定流動期間,注入氣在井內(nèi)“空轉(zhuǎn)”,沒能攪動起井內(nèi)的沖砂液。這一結(jié)論,從環(huán)空1和外管管鞋處的液體流量均為零得到了驗證。

a)環(huán)空內(nèi)注氣工藝軟件模型a)Software model of annulus gas injection

b)初始流體分布b)Initial fluid distribution圖3 環(huán)空內(nèi)注氣工藝軟件模型與初始流體分布圖Fig.3 Software model of annulus gas injection and its initial fluid distribution

圖4 環(huán)空內(nèi)注氣工藝12.5 h的流體分布圖Fig.4 Wellbore fluid distributiuon at 12.5 hrof annulus gas injection

圖5 環(huán)空內(nèi)注氣工藝19.5 h的流體分布圖Fig.5 Wellbore fluid distributiuon at 19.5 hrof annulus gas injection

從以上環(huán)空注氣流程分析,以及流體流動與分布可知,這種注氣方式?jīng)]有起到攪動沖砂的作用。因此,不能從環(huán)空內(nèi)注入高壓氮氣以實現(xiàn)沖砂的目的。

3.2 內(nèi)管中注氣工藝流程與軟件模型

如圖1所示,內(nèi)管中注氣工藝流程為:高壓氮氣從井口經(jīng)內(nèi)管流動至內(nèi)管與外管間的小環(huán)空,從注氣閥流出到外管與生產(chǎn)套管間的環(huán)空,最后流出井筒。圖6-a)

a)內(nèi)管注氣工藝軟件模型a)Software model of inner tube gas injection

b)初始流體分布圖b)Initial fluid distribution圖6 內(nèi)管注氣工藝軟件模型及初始流體分布圖Fig.6 Software model of inner tube gas injection and its initial fluid distribution

為該工藝的OLGA軟件模型圖[11-14]。高壓氮氣從注氣點沿雙壁鉆桿的內(nèi)管,向下流動至名稱為“O4W-0_TI_MD_3 000 m”的節(jié)點,之后經(jīng)內(nèi)外管之間的環(huán)空,從注氣閥流動到環(huán)空2,最后流出井筒。圖6-b)為初始狀態(tài)下,模型中流體的分布,井筒中的氣液分布以靜液面為界。

3.3 內(nèi)管中注氣工藝的仿真

圖7 內(nèi)管注氣3.1 h的流體分布圖Fig.7 Wellbore fluid distribution at 3.1 hr ofinner tube gas injection

從圖6-b)所示的初始狀態(tài)開始,內(nèi)管中的液體在注入氣的推動下向下流動進入內(nèi)外管之間的小環(huán)空,由注氣閥處泄漏至鉆桿與生產(chǎn)套管間的大環(huán)空。因而該大環(huán)空中的液面不斷上升,直至3 h氣體開始進入小環(huán)空。之后,氣體在小環(huán)空中快速“指進”。到注氣3.1 h,環(huán)空2(即雙壁鉆桿外管與生產(chǎn)套管間的大環(huán)空)已經(jīng)見氣，此時的流體分布見圖7。隨著氣體不斷注入,從環(huán)空2流出井筒的氣量越來越大,但仍不足以將液體攜帶出井口。與此同時,液體將沿環(huán)空1流動到外管下部,在井內(nèi)形成一個閉式循環(huán)。這一點,從外管管鞋處的液體流量不為零這一現(xiàn)象得到了驗證。本文將這一模型稱為基礎模型。

4 內(nèi)管中注氣工藝參數(shù)的優(yōu)化

為了獲得最優(yōu)的沖砂效果,對注氣量、注氣閥位置、內(nèi)管長度和外管尺寸等參數(shù)進行了敏感性分析。

4.1 注氣量

注氣量對沉砂管處流量、流速,對井底流動壓力和井口注氣壓力的影響見表1。從表1可以看出:鉆桿內(nèi)與環(huán)空內(nèi)的流量在注氣量相同時可視為相等,而隨著注氣量的增加,流速先大后小,且最優(yōu)注氣量在13 308 ～26 617 m3/d之間,即現(xiàn)場常用的制氮車便可滿足其需求。注氣量對井底流動壓力的影響可忽略不計,但會使井口注氣壓力升高,這是摩擦阻力增大的緣故。

對于沉砂管處流速,鉆桿內(nèi)流速穩(wěn)定值為1.06 m/s,大于環(huán)空內(nèi)的0.22 m/s。根據(jù)文獻的研究成果[15-21],鉆桿內(nèi)沖砂液的流速遠高于顆粒的沉降速度,說明砂粒能夠被攜帶出產(chǎn)層,并沉淀于沉砂管內(nèi)。

4.2 注氣閥位置

相對于基礎模型,將注氣閥及內(nèi)管柱置于靜液面之上500 m和以下500 m,其余參數(shù)保持不變,得到的沉砂管處鉆桿內(nèi)流量,見表2。從表2得知,同一注氣量下,將注氣閥置于靜液面時(即基礎模型),鉆桿內(nèi)流量最高;且各個注氣量均具有這一規(guī)律。因此,注氣閥的合理位置為靜液面處。

4.3 內(nèi)管長度

在基礎模型上,將內(nèi)管加長 1 000 m,其余參數(shù)不變。表3為兩個模型的對比值,分析該表發(fā)現(xiàn),流量變化不明顯,但內(nèi)管加長引起摩阻變化,因而井口注氣壓力和井底流壓均增大。因此,不推薦加長內(nèi)管。

表1 注氣量對沖砂效果及壓力的影響表

表2 注氣閥位置及注氣量對鉆桿內(nèi)流量的影響表

表3 內(nèi)管加長方案與基礎模型的對比值表

4.4 外管尺寸

基礎方案中所用外管(即鉆桿)尺寸為88.9 mm,為了使流量最大化,還分析了101.6 mm與127 mm鉆桿的井底流壓、鉆桿內(nèi)流量的變化情況，見圖8。從圖8不難看出,127 mm鉆桿可得到較低的流壓,特別是高注氣量時更是如此;因為鉆桿內(nèi)流量更大的緣故，還可提高沖砂效果。外管尺寸為127 mm時攜砂效果最好、101.6 mm 次之、88.9 mm最差,其原因是由于鉆桿內(nèi)外部流速比的差異(依次為1.32、3.08和4.86倍)造成摩擦阻力及動能損失不同。

a)外管不同時的井底流壓a)BHP for various outer tube

b)外管不同時的鉆桿內(nèi)流量b)Flowrate in drill pipe for different outer tube圖8 改變外管尺寸對沖砂的影響圖Fig.8 Effect on sand flushing by varying sizes of outer tube

5 現(xiàn)場應用

這項雙壁鉆桿注氮氣沖砂工藝,自提出以來,已經(jīng)在哈拉哈塘區(qū)塊實施兩口井。其中的一口直井,YueM1-4井是塔里木盆地哈拉哈塘油田的一口開發(fā)井,200 mm 生產(chǎn)套管自井口下至 7 248 m,裸眼完井井段(7 248 ～ 7 305 m)為生產(chǎn)層段。2019年4月22日進行了連續(xù)注氣攪動沖撈砂的疏通井筒作業(yè)。作業(yè)管串包括外徑139.7 mm的撈砂鞋一支和沉砂管10根。本井及另一口井的沖撈砂工藝效果對比見表4。與光鉆桿水力循環(huán)沖撈砂工藝相比,雙壁鉆桿注氮氣舉工藝,壓井液漏失量明顯降低;盡管沖砂進尺對比增加不大,但它是在水力循環(huán)工藝之后取得的。

表4 雙壁鉆桿氮氣氣舉與光鉆桿水力循環(huán)沖撈砂工藝實施效果對比表

6 結(jié)論

1)研發(fā)的雙壁鉆桿加內(nèi)管注氮氣沖砂工藝在啟動及正常氣舉沖砂過程中,井底流動壓力始終低于地層壓力。經(jīng)現(xiàn)場應用表明,可較好地解決深層、易漏、低壓力系數(shù)井的沖砂問題。

2)沖砂管柱外管尺寸為127 mm、內(nèi)管長度為 1 000 m、注氣閥置于靜液面處可獲得最大的鉆桿內(nèi)流量,有利于提高沖砂流速。

3)最佳注氣量13 308 ～26 617 m3/d,常用制氮車可滿足這一需求。