深井沖砂技術在塔里木盆地應用分析

陳若銘，張 昕，袁鑫偉，李曉軍，鄒江美，張勝鵬，李洪濤

(1.西部鉆探 鉆井工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.塔里木石油勘探開發指揮部 第一勘探公司，新疆 庫爾勒 841000)

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深井沖砂技術在塔里木盆地應用分析

陳若銘1，張 昕1，袁鑫偉2，李曉軍1，鄒江美1，張勝鵬1，李洪濤1

(1.西部鉆探 鉆井工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.塔里木石油勘探開發指揮部 第一勘探公司，新疆 庫爾勒 841000)

新疆塔里木盆地哈拉哈塘、哈德以及塔河等油田區塊是以泥盆系和奧陶系為主的目的層位。該段層位以泥巖和灰巖為主，上段井徑擴大率較大，井壁容易掉塊，下段奧陶系灰巖容易垮塌。油藏埋深6 650～7 000 m，地層流體普遍高含硫化氫。在進行轉機采作業，轉抽、檢抽作業過程中發現地層出砂嚴重，裸眼產層因井壁垮塌、出砂嚴重，砂埋現象嚴重，砂柱高6.74～154.12 m。機采井砂卡嚴重，嚴重影響生產周期。分析了塔里木盆地曾經采用的幾種沖砂工藝，研制出一套連續泡沫沖砂與取芯撈砂相結合的復合撈砂方案和工具。該方案和工具在現場的成功實踐，為塔里木盆地成功實現沖砂施工提供了技術借鑒。

深井；沖砂；工藝

哈拉哈塘、哈德區塊以及塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起阿克庫勒凸起南端，屬碳酸鹽開闊—局限臺地環境，全區缺失上、下二疊統和中、上侏羅統，絕大部分地區缺失上奧陶統、志留系、泥盆系、上石炭統和中二疊統。塔河油田儲集層主要分布在中下奧陶統的一間房組和鷹山組，在全區普遍發育，厚度較大，連續性好。巖石類型較為簡單，主要為黃灰色或灰黑色泥微晶灰巖和云斑灰巖，局部發育礫屑灰巖、生屑灰巖及白云巖[1]。其中云斑灰巖和白云巖是最有利的儲集巖，由于白云巖地層發育較深，很少鉆遇，故云斑灰巖更有價值。云斑灰巖中斑塊部分為白云石晶體，結晶完好，呈砂屑狀，粒度類似于碎屑巖的中細砂巖。云斑灰巖的晶內孔和晶間孔發育，普遍含油，與縫合線、灰巖次生溶孔、溶洞及微裂縫共同形成了孔-縫-洞復合型儲集空間[2]。

由于該區塊的地質構成原因導致了塔里木盆地哈拉哈塘、哈德區塊以及塔河油田有許多油氣井在鉆井及后期的生產過程中都存在著裸眼段井壁坍塌現象。其中，哈拉哈塘油田、哈德油田奧陶系產層采用裸眼完井(總井數270口，哈拉哈塘241口，哈德29口，平均日開井數166口)，截止2016年，累計發現59井次產層被埋，占生產井開井總數的35.5%，影響原油產量5萬t以上。同時，中石化西北局現有裸眼坍塌井93口，其中帶病生產井57口，停產井36口，影響產量達533 t/d，這些井位主要分布在塔河二廠和三廠區域，重點在塔河十區、十二區和托普臺區塊。為了響應中石油、中石化提高采收率、老井開發的號召，因此，深井撈砂恢復井眼生產迫在眉睫。

由于塔河區塊乃至塔里木各大油氣井不同于國內其他油田區塊，都具有井深、高含硫、高溫、高壓以及地質巖層的特性，采用普通的撈砂工具和工藝難以將井底坍塌塊撈出。因此各大油田鉆探公司、研究院以及國內外能源服務公司運用多種特殊工藝與工具相結合進行試驗，效果均不明顯或者方案無效果，甚至有的方案造成井下落魚事故。

1 塔河區塊深井沖砂存在的主要難題

1) 大量漏失問題。井眼漏失帶來兩個負面的問題，一是壓井方面，壓井液窗口小，又漏又涌，大量漏失導致反復壓井；二是堵漏方面，井眼嚴重漏失導致泥漿無法攜巖屑，撈砂無進尺。同時，反復堵漏造成一些油井產量下降。

2) 井眼大肚子問題。容易坍塌的泥灰巖掉塊引起井眼“大肚子”。原為160 mm左右的裸眼最大能擴至356 mm。這就使其沖砂過程中造成旋流在“大肚子”里，巖塊很難被沖出。

3) 大尺寸套管沖砂效率低下問題。塔河區塊目的層位井深基本是6 000 m左右。只要井深超過4 000 m，正常選用井口套管為244.475 mm(9英寸)。同時，超過半數碳酸鹽巖177.8 mm(7 英寸)套管未回接。這就會在單泵條件下難以攜砂，若采用雙泵循環，會因沖砂鉆具內徑小而排量提升困難。

4) 沖砂作業時持續坍塌卡鉆問題。在沖砂作業過程中容易持續坍塌出現卡鉆。另外，被沖巖屑也會在沖砂過程中越帶越高，只要未及時帶出井口，一旦停止循環也會造成卡鉆。

2 塔里木盆地各油田區塊現有的幾種沖砂方案

2.1 威德福文丘里沖砂

針對上述的坍塌情況，威德福公司提出了文丘里效應沖砂的方案。該方案涉及的工具主要包括鉆桿、文丘里接頭、三扣驅動接頭、銑鞋、套銑筒和浮閥接頭等[3]。圖1為該公司的文丘里接頭。

圖1 文丘里接頭

威德福文丘里接頭是整個工具系統最關鍵的工具，該工具由上接頭、內管、噴嘴、喉管、外管和下接頭組成。其工作原理采用的是文丘里現象。當噴射泵開始工作時，流體由噴射泵經喉管從噴嘴泵出，從而抽吸管串中的液體，而液體是依靠真空效應持續不斷地補充。這樣將井內碎屑帶入筒內最后隨工具起出井口[4]。

威德福公司于2014-07-08共計30 d在塔河油田TP151井進行文丘里沖砂施工。該井2012-04完鉆，井深6 465 m，完鉆層位為奧陶系鷹山組。在鉆遇過程中無放空、漏失情況，完鉆后139.7 mm(5英寸)套管未回接。砂埋段為6 277.76～6 340 m，共計62.24 m。在30 d的施工過程中，文丘里方案沖砂效果不明顯，處理砂埋9 m[5]。原因分析如下：

1) 噴嘴對井壁的強烈沖刷引起嚴重掉塊導致卡鉆頻繁 。

2) 因吸力不足引起沖砂量少。

3) 銑鞋破碎能力不足。

4) 工具方對該區塊認識不夠，不能很好處理由于該區塊的地質原因帶來的沖砂難度。

2.2 連續油管泡沫沖砂

杰瑞能服公司根據塔河區塊砂埋情況給出了連續油管泡沫沖砂方案。泡沫沖砂是針對塔河區塊乃至整個塔里木盆地地層高漏失、水敏性油藏、油層壓力降低等特點而采取的一種方式。泡沫流體由于密度小且易于控制、靜液柱壓力低、黏度高、攜帶能力強、對油氣層傷害小等優點在其它各大油田能很好應用于鉆井、完井以及修井中。泡沫沖砂采用的是“賈敏效應”，這種效應是一種阻力效應。油中氣泡或者水中的油滴由于界面張力而力圖保持成球形。當這些氣泡或者油滴通過細小的孔隙喉道時，由于孔道和喉道的半徑差使得氣泡或油滴兩端的弧面毛管力表現為阻力，若要通過半徑較小的喉道必須拉長并改變形狀，這種變形將消耗一部分能量，從而減緩氣泡或油滴運動，增加額外的阻力[6]。

該方案涉及的工具主要為連續油管、單向閥、液壓丟手、高溫螺桿馬達、擴眼器以及磨鞋，地面設備主要是制氮設備。其工作原理為：配制泡沫液，地面制氮設備將泡沫液通過連續油管高速通過高溫螺桿馬達使其帶動磨鞋磨銑砂埋層，使其變成細小巖屑。泡沫液在井筒返回時攜帶巖屑至井口排出。

杰瑞能服公司于2014-06-07共計40 d在塔河油田TH12529井進行連續油管泡沫沖砂施工。該井2013-08完鉆，井深6 646 m，完鉆層位為一間房組。在鉆遇過程中無放空、漏失情況，完鉆后139.7 mm(5英寸)套管未回接。砂埋段為6 530.6～6 637 m，共計106.4 m。在40 d的施工過程中，前期施工效果比較明顯，2014-06-10—2014-06-12沖砂采用密度為0.8 g/cm3的泡沫液，在建立循環后井口一直均有正常的返出，而且是在一定的回壓狀態下，施工暫停后，在循環返出液罐的沉淀池里看到大約有0.2 m3左右的沉砂。12日由于無返出物，起出檢查發現高溫螺桿馬達輸出軸斷，井下落魚。后期進行落魚打撈[7]。此次氮氣泡沫沖砂失敗原因分析如下：

1) 此次馬達輸出軸的斷裂，不能肯定是否在井下腐蝕起到主要作用，但可以肯定的是，經檢測氮氣不純，工具在井下受到剝蝕。

2) 本次施工所采用的連續油管壁薄，在井下有非常大的斷裂危險。

3) 該方案對于大的活動的掉塊無法鉆磨(井底活動的大掉快會隨著磨鞋一起轉動而無法磨細)。

2.3 華油螺桿泵式局部反循環沖砂

華油能源集團所采用的螺桿泵式局部反循環沖砂也是根據文丘里現象延伸出來的。該方案利用上部的強制反循環工具實現強制局部反循環，可以保持恒定的負壓，含屑混相液體經過沉砂管液固分離后再次進入環空。理論上，這種局部反循環方式，形成穩定負壓差3～5 MPa，直、斜井、水平井均適用；循環工具始終在套管里不對裸眼形成沖蝕。圖2為局部反循環沖砂工具[8]。

圖2 局部反循環沖砂工具

其工作原理為：地面液體自上部鉆桿進入反循環工具，反循環工具使地面液體變向至環空的同時在內腔形成負壓差，地面液體自環空壓到鉆頭底部，由于沖洗和管柱鉆磨攪動而形成液固混相液，由于負壓差，混相液直接進入工具內腔。混相液經過沉屑管芯軸頂部后液流變向、降速、固相顆粒沉入管內環空。 混相液經過篩管以及多級沉砂管后進入中接鉆桿自然沉淀。經過兩級沉淀后的液體經過濾砂管進入反循環工具，經過反循環工具液體再次返回環空[9]。

華油能源集團所施工的井位屬于中石油塔里木油田分公司塔北項目部哈拉哈塘區塊哈601-4井，該方案從2015-06-21開始施工，至2015-07-03結束，共計13 d。該井2010-03完鉆，直井，井深6 730 m，完鉆層位為奧陶系鷹山組。裸眼完井下篩管。沖砂之前篩管內沉砂。篩管內砂埋段為121 m。華油能源集團所施工目的是：撈114.3 mm(4英寸)割縫篩管內沉砂，恢復井筒生產油流通道。

在13 d的施工過程中，累計沖砂長度121 m。撈獲泥砂600 L，其中大塊50 L[10]。對于該次施工總結如下：

1) 在篩管內沖砂，風險和難度明顯小于裸眼段沖砂。

2) 中途有掛卡現象，所以小井眼撈砂，發生沙埋、卡鉆的風險較高。

3) 負壓撈砂工具的密封件抗高溫能力差。

4) 工具方對該區塊認識不夠，在現場操作使用過程中可能有一些不合理之處，有待提高撈砂的效率。

3 新型撈砂工藝以及工具研制

根據塔里木盆地各大油田區塊深井撈砂存在著的4大主要問題，再結合上述幾大油服公司現場施工的結果進行分析和總結。本文給出一套針對性的方案。

從以上幾大油服公司現場施工來看，威德福公司的文丘里沖砂方案無法解決坍塌井的漏失問題，負壓吸力不夠，處理砂埋僅9 m，該方案無法應對現場復雜情況。華油能源的局部反循環法只是在篩管內處理砂埋，無法與裸眼段砂埋的復雜情況相比，故不采納。杰瑞能服的連續油管泡沫沖砂雖在后期發生連續油管腐蝕以及馬達軸斷裂，但前期的效果比較好。運用泡沫沖砂相比于其它方案來說更能貼切解決塔里木盆地各大油田區塊深井撈砂存在著的主要難題。由此，筆者認為仍然以泡沫沖砂為基礎，再結合取芯撈砂方式能很好解決南疆裸眼砂埋情況。

氮氣泡沫沖砂能攜帶細砂和體積較小的掉塊。工具底部的磨鞋也能磨細掉塊沉砂。井底砂埋井沉砂膠結并不強，稍微給力就會散開，但井壁掉塊是膠結嚴重的，不會輕易磨細，它們會隨著磨鞋的旋轉也跟著旋轉，不會磨細。這樣大掉塊始終沉在井底不會被帶出。施工前期細砂通過泡沫液被帶出井口，在施工后期少數大掉塊就只能通過其它方式進行清理。通過取芯撈砂的方式直接將剩余的大掉塊壓入取芯筒而直接取出；若連續泡沫沖砂能清理至目的層位時，取芯撈砂的方式可以取消。因此，通過兩者相結合的方式能將深井砂埋干凈清除，故取名叫復合撈砂方案。整個施工過程分為連續循環泡沫沖砂、取芯打撈大掉塊2個步驟。

2.1 連續循環泡沫沖砂

采用泡沫液作為循環介質，密度低、攜砂能力強[11]；同時配合連續循環沖砂鉆具，在起下鉆或接單根時，由地面控制切換循環通道，經過旁路管線建立井筒循環。可持續建立循環，減少蹩壓卡鉆風險。圖3為連續循環泡沫沖砂原理。

與杰瑞能服連續油管泡沫沖砂方案不一樣的是：連續循環泡沫沖砂方案所用的送入管串不再是連續油管，而是鉆桿，鉆桿抗井下腐蝕要比連續油管強得多。同時又采用不停泵連續循環方式，這樣避免了接單根停泵帶來的沉砂卡鉆風險。

圖3 連續循環泡沫沖砂原理

2.2 取芯打撈大掉塊

當連續泡沫沖砂無法磨碎、帶出大掉塊時，第2步就可以實施。針對松散地層取心工具進行取芯，取芯完畢后，內部的巖心爪抱死大塊巖屑，實現全封閉，再將其取出。該工具借鑒松散地層工具結構原理，采用雙筒結構，外筒連接鉆頭，傳遞轉矩和鉆壓，內筒存儲鉆取的沉砂，內筒存儲將滿時，停止鉆進，從井口投入加壓球憋壓，在液壓的作用下，懸掛銷釘首先被剪斷，活塞軸推動內筒下行，收縮筒沿著鉆頭內導向槽產生永久變形，收縮成全封閉結構，從而將沉砂封閉在內筒中，收縮筒收縮到位后，內筒不會再產生位移，隨著壓力的繼續增加，活塞銷被剪斷，活塞軸連同加壓球下落，打開鉆具的循環通道。圖4是該工具結構原理圖。

1—安全接頭；2—加壓球；3—活塞軸；4—活塞銷釘；5—懸掛接頭；6—平衡球；7—球座；8—懸掛銷釘；9—外筒；10—內筒；11—內筒短接；12—外筒接頭；13—鉆頭；14—收縮筒。

全抱死取芯工具有其獨特的結構設計：

1) 鉆頭內腔設計有獨特的V型槽結構，可確保將收縮筒壓迫成全封閉結構，封閉嚴實可靠。

2) 伸縮筒采用特殊鋼材，不但延展性好，而且具有冷作硬化的特點，保證具有足夠的承載力。

3) 伸縮筒上端可以輔助裝有自鎖巖心爪，如果底部鉆取的是堅固的巖心柱，直接提起工具，即可鎖緊巖心柱。

4) 安全接頭采用大螺距扣，倒扣轉矩小。

5) 只需小排量循環，水眼設計位置既不沖蝕沉砂又可通過紊流攜帶碎屑。

6) 管柱內筒獨特結構防止巖屑卡住內筒影響后續巖屑的進入。

復合撈砂方案的施工步驟：

1) 設備安裝、配備液，開工驗收。

2) 泄壓，觀察井口待穩定。

3) 起原井抽油桿。

4) 拆井口，安裝作業井控設備并試壓合格。

5) 起甩原井管柱。

6) 針對地層配備相適應的泡沫沖砂液。

7) 組下鉆磨沖砂管柱探底，替泡沫液，安裝連續循環裝置，鉆磨沖砂。

8) 提管柱組合。

9) 換取芯工具管串下入目的層位進行鉆磨撈砂。

10) 刮管。

11) 組下模擬管柱。

12) 組下尾管。

13) 組下完井管柱、抽油桿柱。

14) 恢復井口及地面流程并試壓合格。

15) 試抽，環保交井。

若連續泡沫沖砂能清理干凈井底砂埋時，第8)、9)步可以取消。

4 百泉X井現場應用情況

白泉X井為生產直井，完鉆井深4 998 m。產層采用的是裸眼完井。生產過程中尤其在機采階段，因生產壓差加大，地層壓力和應力釋放導致地層垮塌出砂，嚴重影響了油井產能。故由服務單位——西部鉆探鉆井工程技術研究院提出申請，決定采用連續泡沫沖砂加取芯打撈的方式進行該井撈砂工作。

下撈砂管柱至4 862.5 m，下放加壓30 kN，連探三次深度不變，實探砂面深度4 862.5 m(人工井底4 998 m)。連接方鉆桿，連接水泥車管線并試壓35 MPa，穩壓15 min不降，正循環沖砂至4 894.4 m(人工井底4 998 m，期間多次劃眼)，鉆壓20～30 kN，轉速30～40 r/min，泵壓0～13 MPa，排量9～10 L/s，密度1.01 g/cm3。沖砂井段4 862.5～4 998.2 m，起鉆至套管鞋靜止沉砂，下撈砂管柱至4 998.2 m遇阻，加壓30 kN，復探3次深度不變，實探砂面深度 4 998.2 (人工井底 4 998.2 m)。撈出沉砂約0.4 m3(其中地層巖屑1塊長30 mm，寬20 mm，厚4 mm)。由于此次井內沖砂過程中，井內掉塊被磨細，無大掉塊的存在，因此無需取芯打撈大掉塊。

5 結論

連續泡沫沖砂在白泉X井現場的成功應用揭示了在撈砂過程中，不會過大增加井底壓力，這對于塔里木區塊目的層壓力低、漏失嚴重、不能建立循環的井，具有良好的適應性，可以減少進入地層外來液體量，具有一定的油層保護作用，縮短油井修后恢復期，為二次開發、老井增產帶來顯著的效果。利用該技術及工具，具有很大的市場前景。

根據幾大油服的沖砂方案以及現場施工效果來看，還需要解決的幾個問題是：

1) 優選性能高的新修井設備實施塔里木盆地區塊油井撈沙作業。超復雜大修井建議采用F320型鉆機，滿足載荷要求。

2) 提升循環排量，降低卡鉆風險。主要是：論證850型修井機能否全部采用88.9 mm(3英寸)鉆具；對于F320型鉆機，建議171.5 mm(6英寸)裸眼井眼采用101.6 mm(4 英寸)鉆桿(節箍外徑139.7 mm，內徑水眼65.1 mm)；裸眼沖砂建議采用泥漿，并加強日常性能維護，保持良好攜砂能力。

3) 選擇合理時機作業，采用下防砂篩管尾管，徹底解決地層出砂問題。改進現有防砂篩管，提升防砂效果。

4) 研制開發新一代撈砂工具，從而增加工具強度、耐溫提高至150 ℃以上，保證工具性能更加穩定、可靠。

5) 加強管理培訓，提升現場應急復雜處理能力。

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Application Analysis of Deep Well Flushing Technology in Tarim Basin

CHEN Ruoming1，ZHANG Xin1，YUAN Xinwei2，LI Xiaojun1，ZHOU Jiangmei1，ZHANG Shengpeng1，LI Hongtao1

(1.ResearchInstituteofDrillingEngineeringandTechnology，WesternDrillingEngineeringCompany，CNPC，Karamay834000，China；2.TheFirstExplorationCompany，TarimPetroleumExplorationandDevelopmentHeadquarters，CNPC，Korla841000，China)

Xinjiang Tarim Basin exist Halahatang，Hudson and Tahe oilfield.These blocks are based on Devonian and Ordovician as the main target.This section is mainly based on mudstone and limestone.The upper layer of hole enlargement ratio is large，easy to wall off the block，lower Ordovician limestone is easy to collapse.The buried depth of the reservoir is 6 650～7000 m，and the formation fluid is generally high in hydrogen sulfide.Flowing production cycle is short，late general use of electric submersible pump or pump production.In the process of the transfer of the mining operation，pumping，pumping operation found that the formation of sand serious，the naked eye layer due to wall collapse，serious sand，sand buried serious sand column 6.74～154.12 m.Machine mining sand card serious，seriously affect the production cycle.This article through to have been performed in the Tarim Basin，developed a set of continuous foam sand blasting sand and sand blasting combined with sand and sand scheme and tools.The scheme at the site of successful practice，in the Tarim Basin successfully sand bailing operation provides a technical reference.

deep well；sand clean out；technology

2016-05-09

陳若銘(1961-)，男，陜西府谷人，教授級高工，碩士，鉆完井及采油工程技術領域專家。

1001-3482(2016)11-0054-06

TE935

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.012