頁巖氣水平井井筒清潔技術的難點及對策

張華禮 楊 盛 劉東明 李玉飛 羅 偉 黎俊吾中國石油西南油氣田公司工程技術研究院

0 引言

近年來，隨著川渝地區對頁巖氣勘探、開發力度的增強，以威遠、長寧為典型的頁巖氣區塊逐漸投入開發，在獲得顯著產能的同時，氣井井筒堵塞的問題也頻繁出現。新投產井采用橋塞作為分段工具進行加砂壓裂作業，后續鉆塞返排不徹底，井筒會殘留橋塞碎屑，并且普遍存在著壓裂支撐劑返出甚至頁巖碎屑進入井筒的問題。這些殘余物如不及時清除，會在井筒內不斷沉積，有可能造成井筒及地面生產流程堵塞，給氣井生產帶來極大影響[1]。由于頁巖氣井井身結構特殊、井筒堵塞物多樣，常規的井筒碎屑處理工藝在頁巖氣井應用效果并不理想。為此,筆者通過對頁巖氣井的生產技術現狀進行分析，結合井筒清潔技術攻關進展，探討了頁巖氣水平井井筒清潔技術的難點及對策，以期為頁巖氣的順利開發提供幫助。

1 頁巖氣井的生產技術現狀

1.1 生產現狀

1.1.1 橋塞處理殘渣沉積井筒內，形成堵塞

目前川渝地區頁巖氣井大量采用橋塞+分簇射孔+分段加砂壓裂聯作的方式來改造儲層，現場采用的橋塞主要包括可溶性橋塞、可鉆復合橋塞以及大通徑橋塞等3類[2-6]。實施加砂作業后需對井筒橋塞進行清理，但處理效果并不理想，目前井筒橋塞處理主要存在以下問題。

1）可溶性橋塞溶解不徹底，碎屑易殘留井內。可溶性橋塞主要由鎂鋁合金和高分子材質合成，主體部件可溶，但為保證坐封強度，目前可溶性橋塞中金屬銷釘、金屬卡瓦粒依然不可溶，氣井壓裂作業后，這些雜質殘留井內，易引發井筒堵塞。

2）復合橋塞鉆磨碎塊殘留，清潔不徹底，易堵塞通道。目前水平井復合橋塞井筒鉆磨技術相對較為成熟，但受制于頁巖氣井井型的限制，以及頁巖氣井長水平段有效鉆壓的施加問題，致使存在較大的鉆磨產物，難以隨工作液返出地面，在井筒內不斷沉積，易引發井筒堵塞[7-9]。

3）大通徑橋塞失效，井下處理技術尚不成熟。壓裂改造后，井內大通徑橋塞受井底流體沖刷可能發生位移、損壞甚至解體，易引發堵塞。由于大通徑橋塞類型眾多，工具規格尺寸不統一，當前國內外針對水平段大通徑橋塞處理配套技術尚不成熟。

1.1.2 頁巖氣水平井井筒出砂、返巖屑現象嚴重，易造成井筒堵塞

頁巖氣井實施加砂壓裂后，新投產井廣泛存在壓裂砂返出的情況，部分井甚至面臨頁巖碎屑進入井筒，阻塞井筒流道的問題[10]。出砂問題比較突出的包括川南地區的N201井、Z204井等。其中N201井由于壓裂砂及地層巖屑進入井筒（圖1），導致該井油管內及油套環空完全堵塞，井口憋壓20 MPa未憋通，只能進行大修、井筒清潔作業。

1.2 技術現狀

川渝氣區經歷幾十年的開發歷程，氣井井筒碎屑處理方面經過多年的發展，現已初步形成了包括水力沖砂（壓井液、清水等）、機械撈砂（繩索式、吸入式、可旋轉式撈砂工具）及化學解堵（有機解堵劑、無機解堵劑等）等3大類井筒解堵技術，在常規氣井現場應用也取得一定效果。但受制于各項工藝技術和工具有其自身的適應性和局限性，尚無法滿足頁巖氣水平井堵塞物不規則、水平段長、井眼較小及壓力系數低等特點[11-12]。

圖1 N201井堵塞井筒的頁巖碎塊和壓裂砂照片

2 頁巖氣井井筒清潔技術的難點

2.1 川渝地區頁巖氣井井身結構特點

川渝地區頁巖氣井通常采用“四開四完”的井身結構，?139.7 mm厚壁油層套管下至目標井深，水平段布局主要分為上翹和下傾兩種方式，最大井斜角已超過100°，水平段延伸距離最長已超過2 500 m。

2.2 頁巖氣井井筒清潔技術難點

相對于常規氣井而言，頁巖氣水平井井筒清潔處理存在著以下技術難點。

1）堵塞物種類多樣，對清潔工具及工藝提出挑戰。井筒堵塞物種類多樣，包括橋塞殘余碎屑、壓裂支撐劑、巖屑、腐蝕產物、油脂類產物等。這些堵塞物大小不等，物性差異較大（表1）。

2）水平井段長，碎屑易沉淀，清潔作業易卡鉆。水平段碎屑沉降距離短，采用常規的循環清潔工藝時，長水平段易發生碎屑沉降卡鉆，同時低壓儲層保護要求也限制了循環清潔工藝的有效實施。

3）頁巖氣井壓力遞減快，生產中后期壓力系數低，難以建立循環。頁巖氣井儲層致密，生產過程中地層壓力遞減快，在低壓情況下，地層存在漏失，難以建立全井筒循環的方式進行清潔作業。

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3 頁巖氣井井筒清潔技術的進展

針對各類橋塞及井筒堵塞物特點，結合管柱在長水平段受力分析，通過開展專項技術攻關，在大通徑橋塞處理、長水平段碎屑方面處理取得了一定的進展。

3.1 大通徑橋塞處理

近年來，大通徑橋塞運用于頁巖氣井儲層改造作業已取得較好效果，但大通徑橋塞在井筒受氣體沖蝕作用，易發生解封、位移甚至損壞等情況，導致井筒出現堵塞。大通徑橋塞（圖2）通常設計為不可鉆，其材質堅硬，結構復雜，在鉆磨過程中極易造成橋塞散架而在井筒內形成多碎塊落魚，增加井下清潔作業難度[13]。

研發了一套適用于處理大通徑橋塞的可退式套磨打撈一體化工具（圖3），其工作原理為套銑掉相對易鉆的橋塞上接頭，釋放膠筒膨脹力后對橋塞進行一次性打撈作業。工具最大外徑?106 mm，上部安裝有可拆卸式銑鞋，中心桿尺寸滿足穿越橋塞中心通道，打撈支撐架能在過載情況下能縮回實現工具可退，工具底部帶銑齒可清理橋塞中心通道。

表1 頁巖氣井常規井筒堵塞物類型及尺寸表

圖2 常用大通徑橋塞實物照片

圖3 大通徑橋塞套磨打撈一體工具示意圖

為更好的施加扭矩及鉆壓，該工具推薦采用鉆桿下入，管串組合中帶隨鉆震擊器，以增加套銑打撈過程中的解卡能力。該工具主要針對整體結構較為完好的失效大通徑橋塞處理，針對整體結構受損嚴重的大通徑橋塞推薦進行整體磨銑處理。

3.2 循環沖砂

頁巖氣井水平井段較長，常規沖砂過程中，水平段砂粒受到液流沖擊懸浮后向井口方向運移，但由于受重力作用，徑向沉積較快，易在沖洗頭后部沉淀，堆積在套管底邊（圖4），形成新的砂床。采用常規的循環清潔工藝，水平段清潔效率低，易發生碎屑沉降卡鉆[14-15]。

圖4 循環沖砂過程中砂粒運移分布示意圖

3.2.1 換向沖砂工藝

研發了適用于水平井段沖砂的換向旋流沖砂工具，該工具具有斜向下和斜向上共兩組噴嘴，噴嘴間設計了特殊的換向機構，通過調節泵壓，能改變循環沖砂方向。作業過程中，下放工具至沉砂面，先正向沖洗將砂粒懸浮上返后，下放工具一定距離，將泵壓提升至換向值（可調節，一般設定為20～30 MPa）后停泵，再次開泵換向沖洗，并通過上提工具，實現將長水平段砂粒沖洗出井筒的目的（圖5）。

能夠不間斷上提下放工具是實施換向沖砂工藝的重要條件，因此換向旋流沖砂工具推薦采用連續油管[16-17]下入，建議在工具串中加入水力振蕩器[9]，增加連續油管在水平井段的下入能力。

3.2.2 沖砂液選擇

圖5 換向旋流沖砂工藝作業過程示意圖

3.3 局部壓差清潔

頁巖氣井進入開發后期，儲層壓力遞減快，壓力系數低，往往難以建立全井筒循環，選用泡沫流體或是液氮在一定程度下能滿足循環沖砂作業要求，但需要配套相應地面設備，成本較高，此時推薦采用局部壓差清砂工藝實施解堵作業。

局部壓差清砂主要是通過文丘里原理，以噴射式局部壓差清潔工具為主體的內撈工藝，適用于單獨作業或在套、磨銑作業中捕集井下切屑，同時也可以捕集井內的沉砂或小件碎塊等。該工藝無需建立全井筒循環，僅需在工具附近建立局部反循環，即可實現對井內碎屑進行打撈[19-20]。

表2 不同類型沖砂液性能表

局部壓差打撈工具的主要結構包括：側向高速流體噴嘴、篩管、沉砂筒及底部銑圈等，能夠對直徑介于1～28 mm的碎屑物進行打撈。工具入井至接觸到堵塞物，建議鉆壓不高于200 kN，低速旋轉撥動堵塞物至懸浮狀態，通過泵液，噴嘴出口的流體形成高壓水射流進入工具與井筒環空區，并在噴嘴處形成局部壓差，對工具底部流體形成吸附作用，從而帶動井內碎屑物或沉砂進入工具內部，經過沉淀、過濾，裝入沉砂管，實現打撈作業[21-22]。

4 現場應用效果

CN10-2井為位于四川盆地南部的1口頁巖氣開發井，水平段長1 500 m左右。該井采用常規大通徑橋塞分段壓裂后，生產過程中出現大量壓裂砂、巖屑返出的情況，造成井筒及地面流程嚴重堵塞。通過綜合分析，采用循環沖砂和局部壓差清潔工藝配合的方式對井筒堵塞物實現了成功處理。

1）在井筒堵塞嚴重情況下，采用磨鞋通井并循環地層返排液進行沖砂作業，沖洗出大量較小巖屑和砂粒，較大巖屑未完全返出。

2）針對沖砂作業難以返出的較大碎塊，反復多次下入局部壓差打撈工具+金屬碎屑打撈工具，控制排量在400～600 L/min之間，在水平井段進行局部壓差清潔作業，撈出較大巖屑、壓裂砂及金屬碎屑共約700 kg。

3）采用連續油管循環地層返排液實施沖砂作業，返出200 kg巖屑及砂粒，直到井筒失返。

4）在漏失情況下，下入局部壓差打撈工具，對水平井段進行兩次徹底清掃，解除殘余井筒堵塞，最終下入完井管柱，氣舉復產。

5 結論及建議

1）針對失效大通徑橋塞，推薦首選套磨打撈一體工具進行可退式打撈，若橋塞出現解體或卡死，再進行整體鉆磨作業。

2）對于地層壓力系數高于0.8的頁巖氣水平井段碎屑堵塞情況，推薦采用換向旋流方式進行沖砂；地層壓力系數低于0.8的頁巖氣井，采用以局部壓差清潔為主，連續油管泡沫沖砂為輔的清潔方式。

3）通過對頁巖氣水平井失效大通徑橋塞及碎屑處理工具的研發，配套相應工藝形成的井筒清潔技術能夠基本滿足頁巖氣水平井的井筒清潔要求，為該類井壓裂后的井筒疏通奠定基礎。