氣舉反循環清砂技術的特殊應用

陸愛華， 劉 璞， 崔航波， 雙志強， 周津捷， 張靜嚴, 喻建祥

(1中石油塔里木油田公司 2重慶市涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心 3成都西南石大石油工程技術有限公司)

塔里木哈得奧陶系及哈拉哈塘油田屬碳酸鹽巖儲層、“孔-縫-洞”復合型油氣藏，頂部巖性主要為泥質灰巖及泥晶灰巖，泥質含量高，較疏松易垮塌，鉆井時井漏失返嚴重。由于井壁失穩，流體不斷沖刷，使井筒裸眼段產層發生垮塌砂埋。自2009年投入開發以來，生產過程中因生產壓差加大，地層壓力和應力釋放，導致地層垮塌出砂現象嚴重，截至目前，累計發現130井次產層被埋(砂柱高3.32～1 603.89 m)，年影響原油產量4×104t以上。

塔里木超深碳酸鹽巖存在以下問題：①超深井(7 000 m左右)，沖砂排量受限，井漏失返，(沖)撈砂效率低，卡鉆風險大，撈砂成功率僅20%，撈至井底成功率僅54.5%；②作業周期長，平均單井撈砂時間高達22.33 d；③施工安全隱患大,因現有傳統井下作業工藝技術已不能滿足油田日益復雜的井況需求。針對塔里木的特殊復雜井況，國內外可借鑒的成熟經驗較少[1-4]，氣舉反循環技術是油氣井“井底負壓”鉆探技術前沿領域，因其特殊的反循環工藝，具有井底壓力小、上返流速高、攜砂效果好等特點，在水文地質鉆井、水井和大口徑工程等施工井中得到了廣泛的應用[5-11]。本文結合工程實際，利用氣舉反循環技術進行清砂作業，驗證了該技術在修井作業的適用性，這是對新技術的一個探索，也為解決世界級超深大漏失層碳酸鹽巖裸眼沉砂快速處理技術難題提供了一種新的處理技術思路。

一、技術原理

1. 配套設備

氣舉反循環配套設備主要包括空壓機、注氣龍頭、雙壁鉆桿、氣水混合器、單壁鉆桿、鉆鋌、鉆頭等。其中，雙壁鉆桿的連接扣型與油氣井常規設備扣型相同，可與鉆井設備直接連接；鉆頭是在常規牙輪鉆頭基礎上進行改造，鉆取中心部位直徑約為50 mm的水眼[12-13]，并同時封堵其他水眼。

2. 工藝流程

空氣經過空壓機注入雙壁鉆桿芯管內部(即雙壁鉆桿的內管和外管之間的環狀間隙)，氣相流體沿雙壁鉆桿進入井筒，在雙壁鉆桿下部的氣水混合器位置被噴入雙壁鉆桿內管，并與返排液相流體進行混合，在雙壁鉆桿內腔形成無數小氣泡，氣泡一面沿內管迅速上升，一面膨脹，形成低密度的混相流體，從而產生氣舉作用，此時井底為負壓狀態(即鉆桿內腔的壓力小于井眼的壓力)。形成的壓力差促使環空內流體向下移動，同時，使鉆桿內腔的液體向上移動，形成循環。

當井底流體流速達到一定值時，連續不斷地攜帶井底巖屑經鉆頭底部進入鉆桿內腔，形成液、固二相流。液、固二相流在沿鉆桿內腔上升到氣水混合器的位置時，與噴入鉆桿內腔的壓縮空氣混合形成氣、液、固三相流。氣、液、固三相流繼續沿鉆桿內腔向上移動，最終流出地表，進入地面循環系統。凈化后的鉆井液通過泥漿泵經壓井管匯重新注入井筒環空中，致使環空內流體攜帶井底的巖屑通過鉆頭中心部位的水眼進入鉆桿內部，再經過氣水龍頭、水龍帶等設備進入沉砂池，混相流體通過自由沉淀，分離混相流體中各相，再通過自由流動的方式，將液相流體運移至井口環空。至此，建立了氣舉反循環技術在修井作業中的循環系統。

二、特殊的技術改造

1. 塔里術油田X井基本情況

(1)地下水源豐富。該井地下水源豐富，在修井作業中，能夠保持井內水位穩定。

(2)沉砂嚴重。在進行撈砂作業前，井內沉砂24.87 m，嚴重影響油田正常生產。

(3)撈砂作業成功率低。在對該井進行撈砂作業期間，多次出現卡鉆、堵水眼、井塌等井下二次復雜情況，見表1。

表1 X井進行撈砂作業出現的井下二次復雜情況

2. 技術改造原理

在汲取了前期撈砂作業失敗的經驗基礎上，充分考慮井下的特殊情況，對氣舉反循環技術進行了改造，如圖1所示。

撈砂作業中，地層能夠自發地補足排出井口的液量，使井內始終能夠保持液位穩定，這是該井的特殊情況。因此，根據該井的特殊性，可以對氣舉反循環工藝進行具有針對性的改造。

圖1 氣舉反循環技術改造原理示意圖

雙壁鉆桿上下連接單壁鉆桿(即井內鉆具呈“單-雙-單”形式)進入井筒，壓縮氣體經旋轉控制頭從井口泵入井筒環空，使井筒內液面維持在一定深度，此時井筒環空持續帶壓。

氣相流體由雙壁鉆桿進入井筒，與返排的液相流體進行混合，在上部單壁鉆桿內腔形成低密度混相流體，分散氣泡沿內管迅速上升的同時發生膨脹，從而達到氣舉作用。由于雙壁鉆桿上部具有一定數量的單壁鉆桿，使井內氣舉行程增大，氣舉效果更為明顯，同時減少了雙壁鉆桿使用量，縮減了作業成本。

三、技術應用

1. 鉆具組合

鉆具組合自下而上：?95 mm三牙輪鉆頭+2A30×2A10變扣+?60.3 mm鉆桿21根+?60.3 mm短鉆桿1根+2A11×NC35推盤變扣+?120.7 mm鉆鋌4根+NC35×210變扣+211×?139.7 mm母變扣+?139.7 mm沉砂管8根+?139.7 mm公×210變扣+?73 mm鉆桿+211×310變扣+?88.9 mm鉆桿+311×NC40變扣+?88.9 mm雙壁鉆桿30根+反循環注氣閥+NC40公×310變扣+?88.9 mm鉆桿+311×NC40變扣+?88.9 mmGS短鉆桿1根+NC40×310變扣+?88.9 mm短鉆桿1根+六棱方鉆桿至井口。

2. 應用情況

在對該井進行多次撈砂作業嘗試失敗后，采用改造后的氣舉反循環技術進行撈砂作業。

2.1 作業過程

下負壓撈砂管柱至6 759.83 m，制氮車反循環注氣，開轉盤負壓循環撈砂至6 797.52 m(人工井底6 800 m)，鉆壓0.5～3 t，無進尺，下壓推盤6～8 t三次位置不變，撈砂井段6 772.36～6 797.52 m，累計進尺25.16 m，壓力7.3 MPa，轉速40～50 r/min，流量1 200 m3/h。

2.2 應用情況

撈砂作業過程中，突破了常規先撈砂再下單封丟手裸眼防砂尾管工藝技術，采用先下丟手自由裸眼防砂尾管，再下撈砂管柱氣舉撈砂，將撈砂與防砂工藝合二為一，實現了邊撈砂，邊下壓坐實丟手自由防砂尾管，達到了及時防砂目的。撈砂作業后的井身結構如圖2所示。抽油桿懸掛器距井口7.75 m,自上而下組合為：?28 mm鋼桿91根、扶正器8個×734.27 m×742.02 m,?25 mm鋼桿154根、扶正器2個×1 404.95 mm×2 147.07 m,?22 mm鋼桿33根、扶正器3個301.4 m×2 448.57 m,?22 mm拉桿×9.2 m×2 457.77 mm,?57 mm桿式抽油泵×12.17 m×2 469.82 m。

圖2 X井撈砂作業前井身結構圖

2.3 應用效果

首次嘗試“撈砂+防砂”一體化特殊氣舉反循環清砂新工藝并獲成功，一次性進尺22.39 m，振動篩出口返出細砂約33 L，沉砂池(錐形罐內)粉砂60 L，后起撈砂管柱沉砂管內清理出地層砂約305 L，共撈獲井底沉砂約398 L。

該井撈砂作業完，注氣120 m3，注水2 189 m3，燜井后，自噴生產，油壓16 MPa，日產液128 t，日產油95 t，含水25.41%，成功使閑置兩年的長關井恢復產能。

四、結論

(1)針對該井的特殊性，在幾次撈砂作業失敗后，對氣舉反循環工藝進行了改造和探索性地嘗試，并取得了成功，一次性進尺22.39 m，共撈獲井底沉砂約398 L，取得了顯著增油效果，延長油井壽命周期，大幅提升了油井采油效率與油井利用率，對國內外類似大漏失層典型井的沉砂問題處理具有重要借鑒意義，推廣應用前景廣闊。

(2)作業過程突破了常規先撈砂再下單封丟手裸眼防砂尾管工藝技術，創新性地采用先下丟手自由裸眼防砂尾管，再下撈砂管柱氣舉撈砂新工藝，將撈砂與防砂工藝合二為一，實現了邊撈砂，邊下壓坐實丟手自由防砂尾管，達到及時防砂目的。這為徹底解決疏松巖性碳酸鹽巖儲層撈砂過程中重復垮塌的技術難題，提供了新的技術處理思路。