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水平井冲砂工艺技术研究与应用

发表时间：2020/9/3 来源：《基层建设》2020年第10期作者：章占飞周锐

[导读] 摘要：水平井是提高油井产量和油田采收率的有效途径之一，但由于水平井井身结构的特殊性，给油井维修作业带来了一定的困难。

        长庆油田分公司第三采油厂宁夏银川 750001
        摘要：水平井是提高油井产量和油田采收率的有效途径之一，但由于水平井井身结构的特殊性，给油井维修作业带来了一定的困难。水平井出砂后的积砂特点，一是大颗粒的砂子沉降在水平段的低位形成砂床，二是较大颗粒的砂子在造斜段处形成砂桥。水平井冲砂工艺技术的开发和应用，不但解决了水平井冲砂施工的技术难题，恢复了水平井产能，还避免了砂卡冲砂管柱事故，减少了事故损失，保护了地面环境，减少了储层伤害。随着水平井规模的逐步扩大，水平井冲砂工艺技术必将获得更加广泛的应用，对整个油田的生产发展都具有积极的推动作用。
        关键词：水平井连续冲砂暂堵冲砂砂桥
        前言
        由于油田开发现阶段大多都处于中后期，且低渗透油田的客观地质条件造成开发技术的增加，水平井增产已经成为重要手段。因水平井井身结构的特殊性，给油井维修作业带来了一定的困难，致使油井停产、利用率低，严重地浪费了油井资源，影响了油田的正常生产。因此，研究开发水平井修井作业技术，成为石油开发面临的新挑战、新课题。通过水平井修井的实践表明，其修井难度较大，尤其是修井过程中起下钻作业时，常常遇到砂卡的问题，这给修井作业增加了相当的难度。常规的冲砂方法冲砂液在流动阻力小的水平段井眼上部形成循环通道，下部的砂床难以清理干净，已经不能用于水平井冲砂施工中，所以，新的冲砂洗井技术已成为水平井措施首先要解决的问题，本文主要讨论水平井冲砂工艺技术，研究了正循环连续冲砂工艺技术和双泵反循环暂堵冲砂工艺技术在水平井砂卡问题上的应用，从而解决了水平井维修及措施过程中的砂卡问题。
        1水平井井身结构及冲砂施工中存在的问题
        1.1水平井的概念
        水平井，是在垂直或倾斜地钻达油层后，井斜角大于85°，井眼轨迹接近于水平，以与油层保持平行，得以长井段的在油层中钻进直到完井的油井。这样的油井，其穿过油层井段的长度可以达上百米，以最大限度地增加油层裸露面积，有利于提高油井产量和储层的采收率。在水平井中，由于油层中流体流入井中的流动阻力减小，其生产能力可比普通直井、斜井生产能力提高数倍。
        1.2水平井的井身结构
        水平井的典型结构如图1所示，从上到下大体上可以分为垂直段、造斜段和水平段。垂直段的井身结构与普通直井相同，造斜段一般采用将带有伸缩接头和循环接头的小套管用悬挂器支撑在垂直段的套管上，水平段采用裸眼完井后下入防砂管投产。

        图1水平井井身结构示意图
        1.3水平井冲砂施工中存在的问题
        油井积砂后，一般采用水力冲砂的方法将井筒中的沉砂冲散，然后将携砂液循环到地面上。用常规水力冲砂技术解决水平井砂害，通常会遇到以下几个难题：一是冲砂管柱下放、上提过程中遇阻；二是冲完一根管柱停泵接单根过程中，由于携砂液中的砂子沉降造成砂卡冲砂管柱事故，严重的引起油井大修；三是采用常规冲砂斜尖，冲砂管柱进入水平段后，冲砂液易在流动阻力小的上部形成循环通道，下部的砂床难以清理干净；四是老油区的地层压力普遍较低，水平井的油层裸露面积又大，水力冲砂过程中冲砂液携砂漏入地层，无法将砂子带出井筒，油井投产后漏入地层的砂子随产液重新进入井筒，不但造成反复冲砂，而且冲砂液的漏失会造成储层伤害。
        2水平井冲砂工艺技术
        为解决水平井冲砂作业的技术难题，研制了无接箍油管，挠性接头，正循环旋流冲砂笔尖，反循环引鞋笔尖和连续冲砂装置，开发了水平井正循环连续冲砂工艺技术和双泵反循环暂堵冲砂工艺技术。
        2.1水平井冲砂作业管柱
        为减少水平井修井作业过程中管柱下放、上提的阻力，避免管柱卡、阻和断、脱事故，研制了无接箍油管和挠性接头。无接箍油管的结构如图2所示，选用N80管材的27/8UPTBG油管，管端局部加热后墩粗，加工成23/8UPTBG油管扣进行连接，强度完全满足水平井作业要求。挠性接头的结构如图3所示，中间的球形接头使得上、下接头之间可以发生相对转动，将其连接在无接箍油管之间，使得整个作业管柱具有挠性，便于弯曲进入、退出水平井段。

        图2无接箍油管结构示意图

        图3挠性接头结构示意图
        2.2正循环连续冲砂工艺技术
        对于地层压力较高，可以建立水力循环的水平井冲砂，采用正循环连续冲砂工艺技术，主要解决水平井冲砂施工过程中，由于接单根停泵砂子回落造成的砂卡管柱问题。
        施工管柱结构（从下到上）：旋流冲砂笔尖（有些油田是用的冲砂喷头）+无接箍油管+挠性接头+无接箍油管。
        施工参数：泵的排量满足携砂液在油管与套管环空之间的上返速度大于等于最大砂粒在静止冲砂液中自由沉降速度的两倍，泵的压力满足冲散井底沉砂和克服沿途摩阻，保证携砂液顺利返出。
        正循环连续冲砂工艺：使用高压换向阀，换向井口，换向短节和车载密闭除砂装置。使用时，高压换向阀连接在泵的出口管线上，换向井口座在井口四通上，换向短节连接在冲砂管的上部，车载密闭除砂装置连接在返液出口管线上。冲砂开始时，首先让冲砂液从泵的出口管线通过冲砂弯头进入油管内部到达井底，冲散积砂后携砂从油管和套管之间的环形空间返出，经过车载密闭除砂装置处理后循环使用，进行正冲砂，见图4；冲完一根单根后，通过高压换向阀使冲砂液换向从换向井口的侧孔进入油管内部，进行正洗井，见图5；待接完单根后，再次通过高压换向阀改变冲砂液流向进行正冲砂。重复上述过程，实现不停泵连续冲砂，防止砂卡冲砂管柱事故。

        图4正常冲砂时的工作状态

        图5接单根时的工作状态
        为了有效地清除冲砂返出液中的泥砂，使冲砂液循环使用，同时保护作业现场不发生环境污染，增加除砂装置的机动性，设计了车载密闭除砂装置。它利用旋流除砂的原理，让冲砂返出液经过三级从大到小的旋流除砂装置，依次除去较大砂粒、较小砂粒和泥质，将清洁的液体输送到水罐中重复使用。冲砂结束后，收取池子上方的原油，将多余的冲砂液集中处理，采用机械的方法排出旋流除砂装置下部的泥砂。普通的笔尖冲力小，为了有效地清除水平段井筒下位的砂床，设计了水平井冲砂专用旋流冲砂笔尖。
        2.3双泵反循环暂堵冲砂工艺技术
        采用正循环冲砂，冲砂液对井底积砂的冲击力大，井底回压小，但上返速度慢，砂子易回落造成砂卡管柱，大颗粒的砂子难以携出井筒。为解决这个问题，可以采用双泵反循环暂堵冲砂工艺技术。采用双泵大排量，可以解决冲砂液从油管与套管之间的环空下去后水力冲击力不够的问题；冲砂液从油管中返出，由于过流面积小、冲砂液上返速度高，携砂能力强，可以将大颗粒砂子携带到地面。反循环冲砂井底回压高，易漏失，所以采用暂堵技术。
        施工管柱结构（从下到上）：引鞋冲砂笔尖+无接箍油管+挠性接头+无接箍油管
        双泵反循环暂堵冲砂工艺：地面开双泵大排量冲砂，冲开油层后，根据需要，加入适量暂堵剂，在油层中形成一层暂堵屏障，防止冲砂液漏入地层。冲砂结束后，暂堵剂在地层中自行分解，不影响油井正常生产。
        暂堵剂的种类很多，粉体暂堵剂作为一种新产品，以暂堵效果好、施工成功率高、对储层伤害小、使用方便、经济性好等特点，特别适用于长井段、多层位漏失层冲砂和水平井冲砂，是常规暂堵方法的替代技术。其主要成分包括聚丙烯酰胺、树脂和沥青等颗粒，溶于水后转变成高分子交联溶液，加之树脂、沥青等固体颗粒的均匀混合，形成一种交联冻状体，对漏点进行物理和化学堵塞，经过一段时间自行分解解堵。
        加药装置连接在泵的出口管线上，利用高压射流产生负压的原理，将漏斗中的粉体暂堵剂吸入冲砂液中，进入油层后形成一层暂堵屏障，防止冲砂液携砂漏失。

        引鞋笔尖结构示意图6
        3应用实例及效果
        3.1盘古梁作业区盘平8井施工情况
        盘平8井于2002年完钻投产，该井人工井底1794米，水平段长度328.24米，靶前位移294.39米，5寸半套管下深1814.88米，窗口（7.6英寸套管下深）1492.11米，悬挂点为1141.5米，造斜点位于1036.81米，油层段为1540米—1780米，有效厚度212.9米，共4小层。由于缺乏水平井作业技术，致使该井2010—2014年4月连续四年处于停产状态。
        2014年4月4日至13日，利用常规技术对该井实施冲砂，作业失败。随后，河南濮阳技术服务有限公司措施11队接到施工任务，4月16日上修，首先下入Ф118mm通井规进行通井，采取分段洗井方式（因为该井井筒内有较多稠油），下至1141.5米处（悬挂点）遇硬阻。提出通井管柱，制作并下入Ф118mm铅模进行打印，打印深度1141.5米，起出后发现铅模底面有一清晰完好的半圆形印痕，最大直径112mm，分析认为该井悬挂器处有轻微形变。按方案设计下入344封隔器进行套管验漏，为防止封隔器在1141.5米（悬挂点）处遇阻，在封隔器下带入1根Ф73mm油管，油管底部为锥面死堵。按设计要求封隔器下至1424米处座封打压，压力升至7.0Mpa后不在上升，将封隔器上提至1166米处再次打压，同样，压力升至7.0Mpa后不在上升，证明1166米以上套管有漏点。
        按照施工设计，要求验证5寸半套管的情况。为此，专门设计制作了最大外径为118mm的梨形通井规，再次进行通井，遇阻深度为1646.6米，起出管柱后发现通井规下锥面上有两道宽度约为5mm，长度约30mm刮痕。此时，决定下入冲砂管柱，管柱组合为：旋流冲砂笔尖1个+Ф62mm平式导角油管40根+Ф62mm加厚油管29根+上部Ф76mm平式油管。采用正循环连续冲砂工艺技术，开始冲砂深度1727米，冲至深度为人工井底1794米，共计7根67米。出口返出及少量细砂，泵压3.0Mpa，无漏失。冲砂结束，上提管柱170米，两小时后回探砂面，深度仍为1794米。
        起出冲砂管柱，再次下入梨形通井规通井，遇阻深度1760米，起出通井规发现下锥面上有两处不规则挂痕，分析认为是油层部位筛管有较轻微变形，不影响油井生产。至此，本次修井作业任务圆满完成。
        3.2吴起作业区392井区靖平3施工情况
        靖平3井于2011年10月25投产，该井人工井底2343.72米，水平井段长度325.76米,造斜点位于1580米，油层段为1999.3米—2355.8米，有效厚度265米，共4小层，由于缺乏水平井作业技术，导致该井施工多次卡钻。
        2016年4月15日井下作业二大队X03484队接到该井施工任务。4月16日对该井进行通井，连探三次，确定于2160.70米遇阻起钻。4月17日对该井进行冲砂洗井，钻具组合：￠73mm斜尖+￠73mm油管220根（下90根倒角油管），起钻遇卡；4月21日再次反洗井，钻具组合：￠73mm斜尖+￠73mm油管241根（下90根倒角油管），总深度2334.30m，起钻遇卡，上提下放活动4小时起钻，待4小时后在探砂面于2318.95米遇阻；4月23日，两部水泥车大排量反洗井，钻具组合：￠73mm斜尖+￠73mm油管239根（下90根倒角油管），总深度：2316.40米，起钻遇卡，活动8小时解卡，出砂量约0.4立方米。
        4月25日，经采油三厂井下作业科研究，认为是水力冲击力不够，水平段砂床未冲洗干净，最后决定，再次用水泥车两部，大排量彻底反洗井；4月26日两部水泥车大排量反洗井钻具组合：￠73mm斜尖+￠73mm油管241根（下90根倒角油管），总深度：2336.67米，出砂量约0.1立方米，水泥车排量906L/min，泵压5MPa，直至水质与泵入前水质一样，停泵起钻；4月27日，下通井钻通井，通至2338.06米，起下钻均无遇阻情况；4月29日，下水平井泵及新工艺设备完井，作业成功。
        3.3使用情况及建议
        从2009年开始至今，部分油田已经多次利用正循环连续冲砂工艺技术和双泵反循环暂堵冲砂工艺技术实施水平井冲砂作业，取得了良好效果。
        水平井冲砂工艺技术的开发和应用，不但解决了水平井冲砂施工的技术难题，恢复了水平井产能，还避免了砂卡冲砂管柱事故，减少了事故损失，保护了地面环境，减少了储层伤害。随着水平井规模的逐步扩大，水平井冲砂工艺技术必将获得更加广泛的应用，对整个油田的生产发展都具有积极的推动作用。
        建议我大队也多采用新型作业设备及新工艺技术，缩短作业时间，确保施工顺利进行，提高作业质量。
        4结论
        4.1由于水平井井身结构的特殊性，决定了必须研发不同于常规直井的水力冲砂技术。
        4.2正循环连续冲砂工艺技术，适用于地层压力较高，可以建立水力循环的水平井冲砂。
        4.3双泵反循环暂堵冲砂工艺技术，适用于地层压力低，沉砂颗粒大的水平井冲砂。
        4.4水平井在我厂的数量逐渐增多，成为稳产增产的重要保障，由于水平井自身特点导致其出砂的可能性远大于一般的井，所以冲砂也成水平井中常遇到的问题。
        4.5水平井是油田开发的新技术，前景广阔，水平井冲砂工艺技术解决了水平井冲砂施工的技术难题，随着技术的完善和配套，必将获得广泛的应用，产生良好的经济效益和巨大的社会效益。