低压地层水平井冲砂工艺创新设计

2014-03-18李大建曾亚勤何淼

石油天然气学报 2014年10期

李大建，曾亚勤，何淼

巨亚锋，崔文昊，郭靖（中石油长庆油田分公司油气工艺研究院低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710018）

在低渗透、超低渗透油藏开发过程中，为提高单井产量，国内外油田主要采用水平井、压裂改造的方式进行开发，单井改造、加砂规模不断扩大，水平井井深、水平段长度不断增加。在水平井生产过程中，受到排液方式、生产压差等因素影响，开发水平井井筒出砂现象日益严重，由于地层压力低，传统冲砂工艺技术（斜尖冲砂、非连续冲砂）已无法满足要求。以长庆油田水平井开发情况为例，2013年完钻水平井超过500口，平均单井加砂规模在300m3以上，平均井深在2000m左右，统计显示出砂水平井达到68口，年损失产能超过5×104t；由于水平井主要采用五点法井网、自然能量方式开发，多数井地层压力低，目前主要采用斜尖、非连续冲砂工艺，洗井时地层漏失严重，冲砂效率低、效果差，低压地层水平井井筒高效冲砂已迫在眉睫。

为提高低压地层水平井冲砂效率、效果，国内外油田提出了不同类型水平井井筒冲砂工艺技术，其中代表性的冲砂方式为：旋转射流连续冲砂以及井下水力射流泵负压冲砂；主要冲砂工艺技术：一是连续油管旋转射流连续冲砂技术［1～3］，二是井下液流换向旋转射流反循环连续冲砂工艺技术［4，5］，三是同心管旋转射流负压反循环连续冲砂工艺技术［6］。从3种工艺技术现场应用情况看，在取得良好应用效果的同时，对水平井井况具有相应的技术要求，存在不同的技术局限性。

在分析总结以上水平井冲砂技术原理、特征的基础上，通过集成创新，基于目前冲砂工艺技术原理前提下，首次创新提出了低压地层水平井井筒高效冲砂工艺设计，能有效解决目前冲砂工艺技术局限，进一步提高了工艺技术的适应性，对低压地层水平井井筒高效冲砂具有一定借鉴意义。

1 典型低压地层水平井冲砂工艺技术分析

1.1 连续油管冲砂技术

连续油管冲砂技术主要有3种方式：连续油管配套普通油管正循环连续冲砂、连续油管正循环连续冲砂、同心连续油管正循环连续冲砂。其工艺技术原理主要是通过连续油管与普通油管、套管或连续油管本身建立循环通道，实现水平井的连续冲砂，配套冲砂工具主要为旋转射流冲砂器以及水力射流泵（同心连续油管配套应用）。主要技术特点：实现水平井连续不停泵冲砂，冲砂效率高，尤其是配套水力射流泵冲砂，水力射流在井底返排液入口附近形成负压，易提高返排液流速，促进返排，进一步提高水平井段冲砂洗井效果；但连续油管冲砂技术由于配套连续油管，成本过高，对井场、道路条件要求苛刻，井眼轨迹复杂井冲砂管柱下入过程中易发生管柱卡钻，甚至锁死、压折，影响了技术现场的推广应用，目前国内外油田主要以试验为主。

1.2 井下液流换向旋转射流反循环连续冲砂技术

工艺技术原理：配套专用洗井井口、反洗井阀、工作筒、液流转向器、皮碗封隔器、旋转射流冲砂器等井下工具，工艺管柱见图1。冲砂洗井时，由油套环空泵入冲砂洗井液，洗井液经转向皮碗封隔器转向后，进入皮碗封隔器以下油管内，流经旋转射流冲砂器后，在水平井段形成旋转水射流，冲击、搅拌悬浮水平段井筒内的积砂；返排液在一定返排流速条件下，携带悬浮砂粒从油套环空返排，流经转向皮碗封隔器后，液流再次转向进入到转向皮碗封隔器上油管柱内继续向井口方向返排，在井口附近，通过反洗阀后，返排液由油管转向进入油管与工作筒环空，返排至地面。在冲砂洗井过程中，井口接油管单根时，在反洗阀作用下，通过改变返排液液流方向实现不停泵连续冲砂洗井，有效提高了井筒冲砂效率。

工艺技术特点：冲砂效率高，水平井段旋转射流冲击力大，产生湍流流态促进砂粒悬浮返排；但是在长水平段井筒冲砂洗井时，由于返排流速低，返排液在返排过程中，由于垂向距离短，悬浮砂粒在重力作用下容易发生二次沉积，形成新的砂桥，一定程度上降低了冲砂效果，严重时在大斜度井段的二次积砂可能导致卡钻风险。

1.3 同心油管反循环负压旋转射流连续冲砂技术

工艺技术原理：井筒内下入同心油管柱（外油管通过丝扣连接，内油管通过插接、胶圈密封方式连接），建立独立冲砂洗井液循环通道，配套负压式旋转射流冲砂器（水力射流泵与旋转射流冲砂器有机结合）。冲砂洗井时，由同心油管柱环空泵入洗井液，在井底冲砂洗井液分流，一部分洗井液进入旋转射流冲砂器，形成旋转水射流，冲击、搅动悬浮井筒内积砂，返排液携带悬浮砂粒返排；一部分冲砂洗井液进入水力射流泵，形成井筒冲砂反向水射流，返排液进入同心油管中心返排通道附近形成负压，提高返排液水平井段返排流速，促进水平井段返排与携砂。井口连接油管单根时，通过地面改变液流方向，实现不停泵连续冲砂，冲砂工艺管柱见图2。

工艺技术特点：实现了连续、负压式旋转射流冲砂，提高了冲砂效率、效果。由于返排液主要依靠插接式、胶圈密封油管建立循环通道，受到管柱抗拉强度限制，该工艺目前主要在浅井上应用，新疆油田37口井现场应用情况表明效果良好，但最大下入井深只有1028m。

图1 井下液流换向旋转射流反循环连续冲砂工艺管柱

2 低压地层水平井冲砂工艺创新设计

为了满足长水平段、低压地层、深水平井井筒冲砂洗井技术要求，进一步降低冲砂作业成本，针对性提出了 “普通油管连续冲砂、旋转射流冲砂、井底负压式冲砂”相结合的工艺技术思路，主要是在井下液流换向旋转射流反循环连续冲砂技术、同心油管反循环负压旋转射流连续冲砂技术原理的基础上，通过集成创新，充分发挥以上两种工艺的技术优势，避免存在的技术局限，形成一种适应低压地层水平井高效冲砂洗井工艺技术。

2.1 冲砂工艺管柱设计

根据以上提出的高效冲砂工艺技术思路，通过技术论证，设计成功低压地层水平井普通油管负压式旋转射流连续冲砂工艺，工艺管柱见图3。

工艺管柱：主要配套专用洗井井口、反洗阀、工作筒、液流转向器、皮碗封隔器、同心油管、水力射流泵、旋转射流冲砂器等井下工具。主要工艺原理：井口连接油管单根时，通过反洗阀液流转向实现不停泵连续冲砂，油套环空泵入冲砂洗井液，流经转向器后进入皮碗封隔器以下同心油管柱环空至井底，冲砂洗井液在井底冲砂器附近分流，一部分冲砂洗井液进入旋转射流冲砂器形成旋转水射流，冲击搅动悬浮水平段井筒内积砂；一部分冲砂洗井液进入水力射流泵，形成反向水射流，在井底形成负压，提高返排流速，促进水平井段返排液返排，实现水平井高效连续冲砂洗井。

图2 同心油管反循环负压旋转射流连续冲砂工艺管柱

2.2 主要工艺技术特点

普通油管负压式旋转射流连续冲砂工艺理论上有机结合了井下液流换向旋转射流反循环连续冲砂工艺、同心油管反循环负压旋转射流连续冲砂工艺的技术优势，有效避免了两种工艺的技术局限，实现了低压地层水平井 “普通油管连续冲砂、旋转射流冲砂、井底负压式冲砂”的目的，满足了长水平段、低压地层、深水平井井筒冲砂洗井的技术要求；配套工具方面，目前反洗阀、专用洗井井口、工作筒、皮碗封隔器、同心油管、负压式旋转射流冲砂器等工具已经成熟，需要研发配套新型液流转向器，即可满足工艺技术现场应用要求。

图3 普通油管负压式旋转射流连续冲砂工艺管柱

2.3 配套关键工具设计

依据新型转向器液流转向技术要求，通过与皮碗封隔器集成，设计了新型转向皮碗封隔器，其结构见图4。新型液流转向皮碗封隔器上接头通过丝扣与普通油管连接，下接头通过丝扣与同心油管连接，油套环空冲砂洗井液由转向入口进入同心油管柱环空，至井底冲砂工具处分流。返排液由同心油管中心返排通道向上返排，流经转向皮碗封隔器后进入油管，返至井口，经过反洗阀后再次转向进入井口油管与工作筒环空后返出地面。