頁(yè)巖氣水平井井筒清潔技術(shù)的難點(diǎn)及對(duì)策

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

0 引言

近年來(lái)，隨著川渝地區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣勘探、開(kāi)發(fā)力度的增強(qiáng)，以威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧為典型的頁(yè)巖氣區(qū)塊逐漸投入開(kāi)發(fā)，在獲得顯著產(chǎn)能的同時(shí)，氣井井筒堵塞的問(wèn)題也頻繁出現(xiàn)。新投產(chǎn)井采用橋塞作為分段工具進(jìn)行加砂壓裂作業(yè)，后續(xù)鉆塞返排不徹底，井筒會(huì)殘留橋塞碎屑，并且普遍存在著壓裂支撐劑返出甚至頁(yè)巖碎屑進(jìn)入井筒的問(wèn)題。這些殘余物如不及時(shí)清除，會(huì)在井筒內(nèi)不斷沉積，有可能造成井筒及地面生產(chǎn)流程堵塞，給氣井生產(chǎn)帶來(lái)極大影響[1]。由于頁(yè)巖氣井井身結(jié)構(gòu)特殊、井筒堵塞物多樣，常規(guī)的井筒碎屑處理工藝在頁(yè)巖氣井應(yīng)用效果并不理想。為此,筆者通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合井筒清潔技術(shù)攻關(guān)進(jìn)展，探討了頁(yè)巖氣水平井井筒清潔技術(shù)的難點(diǎn)及對(duì)策，以期為頁(yè)巖氣的順利開(kāi)發(fā)提供幫助。

1 頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1.1 橋塞處理殘?jiān)练e井筒內(nèi)，形成堵塞

目前川渝地區(qū)頁(yè)巖氣井大量采用橋塞+分簇射孔+分段加砂壓裂聯(lián)作的方式來(lái)改造儲(chǔ)層，現(xiàn)場(chǎng)采用的橋塞主要包括可溶性橋塞、可鉆復(fù)合橋塞以及大通徑橋塞等3類(lèi)[2-6]。實(shí)施加砂作業(yè)后需對(duì)井筒橋塞進(jìn)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(wèn)題。

1）可溶性橋塞溶解不徹底，碎屑易殘留井內(nèi)?？扇苄詷蛉饕涉V鋁合金和高分子材質(zhì)合成，主體部件可溶，但為保證坐封強(qiáng)度，目前可溶性橋塞中金屬銷(xiāo)釘、金屬卡瓦粒依然不可溶，氣井壓裂作業(yè)后，這些雜質(zhì)殘留井內(nèi)，易引發(fā)井筒堵塞。

2）復(fù)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(fù)合橋塞井筒鉆磨技術(shù)相對(duì)較為成熟，但受制于頁(yè)巖氣井井型的限制，以及頁(yè)巖氣井長(zhǎng)水平段有效鉆壓的施加問(wèn)題，致使存在較大的鉆磨產(chǎn)物，難以隨工作液返出地面，在井筒內(nèi)不斷沉積，易引發(fā)井筒堵塞[7-9]。

3）大通徑橋塞失效，井下處理技術(shù)尚不成熟。壓裂改造后，井內(nèi)大通徑橋塞受井底流體沖刷可能發(fā)生位移、損壞甚至解體，易引發(fā)堵塞。由于大通徑橋塞類(lèi)型眾多，工具規(guī)格尺寸不統(tǒng)一，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)水平段大通徑橋塞處理配套技術(shù)尚不成熟。

1.1.2 頁(yè)巖氣水平井井筒出砂、返巖屑現(xiàn)象嚴(yán)重，易造成井筒堵塞

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

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

川渝氣區(qū)經(jīng)歷幾十年的開(kāi)發(fā)歷程，氣井井筒碎屑處理方面經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)已初步形成了包括水力沖砂（壓井液、清水等）、機(jī)械撈砂（繩索式、吸入式、可旋轉(zhuǎn)式撈砂工具）及化學(xué)解堵（有機(jī)解堵劑、無(wú)機(jī)解堵劑等）等3大類(lèi)井筒解堵技術(shù)，在常規(guī)氣井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也取得一定效果。但受制于各項(xiàng)工藝技術(shù)和工具有其自身的適應(yīng)性和局限性，尚無(wú)法滿(mǎn)足頁(yè)巖氣水平井堵塞物不規(guī)則、水平段長(zhǎng)、井眼較小及壓力系數(shù)低等特點(diǎn)[11-12]。

圖1 N201井堵塞井筒的頁(yè)巖碎塊和壓裂砂照片

2 頁(yè)巖氣井井筒清潔技術(shù)的難點(diǎn)

2.1 川渝地區(qū)頁(yè)巖氣井井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

川渝地區(qū)頁(yè)巖氣井通常采用“四開(kāi)四完”的井身結(jié)構(gòu)，?139.7 mm厚壁油層套管下至目標(biāo)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(guò)100°，水平段延伸距離最長(zhǎng)已超過(guò)2 500 m。

2.2 頁(yè)巖氣井井筒清潔技術(shù)難點(diǎn)

相對(duì)于常規(guī)氣井而言，頁(yè)巖氣水平井井筒清潔處理存在著以下技術(shù)難點(diǎn)。

1）堵塞物種類(lèi)多樣，對(duì)清潔工具及工藝提出挑戰(zhàn)。井筒堵塞物種類(lèi)多樣，包括橋塞殘余碎屑、壓裂支撐劑、巖屑、腐蝕產(chǎn)物、油脂類(lèi)產(chǎn)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(zhǎng)，碎屑易沉淀，清潔作業(yè)易卡鉆。水平段碎屑沉降距離短，采用常規(guī)的循環(huán)清潔工藝時(shí)，長(zhǎng)水平段易發(fā)生碎屑沉降卡鉆，同時(shí)低壓儲(chǔ)層保護(hù)要求也限制了循環(huán)清潔工藝的有效實(shí)施。

3）頁(yè)巖氣井壓力遞減快，生產(chǎn)中后期壓力系數(shù)低，難以建立循環(huán)。頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層致密，生產(chǎn)過(guò)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(huán)的方式進(jìn)行清潔作業(yè)。

見(jiàn)了第一家鋪?zhàn)?，我們就下了馬車(chē)。不用說(shuō)，馬車(chē)我們已經(jīng)是付過(guò)了車(chē)錢(qián)的。等我們買(mǎi)好了東西回來(lái)的時(shí)候，會(huì)另外叫一輛的。因?yàn)槲覀儾恢酪卸嗑?。大概看?jiàn)什么好，雖然不需要也要買(mǎi)點(diǎn)，或是東西已經(jīng)買(mǎi)全了不必要再多留連，也要留連一會(huì)，或是買(mǎi)東西的目的，本來(lái)只在一雙鞋，而結(jié)果鞋子沒(méi)有買(mǎi)到，反而羅里羅嗦的買(mǎi)回來(lái)許多用不著的東西。

3 頁(yè)巖氣井井筒清潔技術(shù)的進(jìn)展

針對(duì)各類(lèi)橋塞及井筒堵塞物特點(diǎn)，結(jié)合管柱在長(zhǎng)水平段受力分析，通過(guò)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，在大通徑橋塞處理、長(zhǎng)水平段碎屑方面處理取得了一定的進(jìn)展。

3.1 大通徑橋塞處理

近年來(lái)，大通徑橋塞運(yùn)用于頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層改造作業(yè)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(fā)生解封、位移甚至損壞等情況，導(dǎo)致井筒出現(xiàn)堵塞。大通徑橋塞（圖2）通常設(shè)計(jì)為不可鉆，其材質(zhì)堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在鉆磨過(guò)程中極易造成橋塞散架而在井筒內(nèi)形成多碎塊落魚(yú)，增加井下清潔作業(yè)難度[13]。

研發(fā)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(duì)易鉆的橋塞上接頭，釋放膠筒膨脹力后對(duì)橋塞進(jìn)行一次性打撈作業(yè)。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(mǎn)足穿越橋塞中心通道，打撈支撐架能在過(guò)載情況下能縮回實(shí)現(xiàn)工具可退，工具底部帶銑齒可清理橋塞中心通道。

表1 頁(yè)巖氣井常規(guī)井筒堵塞物類(lèi)型及尺寸表

圖2 常用大通徑橋塞實(shí)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(guò)程中的解卡能力。該工具主要針對(duì)整體結(jié)構(gòu)較為完好的失效大通徑橋塞處理，針對(duì)整體結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重的大通徑橋塞推薦進(jìn)行整體磨銑處理。

3.2 循環(huán)沖砂

頁(yè)巖氣井水平井段較長(zhǎng)，常規(guī)沖砂過(guò)程中，水平段砂粒受到液流沖擊懸浮后向井口方向運(yùn)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(guī)的循環(huán)清潔工藝，水平段清潔效率低，易發(fā)生碎屑沉降卡鉆[14-15]。

圖4 循環(huán)沖砂過(guò)程中砂粒運(yùn)移分布示意圖

3.2.1 換向沖砂工藝

研發(fā)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(shè)計(jì)了特殊的換向機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)泵壓，能改變循環(huán)沖砂方向。作業(yè)過(guò)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(diào)節(jié)，一般設(shè)定為20～30 MPa）后停泵，再次開(kāi)泵換向沖洗，并通過(guò)上提工具，實(shí)現(xiàn)將長(zhǎng)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(shí)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(xù)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(xù)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(yè)過(guò)程示意圖

3.3 局部壓差清潔

頁(yè)巖氣井進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，儲(chǔ)層壓力遞減快，壓力系數(shù)低，往往難以建立全井筒循環(huán)，選用泡沫流體或是液氮在一定程度下能滿(mǎn)足循環(huán)沖砂作業(yè)要求，但需要配套相應(yīng)地面設(shè)備，成本較高，此時(shí)推薦采用局部壓差清砂工藝實(shí)施解堵作業(yè)。

局部壓差清砂主要是通過(guò)文丘里原理，以噴射式局部壓差清潔工具為主體的內(nèi)撈工藝，適用于單獨(dú)作業(yè)或在套、磨銑作業(yè)中捕集井下切屑，同時(shí)也可以捕集井內(nèi)的沉砂或小件碎塊等。該工藝無(wú)需建立全井筒循環(huán)，僅需在工具附近建立局部反循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)井內(nèi)碎屑進(jìn)行打撈[19-20]。

表2 不同類(lèi)型沖砂液性能表

局部壓差打撈工具的主要結(jié)構(gòu)包括：側(cè)向高速流體噴嘴、篩管、沉砂筒及底部銑圈等，能夠?qū)χ睆浇橛?～28 mm的碎屑物進(jìn)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(zhuǎn)撥動(dòng)堵塞物至懸浮狀態(tài)，通過(guò)泵液，噴嘴出口的流體形成高壓水射流進(jìn)入工具與井筒環(huán)空區(qū)，并在噴嘴處形成局部壓差，對(duì)工具底部流體形成吸附作用，從而帶動(dòng)井內(nèi)碎屑物或沉砂進(jìn)入工具內(nèi)部，經(jīng)過(guò)沉淀、過(guò)濾，裝入沉砂管，實(shí)現(xiàn)打撈作業(yè)[21-22]。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

CN10-2井為位于四川盆地南部的1口頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井，水平段長(zhǎng)1 500 m左右。該井采用常規(guī)大通徑橋塞分段壓裂后，生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)大量壓裂砂、巖屑返出的情況，造成井筒及地面流程嚴(yán)重堵塞。通過(guò)綜合分析，采用循環(huán)沖砂和局部壓差清潔工藝配合的方式對(duì)井筒堵塞物實(shí)現(xiàn)了成功處理。

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

2）針對(duì)沖砂作業(yè)難以返出的較大碎塊，反復(fù)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(jìn)行局部壓差清潔作業(yè)，撈出較大巖屑、壓裂砂及金屬碎屑共約700 kg。

3）采用連續(xù)油管循環(huán)地層返排液實(shí)施沖砂作業(yè)，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(duì)水平井段進(jìn)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(fù)產(chǎn)。

5 結(jié)論及建議

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

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

3）通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣水平井失效大通徑橋塞及碎屑處理工具的研發(fā)，配套相應(yīng)工藝形成的井筒清潔技術(shù)能夠基本滿(mǎn)足頁(yè)巖氣水平井的井筒清潔要求，為該類(lèi)井壓裂后的井筒疏通奠定基礎(chǔ)。