深井冲砂技术在塔里木盆地应用分析

陈若铭，张 昕，袁鑫伟，李晓军，邹江美，张胜鹏，李洪涛

(1.西部钻探 钻井工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.塔里木石油勘探开发指挥部 第一勘探公司，新疆 库尔勒 841000)



深井冲砂技术在塔里木盆地应用分析

陈若铭1，张 昕1，袁鑫伟2，李晓军1，邹江美1，张胜鹏1，李洪涛1

(1.西部钻探 钻井工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.塔里木石油勘探开发指挥部 第一勘探公司，新疆 库尔勒 841000)

新疆塔里木盆地哈拉哈塘、哈德以及塔河等油田区块是以泥盆系和奥陶系为主的目的层位。该段层位以泥岩和灰岩为主，上段井径扩大率较大，井壁容易掉块，下段奥陶系灰岩容易垮塌。油藏埋深6 650～7 000 m，地层流体普遍高含硫化氢。在进行转机采作业，转抽、检抽作业过程中发现地层出砂严重，裸眼产层因井壁垮塌、出砂严重，砂埋现象严重，砂柱高6.74～154.12 m。机采井砂卡严重，严重影响生产周期。分析了塔里木盆地曾经采用的几种冲砂工艺，研制出一套连续泡沫冲砂与取芯捞砂相结合的复合捞砂方案和工具。该方案和工具在现场的成功实践，为塔里木盆地成功实现冲砂施工提供了技术借鉴。

深井；冲砂；工艺

哈拉哈塘、哈德区块以及塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起阿克库勒凸起南端，属碳酸盐开阔—局限台地环境，全区缺失上、下二叠统和中、上侏罗统，绝大部分地区缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、上石炭统和中二叠统。塔河油田储集层主要分布在中下奥陶统的一间房组和鹰山组，在全区普遍发育，厚度较大，连续性好。岩石类型较为简单，主要为黄灰色或灰黑色泥微晶灰岩和云斑灰岩，局部发育砾屑灰岩、生屑灰岩及白云岩[1]。其中云斑灰岩和白云岩是最有利的储集岩，由于白云岩地层发育较深，很少钻遇，故云斑灰岩更有价值。云斑灰岩中斑块部分为白云石晶体，结晶完好，呈砂屑状，粒度类似于碎屑岩的中细砂岩。云斑灰岩的晶内孔和晶间孔发育，普遍含油，与缝合线、灰岩次生溶孔、溶洞及微裂缝共同形成了孔-缝-洞复合型储集空间[2]。

由于该区块的地质构成原因导致了塔里木盆地哈拉哈塘、哈德区块以及塔河油田有许多油气井在钻井及后期的生产过程中都存在着裸眼段井壁坍塌现象。其中，哈拉哈塘油田、哈德油田奥陶系产层采用裸眼完井(总井数270口，哈拉哈塘241口，哈德29口，平均日开井数166口)，截止2016年，累计发现59井次产层被埋，占生产井开井总数的35.5%，影响原油产量5万t以上。同时，中石化西北局现有裸眼坍塌井93口，其中带病生产井57口，停产井36口，影响产量达533 t/d，这些井位主要分布在塔河二厂和三厂区域，重点在塔河十区、十二区和托普台区块。为了响应中石油、中石化提高采收率、老井开发的号召，因此，深井捞砂恢复井眼生产迫在眉睫。

由于塔河区块乃至塔里木各大油气井不同于国内其他油田区块，都具有井深、高含硫、高温、高压以及地质岩层的特性，采用普通的捞砂工具和工艺难以将井底坍塌块捞出。因此各大油田钻探公司、研究院以及国内外能源服务公司运用多种特殊工艺与工具相结合进行试验，效果均不明显或者方案无效果，甚至有的方案造成井下落鱼事故。

1 塔河区块深井冲砂存在的主要难题

1) 大量漏失问题。井眼漏失带来两个负面的问题，一是压井方面，压井液窗口小，又漏又涌，大量漏失导致反复压井；二是堵漏方面，井眼严重漏失导致泥浆无法携岩屑，捞砂无进尺。同时，反复堵漏造成一些油井产量下降。

2) 井眼大肚子问题。容易坍塌的泥灰岩掉块引起井眼“大肚子”。原为160 mm左右的裸眼最大能扩至356 mm。这就使其冲砂过程中造成旋流在“大肚子”里，岩块很难被冲出。

3) 大尺寸套管冲砂效率低下问题。塔河区块目的层位井深基本是6 000 m左右。只要井深超过4 000 m，正常选用井口套管为244.475 mm(9英寸)。同时，超过半数碳酸盐岩177.8 mm(7 英寸)套管未回接。这就会在单泵条件下难以携砂，若采用双泵循环，会因冲砂钻具内径小而排量提升困难。

4) 冲砂作业时持续坍塌卡钻问题。在冲砂作业过程中容易持续坍塌出现卡钻。另外，被冲岩屑也会在冲砂过程中越带越高，只要未及时带出井口，一旦停止循环也会造成卡钻。

2 塔里木盆地各油田区块现有的几种冲砂方案

2.1 威德福文丘里冲砂

针对上述的坍塌情况，威德福公司提出了文丘里效应冲砂的方案。该方案涉及的工具主要包括钻杆、文丘里接头、三扣驱动接头、铣鞋、套铣筒和浮阀接头等[3]。图1为该公司的文丘里接头。

图1 文丘里接头

威德福文丘里接头是整个工具系统最关键的工具，该工具由上接头、内管、喷嘴、喉管、外管和下接头组成。其工作原理采用的是文丘里现象。当喷射泵开始工作时，流体由喷射泵经喉管从喷嘴泵出，从而抽吸管串中的液体，而液体是依靠真空效应持续不断地补充。这样将井内碎屑带入筒内最后随工具起出井口[4]。

威德福公司于2014-07-08共计30 d在塔河油田TP151井进行文丘里冲砂施工。该井2012-04完钻，井深6 465 m，完钻层位为奥陶系鹰山组。在钻遇过程中无放空、漏失情况，完钻后139.7 mm(5英寸)套管未回接。砂埋段为6 277.76～6 340 m，共计62.24 m。在30 d的施工过程中，文丘里方案冲砂效果不明显，处理砂埋9 m[5]。原因分析如下：

1) 喷嘴对井壁的强烈冲刷引起严重掉块导致卡钻频繁 。

2) 因吸力不足引起冲砂量少。

3) 铣鞋破碎能力不足。

4) 工具方对该区块认识不够，不能很好处理由于该区块的地质原因带来的冲砂难度。

2.2 连续油管泡沫冲砂

杰瑞能服公司根据塔河区块砂埋情况给出了连续油管泡沫冲砂方案。泡沫冲砂是针对塔河区块乃至整个塔里木盆地地层高漏失、水敏性油藏、油层压力降低等特点而采取的一种方式。泡沫流体由于密度小且易于控制、静液柱压力低、黏度高、携带能力强、对油气层伤害小等优点在其它各大油田能很好应用于钻井、完井以及修井中。泡沫冲砂采用的是“贾敏效应”，这种效应是一种阻力效应。油中气泡或者水中的油滴由于界面张力而力图保持成球形。当这些气泡或者油滴通过细小的孔隙喉道时，由于孔道和喉道的半径差使得气泡或油滴两端的弧面毛管力表现为阻力，若要通过半径较小的喉道必须拉长并改变形状，这种变形将消耗一部分能量，从而减缓气泡或油滴运动，增加额外的阻力[6]。

该方案涉及的工具主要为连续油管、单向阀、液压丢手、高温螺杆马达、扩眼器以及磨鞋，地面设备主要是制氮设备。其工作原理为：配制泡沫液，地面制氮设备将泡沫液通过连续油管高速通过高温螺杆马达使其带动磨鞋磨铣砂埋层，使其变成细小岩屑。泡沫液在井筒返回时携带岩屑至井口排出。

杰瑞能服公司于2014-06-07共计40 d在塔河油田TH12529井进行连续油管泡沫冲砂施工。该井2013-08完钻，井深6 646 m，完钻层位为一间房组。在钻遇过程中无放空、漏失情况，完钻后139.7 mm(5英寸)套管未回接。砂埋段为6 530.6～6 637 m，共计106.4 m。在40 d的施工过程中，前期施工效果比较明显，2014-06-10—2014-06-12冲砂采用密度为0.8 g/cm3的泡沫液，在建立循环后井口一直均有正常的返出，而且是在一定的回压状态下，施工暂停后，在循环返出液罐的沉淀池里看到大约有0.2 m3左右的沉砂。12日由于无返出物，起出检查发现高温螺杆马达输出轴断，井下落鱼。后期进行落鱼打捞[7]。此次氮气泡沫冲砂失败原因分析如下：

1) 此次马达输出轴的断裂，不能肯定是否在井下腐蚀起到主要作用，但可以肯定的是，经检测氮气不纯，工具在井下受到剥蚀。

2) 本次施工所采用的连续油管壁薄，在井下有非常大的断裂危险。

3) 该方案对于大的活动的掉块无法钻磨(井底活动的大掉快会随着磨鞋一起转动而无法磨细)。

2.3 华油螺杆泵式局部反循环冲砂

华油能源集团所采用的螺杆泵式局部反循环冲砂也是根据文丘里现象延伸出来的。该方案利用上部的强制反循环工具实现强制局部反循环，可以保持恒定的负压，含屑混相液体经过沉砂管液固分离后再次进入环空。理论上，这种局部反循环方式，形成稳定负压差3～5 MPa，直、斜井、水平井均适用；循环工具始终在套管里不对裸眼形成冲蚀。图2为局部反循环冲砂工具[8]。

图2 局部反循环冲砂工具

其工作原理为：地面液体自上部钻杆进入反循环工具，反循环工具使地面液体变向至环空的同时在内腔形成负压差，地面液体自环空压到钻头底部，由于冲洗和管柱钻磨搅动而形成液固混相液，由于负压差，混相液直接进入工具内腔。混相液经过沉屑管芯轴顶部后液流变向、降速、固相颗粒沉入管内环空。 混相液经过筛管以及多级沉砂管后进入中接钻杆自然沉淀。经过两级沉淀后的液体经过滤砂管进入反循环工具，经过反循环工具液体再次返回环空[9]。

华油能源集团所施工的井位属于中石油塔里木油田分公司塔北项目部哈拉哈塘区块哈601-4井，该方案从2015-06-21开始施工，至2015-07-03结束，共计13 d。该井2010-03完钻，直井，井深6 730 m，完钻层位为奥陶系鹰山组。裸眼完井下筛管。冲砂之前筛管内沉砂。筛管内砂埋段为121 m。华油能源集团所施工目的是：捞114.3 mm(4英寸)割缝筛管内沉砂，恢复井筒生产油流通道。

在13 d的施工过程中，累计冲砂长度121 m。捞获泥砂600 L，其中大块50 L[10]。对于该次施工总结如下：

1) 在筛管内冲砂，风险和难度明显小于裸眼段冲砂。

2) 中途有挂卡现象，所以小井眼捞砂，发生沙埋、卡钻的风险较高。

3) 负压捞砂工具的密封件抗高温能力差。

4) 工具方对该区块认识不够，在现场操作使用过程中可能有一些不合理之处，有待提高捞砂的效率。

3 新型捞砂工艺以及工具研制

根据塔里木盆地各大油田区块深井捞砂存在着的4大主要问题，再结合上述几大油服公司现场施工的结果进行分析和总结。本文给出一套针对性的方案。

从以上几大油服公司现场施工来看，威德福公司的文丘里冲砂方案无法解决坍塌井的漏失问题，负压吸力不够，处理砂埋仅9 m，该方案无法应对现场复杂情况。华油能源的局部反循环法只是在筛管内处理砂埋，无法与裸眼段砂埋的复杂情况相比，故不采纳。杰瑞能服的连续油管泡沫冲砂虽在后期发生连续油管腐蚀以及马达轴断裂，但前期的效果比较好。运用泡沫冲砂相比于其它方案来说更能贴切解决塔里木盆地各大油田区块深井捞砂存在着的主要难题。由此，笔者认为仍然以泡沫冲砂为基础，再结合取芯捞砂方式能很好解决南疆裸眼砂埋情况。

氮气泡沫冲砂能携带细砂和体积较小的掉块。工具底部的磨鞋也能磨细掉块沉砂。井底砂埋井沉砂胶结并不强，稍微给力就会散开，但井壁掉块是胶结严重的，不会轻易磨细，它们会随着磨鞋的旋转也跟着旋转，不会磨细。这样大掉块始终沉在井底不会被带出。施工前期细砂通过泡沫液被带出井口，在施工后期少数大掉块就只能通过其它方式进行清理。通过取芯捞砂的方式直接将剩余的大掉块压入取芯筒而直接取出；若连续泡沫冲砂能清理至目的层位时，取芯捞砂的方式可以取消。因此，通过两者相结合的方式能将深井砂埋干净清除，故取名叫复合捞砂方案。整个施工过程分为连续循环泡沫冲砂、取芯打捞大掉块2个步骤。

2.1 连续循环泡沫冲砂

采用泡沫液作为循环介质，密度低、携砂能力强[11]；同时配合连续循环冲砂钻具，在起下钻或接单根时，由地面控制切换循环通道，经过旁路管线建立井筒循环。可持续建立循环，减少蹩压卡钻风险。图3为连续循环泡沫冲砂原理。

与杰瑞能服连续油管泡沫冲砂方案不一样的是：连续循环泡沫冲砂方案所用的送入管串不再是连续油管，而是钻杆，钻杆抗井下腐蚀要比连续油管强得多。同时又采用不停泵连续循环方式，这样避免了接单根停泵带来的沉砂卡钻风险。

图3 连续循环泡沫冲砂原理

2.2 取芯打捞大掉块

当连续泡沫冲砂无法磨碎、带出大掉块时，第2步就可以实施。针对松散地层取心工具进行取芯，取芯完毕后，内部的岩心爪抱死大块岩屑，实现全封闭，再将其取出。该工具借鉴松散地层工具结构原理，采用双筒结构，外筒连接钻头，传递转矩和钻压，内筒存储钻取的沉砂，内筒存储将满时，停止钻进，从井口投入加压球憋压，在液压的作用下，悬挂销钉首先被剪断，活塞轴推动内筒下行，收缩筒沿着钻头内导向槽产生永久变形，收缩成全封闭结构，从而将沉砂封闭在内筒中，收缩筒收缩到位后，内筒不会再产生位移，随着压力的继续增加，活塞销被剪断，活塞轴连同加压球下落，打开钻具的循环通道。图4是该工具结构原理图。

1—安全接头；2—加压球；3—活塞轴；4—活塞销钉；5—悬挂接头；6—平衡球；7—球座；8—悬挂销钉；9—外筒；10—内筒；11—内筒短接；12—外筒接头；13—钻头；14—收缩筒。

全抱死取芯工具有其独特的结构设计：

1) 钻头内腔设计有独特的V型槽结构，可确保将收缩筒压迫成全封闭结构，封闭严实可靠。

2) 伸缩筒采用特殊钢材，不但延展性好，而且具有冷作硬化的特点，保证具有足够的承载力。

3) 伸缩筒上端可以辅助装有自锁岩心爪，如果底部钻取的是坚固的岩心柱，直接提起工具，即可锁紧岩心柱。

4) 安全接头采用大螺距扣，倒扣转矩小。

5) 只需小排量循环，水眼设计位置既不冲蚀沉砂又可通过紊流携带碎屑。

6) 管柱内筒独特结构防止岩屑卡住内筒影响后续岩屑的进入。

复合捞砂方案的施工步骤：

1) 设备安装、配备液，开工验收。

2) 泄压，观察井口待稳定。

3) 起原井抽油杆。

4) 拆井口，安装作业井控设备并试压合格。

5) 起甩原井管柱。

6) 针对地层配备相适应的泡沫冲砂液。

7) 组下钻磨冲砂管柱探底，替泡沫液，安装连续循环装置，钻磨冲砂。

8) 提管柱组合。

9) 换取芯工具管串下入目的层位进行钻磨捞砂。

10) 刮管。

11) 组下模拟管柱。

12) 组下尾管。

13) 组下完井管柱、抽油杆柱。

14) 恢复井口及地面流程并试压合格。

15) 试抽，环保交井。

若连续泡沫冲砂能清理干净井底砂埋时，第8)、9)步可以取消。

4 百泉X井现场应用情况

白泉X井为生产直井，完钻井深4 998 m。产层采用的是裸眼完井。生产过程中尤其在机采阶段，因生产压差加大，地层压力和应力释放导致地层垮塌出砂，严重影响了油井产能。故由服务单位——西部钻探钻井工程技术研究院提出申请，决定采用连续泡沫冲砂加取芯打捞的方式进行该井捞砂工作。

下捞砂管柱至4 862.5 m，下放加压30 kN，连探三次深度不变，实探砂面深度4 862.5 m(人工井底4 998 m)。连接方钻杆，连接水泥车管线并试压35 MPa，稳压15 min不降，正循环冲砂至4 894.4 m(人工井底4 998 m，期间多次划眼)，钻压20～30 kN，转速30～40 r/min，泵压0～13 MPa，排量9～10 L/s，密度1.01 g/cm3。冲砂井段4 862.5～4 998.2 m，起钻至套管鞋静止沉砂，下捞砂管柱至4 998.2 m遇阻，加压30 kN，复探3次深度不变，实探砂面深度 4 998.2 (人工井底 4 998.2 m)。捞出沉砂约0.4 m3(其中地层岩屑1块长30 mm，宽20 mm，厚4 mm)。由于此次井内冲砂过程中，井内掉块被磨细，无大掉块的存在，因此无需取芯打捞大掉块。

5 结论

连续泡沫冲砂在白泉X井现场的成功应用揭示了在捞砂过程中，不会过大增加井底压力，这对于塔里木区块目的层压力低、漏失严重、不能建立循环的井，具有良好的适应性，可以减少进入地层外来液体量，具有一定的油层保护作用，缩短油井修后恢复期，为二次开发、老井增产带来显著的效果。利用该技术及工具，具有很大的市场前景。

根据几大油服的冲砂方案以及现场施工效果来看，还需要解决的几个问题是：

1) 优选性能高的新修井设备实施塔里木盆地区块油井捞沙作业。超复杂大修井建议采用F320型钻机，满足载荷要求。

2) 提升循环排量，降低卡钻风险。主要是：论证850型修井机能否全部采用88.9 mm(3英寸)钻具；对于F320型钻机，建议171.5 mm(6英寸)裸眼井眼采用101.6 mm(4 英寸)钻杆(节箍外径139.7 mm，内径水眼65.1 mm)；裸眼冲砂建议采用泥浆，并加强日常性能维护，保持良好携砂能力。

3) 选择合理时机作业，采用下防砂筛管尾管，彻底解决地层出砂问题。改进现有防砂筛管，提升防砂效果。

4) 研制开发新一代捞砂工具，从而增加工具强度、耐温提高至150 ℃以上，保证工具性能更加稳定、可靠。

5) 加强管理培训，提升现场应急复杂处理能力。

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[11] 沈忠厚.水射流理论与技术[M].东营：石油大学出版社，1998：250-292.

Application Analysis of Deep Well Flushing Technology in Tarim Basin

CHEN Ruoming1，ZHANG Xin1，YUAN Xinwei2，LI Xiaojun1，ZHOU Jiangmei1，ZHANG Shengpeng1，LI Hongtao1

(1.ResearchInstituteofDrillingEngineeringandTechnology，WesternDrillingEngineeringCompany，CNPC，Karamay834000，China；2.TheFirstExplorationCompany，TarimPetroleumExplorationandDevelopmentHeadquarters，CNPC，Korla841000，China)

Xinjiang Tarim Basin exist Halahatang，Hudson and Tahe oilfield.These blocks are based on Devonian and Ordovician as the main target.This section is mainly based on mudstone and limestone.The upper layer of hole enlargement ratio is large，easy to wall off the block，lower Ordovician limestone is easy to collapse.The buried depth of the reservoir is 6 650～7000 m，and the formation fluid is generally high in hydrogen sulfide.Flowing production cycle is short，late general use of electric submersible pump or pump production.In the process of the transfer of the mining operation，pumping，pumping operation found that the formation of sand serious，the naked eye layer due to wall collapse，serious sand，sand buried serious sand column 6.74～154.12 m.Machine mining sand card serious，seriously affect the production cycle.This article through to have been performed in the Tarim Basin，developed a set of continuous foam sand blasting sand and sand blasting combined with sand and sand scheme and tools.The scheme at the site of successful practice，in the Tarim Basin successfully sand bailing operation provides a technical reference.

deep well；sand clean out；technology

2016-05-09

陈若铭(1961-)，男，陕西府谷人，教授级高工，硕士，钻完井及采油工程技术领域专家。

1001-3482(2016)11-0054-06

TE935

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.012