摘要：澀北氣田生產(chǎn)過程中極易出砂，要恢復(fù)氣井正常生產(chǎn)，就要將砂沖出來，解放產(chǎn)層。由于地層壓力低，常規(guī)沖砂方法容易使地層壓漏，返排困難，對(duì)氣層造成嚴(yán)重的污染，達(dá)不到提高產(chǎn)量的目的。在使用連續(xù)油管進(jìn)行了10口井沖砂作業(yè)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)典型井的分析，認(rèn)為沖砂作業(yè)成功的關(guān)鍵是合理控制沖砂排量、井口油壓(回壓)、泵液時(shí)間、泵液量、沖砂速度等，使井口油壓、液柱壓力、砂柱壓力、氣柱壓力、油管與連續(xù)油管環(huán)空間的循環(huán)阻力之和小于井底地層壓力，讓產(chǎn)層中的天然氣不斷地流入井筒，達(dá)到減少地層污染的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)今后澀北氣田進(jìn)行大規(guī)模的連續(xù)油管沖砂作業(yè)具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：澀北氣田；連續(xù)油管；清砂；生產(chǎn)能力；地層壓力

    2005年在4口直井、2007年選擇了4口水平井和2口出水較多、有出砂現(xiàn)象的直井實(shí)施了連續(xù)油沖砂作業(yè)，其效果見表1。

    2005年沖砂的4口井都沒壓住地層，沖砂完后直接進(jìn)站生產(chǎn)，除澀北4-5井底部橋塞上移產(chǎn)量未增加外，其余井都有所增加。2007年沖砂后，1口井生產(chǎn)不正常，1口井復(fù)產(chǎn)不成功，其余4口井產(chǎn)量有所降低，除地層壓力比2005年更低外，操作上也存在問題。

 

    澀北氣田生產(chǎn)套管外徑為177.8mm，內(nèi)徑159.4mm；油管外徑為73mm，內(nèi)徑62mm；連續(xù)油管外徑為31.75mm，內(nèi)徑27.29mm，連續(xù)油管長度4000m；氣層井段1000～1500m，鉆井口袋70m左右。

    將砂帶出地面的條件為：

    v_t＞2v_d

式中：v_t為沖砂液的上返速度，m/s；v_d為砂粒的自由下沉速度，m/s。

    只要沖砂液的上返速度大于等于2倍砂粒的自由下沉速度就能將砂沖到地面。澀北氣田地層砂顆粒較小(地層砂粒徑中值0.04～0.07mm)，從文獻(xiàn)[1]查得石英砂在水中自由下沉速度為0.02～0.04m/s，如果按0.04m/s計(jì)算，可得保證砂粒上返地面的最低液流上返速度為vmin=0.08m/s^[2～3]。由此可得沖砂時(shí)可需要的最低排量為：

式中：Q_min為沖砂要求的最低排量，m³/h；F為截面積，m²。

    連續(xù)油管沖砂所需最低排量及所耗時(shí)間計(jì)算如下所示。

    F_套管=0.785(d_套管²～D_{連續(xù)油管}²)=0.785×(0.1594²-0.03175²)=0.01915m²

    F_油管=0.785(d_油管²～D_{連續(xù)油管}²)=0.785×(0.0622-0.03175²)=0.0022m²

Q_min=360F·v_min=360×0.01915×0.08=0.55m³/h

    設(shè)砂粒在套管內(nèi)的上升速度為%、油管內(nèi)的上升速度為v_s2，得

    v_s2=Qm_in/F_油管=0.069m/s

    設(shè)套管段長度為50m，井深為1500m，砂粒從井底上升到地面的時(shí)間為：井深/砂粒上升速度=6.18h。

    常規(guī)沖砂所需最低排量及所耗時(shí)間為：52.08h(最小排量為0.45m³/h)。

    計(jì)算結(jié)果表明，常規(guī)沖砂和連續(xù)油管沖砂所需的排量都較小，施工的時(shí)間都很長，所以實(shí)際施工時(shí)采用不壓漏地層的較大排量進(jìn)行沖砂。即

    p_地＞p_液+p_固+p_{環(huán)空損失}+p_油

式中：p_地為井底地層壓力，MPa；p_液為液柱形成的壓力，MPa；p_固為固體即砂粒形成的壓力，MPa；p_{環(huán)空損失}為油管和連續(xù)油管之間的循環(huán)壓力降，MPa；p_油為井口油壓，MPa。

2.3.1 澀4-5井基本參數(shù)

    產(chǎn)層井段1348.2～1385.3m，共8個(gè)小層，有效厚度12.1m，人工井底1513m，砂面位置1380m；砂柱長度133m(1513～1380m)；施工排量185L/min=11.1m³/h。

2.3.2 施工過程

施工過程詳見連續(xù)油管沖砂試驗(yàn)施工記錄(表2)。

1) 連續(xù)油管情況。安裝、試壓、探砂面后，用185～160L/min排量向井內(nèi)泵液，泵入壓力40～35MPa，井口用針形調(diào)控制，泵液5min，連續(xù)油管緩慢從1335m下至1380m，開始沖砂，每沖20m砂，上提連續(xù)油管至1100m，目的是將沖出韻砂趕至油管內(nèi)200m以上，有利攜砂；如此反復(fù)，一直到人工井底1513m，沖完后，將連續(xù)油管緩慢起到井深200m，將大部分砂帶出地面后，又將連續(xù)油管下至井底反復(fù)沖，直到井口返出的全是清水后，再循環(huán)50min，上提連續(xù)油管，施工完畢。

   2) 井口情況。開始泵液時(shí)，針形閥打開，泵液25min，井口見液，油壓從10.2MPa降至2.5MPa時(shí)，將針形閥全部開啟，壓力馬上降到0MPa，5min后見砂，井口段流，間隔時(shí)間較長，分析認(rèn)為井下已發(fā)生漏失，停泵觀察，待井口返出排量較大時(shí)，開泵繼續(xù)沖砂，后井口又出現(xiàn)較長時(shí)間不返，停泵10min后，又重新開始沖砂，以后沒有出現(xiàn)長時(shí)間斷流現(xiàn)象。

   3) 沖砂液。淡水+增黏劑+表面活性劑+防膨劑。

2.3.3 施工分析

   選取沖砂至1435m、液體返到井口時(shí)的資料進(jìn)行分析。

2.3.3.1 漏失分析

   砂面位置1380m，油管下深1335m，排量為185L/min，連續(xù)油管深度1435m，25min井口見液，井口油壓2.5MPa。假設(shè)沖砂時(shí)砂和液體的體積互相抵消，即沖出1m³砂，需要1m³液填充，計(jì)算體積時(shí)用砂面位置以上計(jì)算，井口針形閥開得小，達(dá)不到排液臨界流量，井內(nèi)產(chǎn)出的氣滑脫后從井口排出，沖砂時(shí)不出水和砂。砂面以上井筒容積為：

    V=(1380-1335)F_套管+1335F_油管-55×O.01915+1335×0.0022-3.99m³

   液體返到地面所需要的時(shí)間(t)為：

    實(shí)際井口見液時(shí)間為25min，在這段時(shí)間泵入的液量為：0.185×25=4.62m³。說明井下發(fā)生了漏失，漏失量至少為：4.62-3.99=0.63m³。沖砂液中的天然氣不可能完全滑脫，所以井筒內(nèi)還存有部分天然氣，故漏失量要大于0.63m³。

2.3.3.2 井底壓力分析

   1) 泵液前：井底靜壓

   井斜小于2°，測量井深(L)等于垂直井深(H)，關(guān)井靜氣柱，壓降梯度中摩阻項(xiàng)和動(dòng)能項(xiàng)均為零。垂深按1435m計(jì)，井筒平均溫度為40℃，井口關(guān)井壓力為10.2MPa，井筒氣柱平均偏轉(zhuǎn)系數(shù)為0.95。用平均參數(shù)法求得井底靜壓(p_ws)。

   第一次試算，取

    p_平=(p_ws⁰+p_wh)/2=10.785MPa

    T_平=273+T=273+40=313K

求p_ws：

 

    試算結(jié)果表明誤差不大，所以p_ws為11.19MPa，除去井口壓力，氣柱壓力為0.99MPa。

    2) 泵液后：井底液柱壓力

    砂的密度按2.65g/cm³、液體密度按1.0g/cm³計(jì)，假設(shè)液固均勻分布，則井筒容積為：

   V=(1435-1335)F_套管+1335F_油管=4.85m³

    假設(shè)砂粒不漏入地層，砂的體積便為：

    V_砂=(沖砂井深-砂面)F_套管=1.05m³

   則液的體積為：

    V_液=V-V_砂=4.85-1.05=3.8m³

    井筒內(nèi)平均密度為：

    γ=(V_液γ_液+V_砂γ_砂)/V=1.35g/cm³

環(huán)空循環(huán)壓耗取0.5MPa(根據(jù)連續(xù)油管在井口和下到井底循環(huán)時(shí)的壓力差得)，井口壓力為2.5MPa，則井底壓力為：

 

如果考慮井內(nèi)天然氣影響，液柱壓力降低40%，則井底壓力仍為：

 

    井口觀察，氣體在井筒內(nèi)所占的體積不到40%，所以井底壓力14.86MPa是比較保守的算法，實(shí)際要大。從計(jì)算結(jié)果可以看出，井筒內(nèi)的氣液固對(duì)井底所形成的壓力大于地層壓力，從而導(dǎo)致井漏。

2.3.3.3 原因分析

    1) 井底靜壓力低，壓力系數(shù)只有0.8。

    2) 在施工過程中，怕井口被刺壞，故控制井口油壓的針形閥開得太小，井口出氣量低，達(dá)不到排液的臨界流量，砂和液不能及時(shí)排出，再加上井口憋壓，造成井底壓力過大而井漏。

從井內(nèi)把液體帶至地面所需的最小氣流速度，應(yīng)足以把井內(nèi)可能存在的最大液滴帶到地面，該氣流速度稱為臨界流速，根據(jù)氣流攜帶液滴所需的臨界流速計(jì)算公式為：

 

式中：q_g為氣流攜帶液滴所需的最小流量，10⁴m³/d；d_t為油管直徑，m；p為氣體流動(dòng)壓力，MPa；T為氣體流動(dòng)溫度，K；Z為天然氣偏差系數(shù)，無因次；γ_g為氣體相對(duì)密度，ρ_l為液體密度，kg/m³；σ_w為氣液表面張力，mN/m。

    根據(jù)氣流攜帶液滴所需的臨界流速公式計(jì)算，澀北氣田井口流動(dòng)溫度為20℃時(shí)，不同內(nèi)徑油管在不同井口壓力下氣井的平均排液臨界流量見表3。

該井在施工時(shí)，井口流量沒有達(dá)到排液臨界流量，造成井底明顯積液。

    3) 在施工過程中，排量偏大。根據(jù)前面的理論分析，排量在0.55m³/h(9.17L/min)就能達(dá)到攜砂的要求，而在施工中卻用了185～160L/min，增大了攜液難度。

    4) 沖砂下放速度過快。由于現(xiàn)場拉液較遠(yuǎn)，沖砂液不能回收，如果井場液量不夠，就會(huì)導(dǎo)致后面的沖砂不徹底。為了節(jié)省沖砂液，剛開始沖砂的速度較快，導(dǎo)致砂粒對(duì)井底形成的壓力加大，憋漏地層。

    1) 為防止井口刺壞，探到砂面后，將連續(xù)油管上提至距砂面50m以上開泵，保證井底砂不被沖起來(防止沖砂初期排出的高流速液體中含砂而刺壞井口)。

    2) 泵排量控制在100L/min以下，井口控制好回壓，出氣量在排液臨界流量以上。

    3) 泵液0.5m³后，再下連續(xù)油管緩慢沖砂，控制好沖砂下放速度在1m/min以內(nèi)，每沖10m上提一次連續(xù)油管至油管內(nèi)200m以上，再下去沖下一段。

    4) 讓井口處在常噴狀態(tài)，如果停噴馬上停止沖砂，同時(shí)停泵觀察，待噴勢(shì)較大后再繼續(xù)往下沖。

    5) 對(duì)出水較多的停產(chǎn)井，用制氮車與泡排技術(shù)結(jié)合進(jìn)行沖砂。

    6) 冬天施工時(shí)，為防止連續(xù)油管里的殘留液體結(jié)冰，要泵入鹽水將淡水替換出來。

    連續(xù)油管沖砂，如果井不漏，非常簡單。但通過澀北氣田10口井的沖砂發(fā)現(xiàn)，基本上每口井都有井漏發(fā)生，沖砂后效果不是很理想，要提高澀北氣田沖砂效果，充分利用好油田購進(jìn)的連續(xù)油管車和制氮車，提以下建議：

    1) 對(duì)沖砂液進(jìn)行研究，達(dá)到保護(hù)氣層、低排量沖砂、攜砂目的，同時(shí)提高被天然氣攜帶的能力，為低產(chǎn)量條件下沖砂，打下基礎(chǔ)。

    2) 對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)排量、井口控制壓力、沖砂速度、每段沖砂長度、各段施工時(shí)間、用液量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

    3) 對(duì)井口及地面放噴設(shè)備沖蝕情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究，得出不同含砂量、不同速度時(shí)沖蝕情況，找出合理的解決辦法。

    4) 適當(dāng)改進(jìn)研制井口簡易沖砂分離裝置及流程，將液體分離出來后重復(fù)利用，天然氣分離后能進(jìn)站回收，達(dá)到安全節(jié)能環(huán)保的目的。

    5) 制訂安全操作規(guī)程，對(duì)上崗人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高事故預(yù)防、處理及應(yīng)急能力。

    6) 加強(qiáng)對(duì)更低壓力、產(chǎn)量條件下的沖砂研究。

[1] 郭鐵.石油開采十大技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[2] 李士倫.天然氣工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[3] 張琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].山東東營：石油大學(xué)出版社，2000.

 

(本文作者：胡昌德¹ 趙元才² 包慧濤¹ 王善聰³ 1.中國石油青海油田公司采油氣工藝處；2.中國石油青海油田公司鉆井處；3.中國石油青海油田公司天然氣開發(fā)公司)