页岩气水平井井筒清洁技术的难点及对策

张华礼 杨 盛 刘东明 李玉飞 罗 伟 黎俊吾中国石油西南油气田公司工程技术研究院

0 引言

近年来，随着川渝地区对页岩气勘探、开发力度的增强，以威远、长宁为典型的页岩气区块逐渐投入开发，在获得显著产能的同时，气井井筒堵塞的问题也频繁出现。新投产井采用桥塞作为分段工具进行加砂压裂作业，后续钻塞返排不彻底，井筒会残留桥塞碎屑，并且普遍存在着压裂支撑剂返出甚至页岩碎屑进入井筒的问题。这些残余物如不及时清除，会在井筒内不断沉积，有可能造成井筒及地面生产流程堵塞，给气井生产带来极大影响[1]。由于页岩气井井身结构特殊、井筒堵塞物多样，常规的井筒碎屑处理工艺在页岩气井应用效果并不理想。为此,笔者通过对页岩气井的生产技术现状进行分析，结合井筒清洁技术攻关进展，探讨了页岩气水平井井筒清洁技术的难点及对策，以期为页岩气的顺利开发提供帮助。

1 页岩气井的生产技术现状

1.1 生产现状

1.1.1 桥塞处理残渣沉积井筒内，形成堵塞

目前川渝地区页岩气井大量采用桥塞+分簇射孔+分段加砂压裂联作的方式来改造储层，现场采用的桥塞主要包括可溶性桥塞、可钻复合桥塞以及大通径桥塞等3类[2-6]。实施加砂作业后需对井筒桥塞进行清理，但处理效果并不理想，目前井筒桥塞处理主要存在以下问题。

1）可溶性桥塞溶解不彻底，碎屑易残留井内。可溶性桥塞主要由镁铝合金和高分子材质合成，主体部件可溶，但为保证坐封强度，目前可溶性桥塞中金属销钉、金属卡瓦粒依然不可溶，气井压裂作业后，这些杂质残留井内，易引发井筒堵塞。

2）复合桥塞钻磨碎块残留，清洁不彻底，易堵塞通道。目前水平井复合桥塞井筒钻磨技术相对较为成熟，但受制于页岩气井井型的限制，以及页岩气井长水平段有效钻压的施加问题，致使存在较大的钻磨产物，难以随工作液返出地面，在井筒内不断沉积，易引发井筒堵塞[7-9]。

3）大通径桥塞失效，井下处理技术尚不成熟。压裂改造后，井内大通径桥塞受井底流体冲刷可能发生位移、损坏甚至解体，易引发堵塞。由于大通径桥塞类型众多，工具规格尺寸不统一，当前国内外针对水平段大通径桥塞处理配套技术尚不成熟。

1.1.2 页岩气水平井井筒出砂、返岩屑现象严重，易造成井筒堵塞

页岩气井实施加砂压裂后，新投产井广泛存在压裂砂返出的情况，部分井甚至面临页岩碎屑进入井筒，阻塞井筒流道的问题[10]。出砂问题比较突出的包括川南地区的N201井、Z204井等。其中N201井由于压裂砂及地层岩屑进入井筒（图1），导致该井油管内及油套环空完全堵塞，井口憋压20 MPa未憋通，只能进行大修、井筒清洁作业。

1.2 技术现状

川渝气区经历几十年的开发历程，气井井筒碎屑处理方面经过多年的发展，现已初步形成了包括水力冲砂（压井液、清水等）、机械捞砂（绳索式、吸入式、可旋转式捞砂工具）及化学解堵（有机解堵剂、无机解堵剂等）等3大类井筒解堵技术，在常规气井现场应用也取得一定效果。但受制于各项工艺技术和工具有其自身的适应性和局限性，尚无法满足页岩气水平井堵塞物不规则、水平段长、井眼较小及压力系数低等特点[11-12]。

图1 N201井堵塞井筒的页岩碎块和压裂砂照片

2 页岩气井井筒清洁技术的难点

2.1 川渝地区页岩气井井身结构特点

川渝地区页岩气井通常采用“四开四完”的井身结构，Ø139.7 mm厚壁油层套管下至目标井深，水平段布局主要分为上翘和下倾两种方式，最大井斜角已超过100°，水平段延伸距离最长已超过2 500 m。

2.2 页岩气井井筒清洁技术难点

相对于常规气井而言，页岩气水平井井筒清洁处理存在着以下技术难点。

1）堵塞物种类多样，对清洁工具及工艺提出挑战。井筒堵塞物种类多样，包括桥塞残余碎屑、压裂支撑剂、岩屑、腐蚀产物、油脂类产物等。这些堵塞物大小不等，物性差异较大（表1）。

2）水平井段长，碎屑易沉淀，清洁作业易卡钻。水平段碎屑沉降距离短，采用常规的循环清洁工艺时，长水平段易发生碎屑沉降卡钻，同时低压储层保护要求也限制了循环清洁工艺的有效实施。

3）页岩气井压力递减快，生产中后期压力系数低，难以建立循环。页岩气井储层致密，生产过程中地层压力递减快，在低压情况下，地层存在漏失，难以建立全井筒循环的方式进行清洁作业。

见了第一家铺子，我们就下了马车。不用说，马车我们已经是付过了车钱的。等我们买好了东西回来的时候，会另外叫一辆的。因为我们不知道要有多久。大概看见什么好，虽然不需要也要买点，或是东西已经买全了不必要再多留连，也要留连一会，或是买东西的目的，本来只在一双鞋，而结果鞋子没有买到，反而罗里罗嗦的买回来许多用不着的东西。

3 页岩气井井筒清洁技术的进展

针对各类桥塞及井筒堵塞物特点，结合管柱在长水平段受力分析，通过开展专项技术攻关，在大通径桥塞处理、长水平段碎屑方面处理取得了一定的进展。

3.1 大通径桥塞处理

近年来，大通径桥塞运用于页岩气井储层改造作业已取得较好效果，但大通径桥塞在井筒受气体冲蚀作用，易发生解封、位移甚至损坏等情况，导致井筒出现堵塞。大通径桥塞（图2）通常设计为不可钻，其材质坚硬，结构复杂，在钻磨过程中极易造成桥塞散架而在井筒内形成多碎块落鱼，增加井下清洁作业难度[13]。

研发了一套适用于处理大通径桥塞的可退式套磨打捞一体化工具（图3），其工作原理为套铣掉相对易钻的桥塞上接头，释放胶筒膨胀力后对桥塞进行一次性打捞作业。工具最大外径Ø106 mm，上部安装有可拆卸式铣鞋，中心杆尺寸满足穿越桥塞中心通道，打捞支撑架能在过载情况下能缩回实现工具可退，工具底部带铣齿可清理桥塞中心通道。

表1 页岩气井常规井筒堵塞物类型及尺寸表

图2 常用大通径桥塞实物照片

图3 大通径桥塞套磨打捞一体工具示意图

为更好的施加扭矩及钻压，该工具推荐采用钻杆下入，管串组合中带随钻震击器，以增加套铣打捞过程中的解卡能力。该工具主要针对整体结构较为完好的失效大通径桥塞处理，针对整体结构受损严重的大通径桥塞推荐进行整体磨铣处理。

3.2 循环冲砂

页岩气井水平井段较长，常规冲砂过程中，水平段砂粒受到液流冲击悬浮后向井口方向运移，但由于受重力作用，径向沉积较快，易在冲洗头后部沉淀，堆积在套管底边（图4），形成新的砂床。采用常规的循环清洁工艺，水平段清洁效率低，易发生碎屑沉降卡钻[14-15]。

图4 循环冲砂过程中砂粒运移分布示意图

3.2.1 换向冲砂工艺

研发了适用于水平井段冲砂的换向旋流冲砂工具，该工具具有斜向下和斜向上共两组喷嘴，喷嘴间设计了特殊的换向机构，通过调节泵压，能改变循环冲砂方向。作业过程中，下放工具至沉砂面，先正向冲洗将砂粒悬浮上返后，下放工具一定距离，将泵压提升至换向值（可调节，一般设定为20～30 MPa）后停泵，再次开泵换向冲洗，并通过上提工具，实现将长水平段砂粒冲洗出井筒的目的（图5）。

能够不间断上提下放工具是实施换向冲砂工艺的重要条件，因此换向旋流冲砂工具推荐采用连续油管[16-17]下入，建议在工具串中加入水力振荡器[9]，增加连续油管在水平井段的下入能力。

3.2.2 冲砂液选择

图5 换向旋流冲砂工艺作业过程示意图

3.3 局部压差清洁

页岩气井进入开发后期，储层压力递减快，压力系数低，往往难以建立全井筒循环，选用泡沫流体或是液氮在一定程度下能满足循环冲砂作业要求，但需要配套相应地面设备，成本较高，此时推荐采用局部压差清砂工艺实施解堵作业。

局部压差清砂主要是通过文丘里原理，以喷射式局部压差清洁工具为主体的内捞工艺，适用于单独作业或在套、磨铣作业中捕集井下切屑，同时也可以捕集井内的沉砂或小件碎块等。该工艺无需建立全井筒循环，仅需在工具附近建立局部反循环，即可实现对井内碎屑进行打捞[19-20]。

表2 不同类型冲砂液性能表

局部压差打捞工具的主要结构包括：侧向高速流体喷嘴、筛管、沉砂筒及底部铣圈等，能够对直径介于1～28 mm的碎屑物进行打捞。工具入井至接触到堵塞物，建议钻压不高于200 kN，低速旋转拨动堵塞物至悬浮状态，通过泵液，喷嘴出口的流体形成高压水射流进入工具与井筒环空区，并在喷嘴处形成局部压差，对工具底部流体形成吸附作用，从而带动井内碎屑物或沉砂进入工具内部，经过沉淀、过滤，装入沉砂管，实现打捞作业[21-22]。

4 现场应用效果

CN10-2井为位于四川盆地南部的1口页岩气开发井，水平段长1 500 m左右。该井采用常规大通径桥塞分段压裂后，生产过程中出现大量压裂砂、岩屑返出的情况，造成井筒及地面流程严重堵塞。通过综合分析，采用循环冲砂和局部压差清洁工艺配合的方式对井筒堵塞物实现了成功处理。

1）在井筒堵塞严重情况下，采用磨鞋通井并循环地层返排液进行冲砂作业，冲洗出大量较小岩屑和砂粒，较大岩屑未完全返出。

2）针对冲砂作业难以返出的较大碎块，反复多次下入局部压差打捞工具+金属碎屑打捞工具，控制排量在400～600 L/min之间，在水平井段进行局部压差清洁作业，捞出较大岩屑、压裂砂及金属碎屑共约700 kg。

3）采用连续油管循环地层返排液实施冲砂作业，返出200 kg岩屑及砂粒，直到井筒失返。

4）在漏失情况下，下入局部压差打捞工具，对水平井段进行两次彻底清扫，解除残余井筒堵塞，最终下入完井管柱，气举复产。

5 结论及建议

1）针对失效大通径桥塞，推荐首选套磨打捞一体工具进行可退式打捞，若桥塞出现解体或卡死，再进行整体钻磨作业。

2）对于地层压力系数高于0.8的页岩气水平井段碎屑堵塞情况，推荐采用换向旋流方式进行冲砂；地层压力系数低于0.8的页岩气井，采用以局部压差清洁为主，连续油管泡沫冲砂为辅的清洁方式。

3）通过对页岩气水平井失效大通径桥塞及碎屑处理工具的研发，配套相应工艺形成的井筒清洁技术能够基本满足页岩气水平井的井筒清洁要求，为该类井压裂后的井筒疏通奠定基础。