雷騰蛟，譚建華，楊文明，寇 國(guó)，蘇 洲，段玉明, 劉鐵軍

1中國(guó)石油塔里木油田分公司輪南油氣開(kāi)發(fā)部 2中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 3中國(guó)石油青海油田采油三廠生產(chǎn)指揮中心

0 引言

輪古油氣田部分儲(chǔ)層存在埋藏深、氣液比高、地層能量弱、原油蠟質(zhì)含量高等特點(diǎn)[1]，投產(chǎn)初期油氣井能夠自噴，持續(xù)生產(chǎn)一段時(shí)間后，地層能量快速衰竭，井筒流體滑脫嚴(yán)重造成積液停噴，特別是部分原油超高含蠟油井舉升過(guò)程中隨溫度降低蠟質(zhì)大量析出堵塞井筒，經(jīng)過(guò)前期研究，形成一系列清蠟柱塞氣舉工藝[2-3]。然而，對(duì)于部分低液量超高含蠟油井，隨油井舉升液量逐步降低，井筒溫度進(jìn)一步下降，原油蠟質(zhì)析出更加嚴(yán)重，常規(guī)清蠟柱塞氣舉已無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。因此，在前期清蠟柱塞氣舉工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套適用于輪古油氣田具有一定自噴能力、原油超高含蠟油井的連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞氣舉新工藝。該工藝具有舉升效率高、清防蠟效果好的特點(diǎn)，可提高油井生產(chǎn)效率。

1 現(xiàn)有柱塞氣舉工藝的局限性

輪古油氣田大部分奧陶系油氣井產(chǎn)層深達(dá)5 500 m，地層壓力60 MPa，地層原油蠟質(zhì)含量9%～36%、膠質(zhì)含量1%～3%、瀝青質(zhì)含量5%～12%。油井生產(chǎn)初期地層能量充足，能自噴生產(chǎn)，但隨著地層能量進(jìn)一步衰竭及含水升高，油氣井中流體滑脫嚴(yán)重，井筒出現(xiàn)大量積液，而且輪古油氣田地層水礦化度高(19×104mg/L)、目的層深，液柱重量大，油氣井容易發(fā)生停噴。頻繁采用制氮車連續(xù)油管氣舉恢復(fù)油氣井生產(chǎn)，既增加作業(yè)費(fèi)用也增大安全隱患。

前期試圖采用常規(guī)柱塞氣舉工藝維持油井自噴生產(chǎn)，該工藝需間開(kāi)生產(chǎn)，開(kāi)關(guān)井制度設(shè)定不合理再次造成井筒積液停噴。經(jīng)過(guò)改良設(shè)計(jì)中空連續(xù)柱塞，該柱塞可在不關(guān)井的情況下，實(shí)現(xiàn)油氣井連續(xù)舉升井液，但油氣井原油含蠟量高于15%時(shí)，井液舉升過(guò)程中隨溫度降低，蠟質(zhì)大量析出將堵塞連續(xù)柱塞中空通道，造成柱塞拉桿無(wú)法上下活動(dòng)，連續(xù)柱塞運(yùn)行至井口時(shí)無(wú)法快速泄壓回落，導(dǎo)致柱塞無(wú)法連續(xù)舉升井液，從而大幅降低生產(chǎn)效率[3-4]。為此，再次設(shè)計(jì)固定式刮蠟片柱塞[5]，該柱塞可提高其在井筒上下運(yùn)行時(shí)的刮蠟效率，實(shí)現(xiàn)含蠟量不超過(guò)28%的高凝油油井正常生產(chǎn)，但輪古油氣田部分層系原油含蠟量高達(dá)36%，蠟質(zhì)析出量大、速度快，固定式刮蠟片清蠟不徹底，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行蠟質(zhì)逐漸堆積，多次發(fā)生柱塞被蠟質(zhì)糊住情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)油井正常生產(chǎn)。

2 旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉工藝原理及分析

2.1 旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉系統(tǒng)

目前常規(guī)柱塞為實(shí)心設(shè)計(jì)，運(yùn)行至井口需要關(guān)井泄壓才能回落，生產(chǎn)效率低，且該柱塞在井筒結(jié)蠟油井中清蠟效果差，柱塞運(yùn)行頻繁遇阻[6]。連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞是在現(xiàn)有的常規(guī)柱塞基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)柱塞為內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)、外部旋轉(zhuǎn)帶螺紋刮刀結(jié)構(gòu)[7-8]。這種連續(xù)柱塞氣舉上行過(guò)程中，中空通道關(guān)閉的柱塞作為舉升氣體和被舉升液體的密封界面，實(shí)現(xiàn)氣體舉升井液至井口，最大程度降低被舉升液體的滑脫損失；柱塞運(yùn)行至井口，拉桿碰撞緩沖裝置，拉桿與柱塞外管分離，中空通道打開(kāi)從而釋放柱塞下部壓力，柱塞靠自身重力快速下落至油管下部的卡定器緩沖裝置上，撞擊后拉桿與柱塞外管再次密封，地層氣體推動(dòng)柱塞再次舉升井筒液體至井口，完成一個(gè)舉升過(guò)程。柱塞外部設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)螺紋刮刀，可實(shí)現(xiàn)柱塞在來(lái)回運(yùn)行過(guò)程中，隨井筒流體的沖擊推動(dòng)螺紋刮刀旋轉(zhuǎn)，高效切削油管內(nèi)壁蠟質(zhì)，疏通井筒，實(shí)現(xiàn)油井正常生產(chǎn)(圖1)。

圖1 旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉示意圖

2.2 新型柱塞結(jié)構(gòu)分析及工作原理

2.2.1 柱塞內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)

連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞采用中空?qǐng)A柱管和活動(dòng)拉桿組合結(jié)構(gòu)。

柱塞下行至與液面接觸后，流體沿著柱塞拉桿與柱塞內(nèi)壁之間的間隙向井口方向流動(dòng)至柱塞上部。流體在狹窄環(huán)形空間中流動(dòng)時(shí)，所受流動(dòng)阻力與流體和管壁接觸面積成正相關(guān)關(guān)系。因此，通過(guò)引入水力相當(dāng)半徑R(公式1)，在常規(guī)柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)模型[9]基礎(chǔ)上建立了旋轉(zhuǎn)連續(xù)清蠟柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)模型。

(1)

式中：Do—柱塞內(nèi)徑，mm；Di—拉桿外徑，mm。

由于流體流動(dòng)阻力與水力相當(dāng)半徑成正相關(guān)關(guān)系,相同過(guò)流面積條件下，旋轉(zhuǎn)連續(xù)清蠟柱塞氣舉過(guò)程中濕周比常規(guī)柱塞更小，水力相當(dāng)半徑更大，因此流體流動(dòng)所受摩阻更低。此外，相同過(guò)流面積條件下，旋轉(zhuǎn)連續(xù)清蠟柱塞底部截面積與常規(guī)柱塞相比更小，其運(yùn)行過(guò)程中所受浮力也更小，更有利于縮短間歇?dú)馀e時(shí)間(圖2、圖3)。

圖2 常規(guī)柱塞氣舉過(guò)流面積示意圖

圖3 連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞過(guò)流面積示意圖

上行過(guò)程中，中空?qǐng)A柱管與活動(dòng)拉桿在井底實(shí)現(xiàn)密封狀態(tài)，井底氣體通過(guò)柱塞舉升井液至井口，處于密封狀態(tài)下的柱塞大幅降低井筒中井液的滑脫損失[10-11](圖4)；下行過(guò)程中，柱塞上升至井口后，拉桿碰撞緩沖裝置，打開(kāi)柱塞中空通道，柱塞下部壓力快速泄壓后，在重力作用下柱塞自然下落，并撞擊井底卡定器緩沖裝置再次形成密封狀態(tài)，進(jìn)一步循環(huán)舉升井液[3](圖5)。

圖4 柱塞上行階段工作示意圖

圖5 柱塞下行階段工作示意圖

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要為柱塞舉升井液至井口，通過(guò)碰撞拉桿形成中空通道實(shí)現(xiàn)快速釋放柱塞下部壓力，柱塞自然下落至卡定器形成密封狀態(tài)，再次舉升井液，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，且大幅降低舉升流體的滑脫損失，提高了舉升效率，同時(shí)最大程度降低了井筒積液壓死油井的風(fēng)險(xiǎn)[12]。

2.2.2 柱塞外部旋轉(zhuǎn)帶螺紋刮刀結(jié)構(gòu)

考慮到常規(guī)柱塞及固定式刮蠟片柱塞在原油超高含蠟油井中運(yùn)行困難，連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞采用外部旋轉(zhuǎn)帶螺紋刮刀的工藝設(shè)計(jì)。一方面，柱塞外部設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)軸承，部分柱塞外管可垂直軸向自由旋轉(zhuǎn)(圖6)；另一方面，在旋轉(zhuǎn)軸承外部分別設(shè)計(jì)上下螺紋刮刀，上刮刀螺紋逆時(shí)針設(shè)計(jì)，下刮刀螺紋順時(shí)針設(shè)計(jì)，在柱塞上下運(yùn)行過(guò)程中，井筒中流體沖擊柱塞螺紋，在水力沖擊作用下，螺紋刮刀快速旋轉(zhuǎn)。上行階段，上螺紋刮刀逆旋轉(zhuǎn)，下螺紋刮刀正旋轉(zhuǎn)；下行階段，上螺紋刮刀正旋轉(zhuǎn)，下螺紋刮刀逆旋轉(zhuǎn)，高效切削井壁析出蠟質(zhì)，蠟質(zhì)隨井液舉升至井口，避免流通通道堵塞[13](圖7)。

圖6 連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞上行結(jié)構(gòu)圖

圖7 連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞下行結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)原油超高含蠟油井，柱塞在舉升井液過(guò)程中，雙旋轉(zhuǎn)螺紋刮刀對(duì)稱旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高效切削油管壁蠟質(zhì)，且該連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞具有在井筒中上下不間斷運(yùn)行功能(每天運(yùn)行10～20趟)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高頻次清蠟，避免蠟質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間堆積堵塞油氣流動(dòng)通道。該結(jié)構(gòu)解決了原油超高含蠟油井油管蠟質(zhì)析出堵塞流通通道的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了該類油井高效連續(xù)生產(chǎn)，解決了常規(guī)連續(xù)清蠟柱塞在超高含蠟原油井(含蠟量高達(dá)36%)中無(wú)法正常運(yùn)行的問(wèn)題。

3 旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

LGA井于2020年4月28日?3 mm油嘴自噴投產(chǎn)奧陶系，日產(chǎn)液48 t，日產(chǎn)油10 t，日產(chǎn)氣3.1×104m3，含水率79%，隨井筒積液于6月26日停噴；7月18日制氮車氣舉舉活后于7月24日再次停噴；8月21日制氮車再次舉活并投連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞，日產(chǎn)液55 t，日產(chǎn)油12 t，日產(chǎn)氣3.2×104m3，含水率78%，油井工況穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。截止2021年3月該井已連續(xù)生產(chǎn)223 d，大幅降低制氮車氣舉作業(yè)頻次，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)時(shí)率，累計(jì)產(chǎn)油402 t、產(chǎn)氣80.6×104m3。

LGB井為開(kāi)采奧陶系的一口自噴井，日產(chǎn)液61 t，日產(chǎn)油29 t，日產(chǎn)氣0.3×104m3，該井原油含蠟量高達(dá)36%，需定期進(jìn)行機(jī)械清蠟，清蠟周期為1 d。該井于2020年9月20日投老款連續(xù)清蠟柱塞后，油井發(fā)生井筒堵塞，無(wú)法正常生產(chǎn)。該井于2021年1月13日投新款連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞，日產(chǎn)液73 t，日產(chǎn)油37 t，日產(chǎn)氣0.4×104m3，不再進(jìn)行機(jī)械清蠟。截止2021年6月該井在未進(jìn)行機(jī)械清蠟前提下已連續(xù)生產(chǎn)186 d，大幅降低機(jī)械清蠟作業(yè)頻次，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高舉升效率，累計(jì)產(chǎn)油4 875 t、產(chǎn)氣67.8×104m3。

截止2021年6月旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉工藝在輪古油氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用4井次，減少制氮車氣舉作業(yè)29井次，減少機(jī)械清蠟作業(yè)315井次，大幅降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了油井生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)累產(chǎn)油量7 810 t、累產(chǎn)氣290.5×104m3，節(jié)約作業(yè)費(fèi)用244萬(wàn)元，連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞氣舉工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯(表1)。新工藝不僅大大降低了油井井筒堵塞、油井停噴次數(shù)，降低了機(jī)械清蠟、制氮車氣舉作業(yè)頻次、生產(chǎn)成本，而且實(shí)現(xiàn)了油井連續(xù)生產(chǎn)，提高了油井舉升效率、油井產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益。

表1 旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉工藝應(yīng)用井?dāng)?shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)“柱塞內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)+柱塞外部旋轉(zhuǎn)帶螺紋刮刀結(jié)構(gòu)”一體化連續(xù)旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞既實(shí)現(xiàn)了井液連續(xù)舉升的目的又達(dá)到了高效清蠟要求，特別是塔里木高礦化度深井、高含蠟油井，最大程度降低了井筒積液壓死油氣層的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減輕了原油超高含蠟油井井筒結(jié)蠟程度，實(shí)現(xiàn)油氣井連續(xù)高效生產(chǎn)。

(2)針對(duì)地層能量衰竭嚴(yán)重頻繁停噴的油氣井、能夠自噴的原油超高含蠟油井以及處于臨界停噴狀態(tài)下的原油超高含蠟油井，采用旋轉(zhuǎn)清蠟柱塞連續(xù)氣舉工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著。一方面，實(shí)現(xiàn)井筒連續(xù)舉升、連續(xù)清蠟，大幅降低制氮車氣舉、機(jī)械清蠟作業(yè)頻次，另一方面，油井連續(xù)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)油氣井產(chǎn)量的提升，達(dá)到提質(zhì)增效的生產(chǎn)目的。