連續油管打撈砂埋節流器技術研究與現場試驗

王思凡，張安康，胡東鋒

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710065；3.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安710018）

氣井井下投放節流器生產技術在長慶氣田應用廣泛，有近7 000口氣井，隨著生產時間增長，由于節流器失效或低壓氣井排水采氣作業的要求，需要將節流器打撈出[1-2]，然而在常規鋼絲打撈作業過程中經常遇到節流器砂埋致使打撈頭探不到、抓不牢，以及撈砂不徹底致使節流器上提不解卡、下砸打撈頸偏心和卡瓦變形斷裂等問題，打撈失敗率高達30%左右，后續一般采取起管柱作業進行處理，施工成本大幅升高，且目前嘗試的連續油管磨銑打撈技術耗時長、漏失量大、成功率低，尚處于試驗階段[3-4]。為此，筆者分析了節流器砂埋后的打撈技術難點，同時根據前人相關的研究成果和經驗，研究了連續油管沖砂打撈砂埋節流器的作業流程，可在不起管柱且不壓井的情況下，有效打撈砂埋節流器，不僅施工時間短、費用低，而且現場試驗成功率高達100%，而目前連續油管處理失效節流器的成功率只有33%。

1 砂埋節流器打撈難點分析

卡瓦式節流器類型多樣，基本結構包括打撈頭、節流機構、卡瓦錨定機構、密封膠筒和防砂機構等（見圖1）。通常采用鋼絲投放工具進行節流器卡瓦錨定坐封及丟手，卡瓦錨定后，密封膠筒膨脹，封隔節流器本體與油管環空，氣流只能從防砂機構進入節流機構，并從打撈頭中心孔流出，以達到防砂、節流和降壓的目的。

圖1 卡瓦節流器結構Fig.1 Structure of a slip-type throttle

然而，節流器防砂機構對壓裂用石英砂等支撐劑高壓破裂后產生小粒徑砂粒的過濾作用弱，再加上節流器兩端的節流壓差較高，小粒徑砂粒在長時間的沖蝕作用下易隨氣流沿節流通道上竄至節流器以上，部分又回落至節流器上端，逐漸掩埋密封膠筒以上的卡瓦和打撈頸，造成節流器砂埋，導致后續打撈復雜、失敗，嚴重時導致氣井關停。

1.1 砂埋判識方法

常規鋼絲作業打撈節流器過程中，首先下鋼絲通井規通油管，并探測節流器位置，然后與之前投放的節流器位置進行對比，如果探測位置高于節流器投放位置，則可能存在砂埋或節流器上移，可采用鋼絲打鉛印方式判斷節流器上部是否砂埋，判斷依據是：鉛印無節流器打撈頭痕跡，且較大概率附有砂粒。

1.2 打撈難點分析

常規鋼絲作業打撈砂埋后的節流器時，主要存在以下疑難情況：

1）打撈頸探不到、抓不住。一旦存在砂埋，則表示節流器的打撈頸與油管環空已被砂子填滿（見圖2（a）），導致打撈工具探不到、抓不住節流器打撈頸，且易發生砂卡，導致節流器卡瓦不收縮。

圖2 節流器砂埋和打撈示意Fig.2 Sand burial and fishing of a throttle

2）上提下砸不解卡。常規鋼絲撈砂難以徹底清除節流器本體與油管之間的砂粒，導致節流器上提不動、下砸下滑，下滑到一定位置后上提下砸均不動。起出管柱分析發現：主要是由于砂卡導致節流器不能順利解封，下砸錘擊后導致節流器卡瓦或膠筒變形卡死在油管或接箍內。

3）打撈頸偏心。下砸、震擊節流器過程中，相關工具錘擊易導致節流器打撈頸變形偏心，或膠皮破損、上翻偏心。打撈前需要對打撈頸進行整形，使其一定程度上回到中心位置。

4）卡瓦變形斷裂。節流器不解卡，在上提震擊、下砸錘擊過程中易導致卡瓦變形，甚至斷裂，經常在起出的生產管柱中發現此前未撈出的節流器卡瓦已經變形，且部分斷裂。

5）造成井下落物。撈砂后，撈住節流器不解卡，易導致鋼絲上提斷裂造成井下落物，且在后續起管柱和鋼絲作業過程中，時有遇到之前打撈遺落的井下工具，如通井規、打撈筒、加重桿和斷落鋼絲等。

綜上所述，目前常規鋼絲作業采用撈砂、下砸、震擊解卡方法打撈砂埋節流器時，容易因撈砂不徹底、鋼絲上提能力不足和鋼絲震擊力度低等問題造成后續打撈復雜。此外，以往的連續油管井下作業情況表明[5-8]，采用連續油管打撈作業也難以解卡已卡死在接箍中的節流器，若強行上提易拽斷打撈頸，造成打撈復雜，后續采用連續油管磨銑打撈時施工周期長，漏失嚴重，解卡難度大。

2 連續油管打撈技術

2.1 技術思路

連續油管打撈砂埋節流器的技術思路是：節流器錨定坐封以后，密封膠筒以下為高壓區，以上為低壓區，因此下卡瓦座一直存在較大的上頂力頂著卡瓦，迫使卡瓦徑向擴張緊咬油管內壁，砂埋以后，部分氣井節流器在膠體、泥砂、藥劑等作用下發生堵塞，常規鋼絲撈砂技術無法清除打撈頸周圍砂粒；且在鋼絲打撈過程中，卡瓦在下卡瓦座上頂力的作用下難以解封。

分析認為，采用連續油管沖砂打撈砂埋節流器具有以下技術優勢：

一是可以沖砂排除砂埋，露出打撈頸，并盡可能清除卡瓦位置的砂粒。

二是根據氣井壓力，通過增大沖洗液液柱高度或施工泵壓來平衡節流器密封膠筒上下的壓差，以消除下卡瓦座作用于卡瓦的上頂力，確保上提卡瓦解卡過程中下卡瓦座不會隨之上移阻礙解卡（見圖2（b））。

三是連續油管上提能力是鋼絲的10倍以上，該上提力可以使原來變形的卡瓦和變硬膨脹的膠筒一定程度上朝上提的方向拉伸縮小，且連續油管還能施加較大的下壓力[9]，相比鋼絲工具串的自重及下砸力效果更好，且不易破壞節流器本體。此外，連續油管可以邊沖洗、邊震擊、邊打撈，高效清理砂粒，實現沖洗打撈動態化，避免靜態砂卡（見表1）；也可在連續油管沖砂后，嘗試采用鋼絲作業進行輔助打撈，因為其有完善的打撈工具系列，但并不推薦，因為仍存在砂卡的風險。

表1 連續油管和鋼絲的性能參數對比Table 1 Comparison of performance parameters of coiled tubing and steel wire

四是沖洗液柱及沖洗泵壓較高，能夠使懸浮在其中的密封膠筒相對縮小，促使密封膠筒解封。

2.2 沖砂打撈作業流程

首先對前期鋼絲作業的鉛印位置、形狀和泥砂顆粒等進行分析，并根據油管直徑及H2S含量，選擇合適的連續油管和沖洗液，計算施工排量；然后采用連續油管沖洗油管、并探砂面沖砂，沖砂至遇阻位置后，打鉛印判斷節流器打撈頸大小；最后在連續油管上安裝節流器打撈工具串進行打撈，打撈過程中可以邊沖砂邊震擊解卡，以防止卡瓦砂卡。

2.3 沖砂打撈工具組合

沖砂工具串以連續油管為輸送載體，包括連接器、單流閥、震擊器、安全接頭和沖洗頭，液體從連續油管內部泵入，攜帶砂粒從連續油管與油管之間環空返出地面。其中，沖洗頭噴射沖擊力強，能夠沖散固結砂粒；一旦沖洗頭遇卡，可優先通過震擊解卡，必要時可在安全接頭處丟手。

節流器打撈工具串包括連續油管連接器、單流閥、震擊器、安全接頭和打撈工具（見圖3）。其中，打撈工具推薦采用節流器專用打撈筒，以免造成打撈復雜；也可考慮采用打撈工具比較完備的鋼絲作業作為輔助，一般采用鋼絲連接繩帽、加重桿、震擊器和專用打撈工具。

圖3 打撈工具串結構Fig.3 Structure of fishing tool string

打撈工具的中心管為中空結構（見圖4），相比實心鋼絲打撈工具，具有邊沖砂、邊打撈的優勢。其基本工作原理為：下壓打撈工具，迫使節流器打撈頸推動打撈爪上移徑向張開，伸入打撈爪內，此時矩形彈簧被壓縮；打撈頸入魚后，矩形彈簧在彈力作用下，推動打撈爪下行復位，此時打撈爪徑向收縮，之后上提打撈工具，打撈頸抵住打撈爪相對下移，而打撈爪在外筒作用下徑向收縮幅度更大，抱緊打撈頸；當節流器不解卡，需要丟手時，強行過負荷上提，迫使剪釘剪斷，此時彈簧推動外筒下行至滑塊受約束的位置，且外筒下行幅度大于打撈爪，使打撈爪無法向下抵住外筒，確保打撈爪能夠徑向張開，再上提即可退出節流器打撈頸。

圖4 打撈工具結構組成Fig.4 Structural composition of fishing tool

2.4 施工排量

卡瓦式節流器投放深度一般為1 300～2 000 m，主要位于直井段，根據牛頓-雷廷格計算法[10-11]，砂粒在該井段沖洗液中的沉降末速為：

式中：vm為砂粒在沖洗液中的沉降末速，m/s；d為球形砂粒的直徑，m；ρ為砂粒密度；kg/m3；ρ0為沖洗液密度；kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

直井段最小泵入流速取砂粒沉降末速的2倍[11-14]，因此砂粒在直井段上返所需最小排量的計算公式為：

式中：Qmin為直井段的泵入最小排量，m3/s；r1為環空外半徑，m；r2為環空內半徑，m。

假設砂粒為球形，直徑為0.1～2.0 mm，密度為1 800 kg/m3，所有泵入的沖洗液都從連續油管與油管間的環空返出井口；沖洗液選用清水，密度為1 000 kg/m3，根據不同連續油管與油管的匹配情況，將相關數據代入式（1）和式（2），計算得到砂粒直徑與最小排量的關系（見圖5）。由圖5可知：最小排量隨砂粒直徑增大而增大；砂粒直徑為為2.0 mm時，φ31.8 mm連續油管與φ60.3 mm油管、φ38.1 mm連續油管與φ73.0 mm油管、φ38.1 mm連續油管與φ88.9 mm油管、φ50.8 mm連續油管與φ88.9 mm油管、φ50.8 mm連續油管與φ114.3 mm油管配合時，沖砂上返所需的最小排量分別為29，46，62，83和132 L/min，而實際施工時，排量是最小排量的3～6倍，因此完全可以滿足砂粒上返要求。為了降低泵壓以減少漏失，并提高排量，推薦選用低摩阻的沖洗液來降低環空壓耗[15-17]。

圖5 最小排量與砂粒直徑的關系Fig.5 Relationship between minimum displacement and sand diameter

3 現場試驗

3.1 試驗概況

開展了4口氣井水平井的連續油管沖砂打撈砂埋類疑難節流器現場試驗，通過對比打鉛印的位置與打撈位置，確定4口井的砂埋深度分別為16.00，0.70，6.00和1.80 m，現場分別選用0.2%胍膠溶液和添加降阻劑的清水作為沖洗液，其中采用φ38.1 mm連續油管時的最高排量為320 L/min，最高泵壓為32 MPa；采用φ50.8 mm連續油管時的最高排量為380 L/min，最高泵壓為27 MPa，最終4個砂埋φ88.9 mm節流器均在沖砂后成功打撈出來（見表2），平均施工時間小于1.5 d。

表2 沖砂打撈技術參數Table 2 Technical parametersof sand washing and fishing

3.2 典型井例

X-1井為φ88.9 mm油管與φ73.0 mm油管組合的七級水力噴射壓裂生產一體化管柱（見圖6），節流器位于井深1 579.00 m處，采用鋼絲打撈節流器時在井深945.00 m遇阻，打鉛印發現節流器砂埋；之后采用連續油管進行沖砂打撈技術試驗，沖砂管柱從上至下依次為：φ38.1 mm連續油管+φ54.0 mm內鉚釘連接頭+φ54.0 mm單向閥+φ54.0 mm液壓丟手+φ54.0 mm震擊器+φ60.0 mm沖洗頭；沖砂管柱下至井深945.00 m遇阻，上提5.00 m開泵循環沖砂，沖砂至井深961.00 m遇阻，遇阻鉆壓9.8 kN，上提下放3次位置不變，分析認為節流器在投放后，因氣井生產過程中節流前后壓差大、坐封不穩導致上移，后循環沖砂至出口無砂粒，連續油管起至井口，返出砂粒約0.1 m3。之后探索性地采用常規鋼絲作業打撈節流器，下至井深961.00 m遇阻，多次嘗試震擊打撈，均因上提力不足無法解封節流器，打撈失敗。

圖6 X-1水平氣井井身結構Fig.6 Casing program of horizontal gas Well X-1

然后采用連續油管打撈工具串進行打撈，從上至下依次為：φ38.1 mm連續油管+φ54.0 mm內鉚釘連接頭+φ54.0 mm單向閥+φ54.0 mm液壓丟手+φ54.0 mm震擊器+φ69.0 mm專用打撈筒。在井深961.00 m處撈住節流器，上提不解卡，下壓7.8 kN震擊，懸重無變化；繼續下壓10.8 kN震擊后，懸重恢復，連續油管下壓至井深962.00 m，然后上提連續油管，上提3.00 m時懸重先增大11.8 kN、后恢復正常懸重，繼續上提連續油管至井口，成功打撈出節流器，沖砂打撈施工總共用時9.0 h。

X-4井 采 用φ50.8 mm連 續 油 管 連 接φ54.0 mm內鉚釘連 接 頭+φ54.0 mm單 向 閥+φ54.0 mm液 壓丟手+φ54.0 mm震擊器+φ60.0 mm沖洗頭，沖洗至井深1 576.30 m遇阻，上提5.00 m開泵沖砂，出口返液正常，再次下壓4.9～9.8 kN，遇阻點下移至井深1 586.40 m，之后提高排量沖洗循環一周，起出沖洗工具，檢查發現工具底部有輕微痕跡。更換打撈工具串，打撈筒下至井深1 550.00 m進行試拉測試正常，打撈筒下至井深1 585.80 m遇阻，進行打撈，抓撈一次成功，開泵沖洗，出口返液正常，上提節流器遇卡，后活動解卡6次，其中震擊器工作4次不能解卡，懸吊解卡2.0 h，然后在正常懸重上加力42.1 kN，大力活動解卡成功，打撈出節流器，施工用時2.0 d。

4 結論與建議

1）處理砂埋節流器的有效方法是先沖砂、后打撈；連續油管沖砂打撈技術的關健是優化沖砂打撈工具組合，優選連續油管、沖洗液和施工排量，在保證高效沖砂的同時，確保通過震擊實現砂埋節流器解卡打撈。

2）現場試驗表明，采用連續油管沖砂后，采用鋼絲作業存在打撈失敗情況，采用連續油管打撈全部成功，且效率高，因此推薦采用連續油管打撈；并且針對φ88.9 mm油管節流器，推薦采用φ50.8 mm連續油管進行沖砂打撈。

3）針對沖砂液漏失問題，建議研發適用于低壓氣井的攜砂沖洗液，以減少地層漏失，降低氣舉成本。