引言

新疆油田已探明气藏17个，投入开发12个，按区域、开发层系和产量规模可划分为五八区、呼图壁、莫索湾、玛河和克拉美丽5大气田，气藏类型以凝析气藏和火山岩气藏为主，其开发特征为:(1) 储层物性差异比较大，气藏渗透率0.07~117.00 mD，孔隙度7.56%~21.70%，其中克拉美丽气田属于中低孔低渗储层，盆5属于低孔低渗储层。(2) 储层主要存在黏土膨胀、水敏和固相堵塞等伤害，其中盆5气藏主要存在中偏强黏土膨胀、水敏、盐敏和固相入侵；克拉美丽气田主要存在黏土膨胀、中等水敏、中等盐敏、固相入侵和中偏强应力敏感。(3) 目前五八区、呼图壁、盆5等气藏地层压力系数小于0.50，克拉美丽气田已动用层系地层压力系数最高1.17，平均分布在0.26~1.17。 这对气藏开采提出了更高的要求。

常规管柱射孔后，需压井提出射孔枪串，更换成压裂管柱才能满足压裂施工，这就需要反复压井，而气藏压力系数低，入井液靠自身能量返排困难，导致占井时间长，储层污染加重，严重影响气井产能。采用氮气硬举返排工艺时，不仅导致返排压力高，最高气举压力达到29.00 MPa，返排时间也会延长，平均返排时间20 h，且井底产生的回压大，易将入井液挤入地层，导致储层污染严重。

采用连续油管返排工艺^[1-6]时，需要组织协调作业队伍，对井口进行改造，平均耽误返排时间120 h。因此对射孔、储层改造、返排一体化管柱进行研究，将有效解决入井液返排困难、重复压井导致的储层污染等技术难题，对于提高产能恢复率、降低储层污染、稳定和提高单井产能、改善气田开发效果具有重要的作用和意义。

1 氮气气举快速返排一体化管柱

针对地层能量较低，既要射孔，又要储层改造的井，设计研制了射孔+储层改造+返排一体化管柱(图 1)，其主要由射孔枪、封隔器、压井阀和气举阀组成。

1.1 射孔工艺优选

射孔+储层改造+返排一体化管柱技术的关键是射孔工艺^{[7, 8]}，目前同时满足不需压井提管柱和储层改造的射孔工艺主要包括:

(1) 全通径射孔工艺^[9-10]。在负压条件下，用油管输送方式将其下到预射孔位置，采用机械投棒的方式引爆起爆器，在完成射孔作业的同时，射孔管柱内的所有组件在爆炸所产生的巨大冲击波作用下破碎，并随投棒一起将起爆器芯部、枪串内部零件全部落入下部口袋枪内或井底，使整个射孔枪串贯通，使之成为生产管柱的一部分，作业后无需更换管柱便可进行下部施工。

技术特点:① 起爆器采用全通径结构设计，采用投棒引爆方式，射孔后形成内径55~65 mm的通道，与油管内径相当，不需要起出管柱即可完成储层改造作业；且射孔枪体较高的耐压能力，满足高压力储层改造的需要。② 弹架总成采用易破碎材料制成，在射孔的同时能完全破碎，形成通径。且射孔后不丢枪，避免了多打口袋，节约钻井成本；③ 避免射孔后重复压井起下管柱作业，降低储层伤害，保护了油气层，缩短施工周期。

(2) 丢枪射孔工艺。采用油管将射孔器输送到目的层位，射孔采用加压射孔，通过在井口施加泵压，推动点火组件剪断活塞剪销，点火组件在压力的作用下继续迅速下移，撞针撞击起爆器，引爆射孔枪。射孔完成后采用投球加压丢枪，使射孔枪人为地脱离输送管柱，落入井底口袋后进行储层改造作业，完成射孔、储层改造联作。

丢枪射孔工艺核心为射孔后丢枪装置，选用DQ-3E射孔丢手装置(图 2)，采用卡爪结构，下接头连接射孔枪身，在射孔枪完成射孔后，从井口投入38 mm的钢球，钢球落到限位套后，从井口打压12.00 MPa，压力推动限位套剪断剪切销，并释放下接头上的卡爪，射孔枪串在重力和压力推动下掉到井底。

技术特点:① 通过投球打压，可将射孔枪串推至井底，形成60 mm的通径，与73 mm油管通径一致，既满足射孔后直接储层改造的目的，又满足储层改造施工泵压高的要求；② 工艺操作简单，成功率高；③ 可根据需要选择是否丢枪；④ 缩短作业周期，避免重复压井对储层二次污染，大幅度降低施工成本。

1.2 主要配套工具

(1) 封隔器。综合考虑地层温度、套管尺寸，储层改造压力等，选用Y211型封隔器，具有大通径、多用途、长寿命的特点，封隔器下井时，摩擦块始终与套管内壁紧贴，胶筒处于自由状态。

(2) 压井阀。通过投球、打压可以将滑套打开，进而使油管与油套环空之间形成循环通道，解决完井管柱应用封隔器后无压井液循环通道的问题。压井阀体承压70.00 MPa。投入55 mm的钢球，打压10.00~15.00 MPa，即可将压井阀滑套打开。

(3) 气举阀。考虑储层改造压力要求，选用承受抗内压90.00 MPa、抗拉强度70.00 MPa的固定式工作筒及配套波纹管承载35.00 MPa气举阀。

2 氮气气举返排设计

氮气气举返排^[11-12]与常规压缩机气举存在一定的差异，需要进行修正。

(1) 由于氮气较天然气密度大，环空仍为单相气体流动，采用平均温度和平均偏差系数法^[13]，但需对偏差系数和黏度^[14]进行修正

$\mu =\frac{{{D}_{1}}\sqrt{T}\left[ 1+{{D}_{3}}{{\left( p/p{{p}_{\text{sc}}}-{{p}_{\text{sc}}}-1 \right)}^{{{D}_{4}}}}{{\left( {{T}_{\text{sc}}}/{{T}_{\text{sc}}}T-T \right)}^{{{D}_{5}}}} \right]}{1000\left( 1+{{D}_{2}}\text{ }/{{D}_{2}}T-T \right)}$

(1)

$\begin{align} & p=\text{R}T\left( 1-\frac{c}{\upsilon {{T}^{3}}} \right)\left[ \upsilon +{{B}_{0}}\left( 1-\frac{b}{\upsilon } \right) \right]\cdot \\ & \frac{{{A}_{0}}}{{{\upsilon }^{4}}}\left( 1-\frac{a}{\upsilon } \right) \\ \end{align}$

(2)

式中:$\mu$—黏度，Pa$\cdot$s；T—温度，K(K = 273.15 + ℃)；$T_{\rm{sc}}$—标准状况温度，273.15 K；p—压力，Pa；$p_{\rm{sc}}$—标准状况压力，取1.01×10⁵~Pa；$D_1$，$D_2$，$D_3$，$D_4$，$D_5$—系数，无因次，取值$D_1$=1.3974×10$^{-6}$，$D_2$=107，$D_3$=1.15×10$^{-3}$，$D_4$=1，$D_5$=1.7；R—普适气体常数，R=8.314 J/(K$\cdot$mol)；$\upsilon$—比容，m³/kg；$A_0$，$B_0$，a，b，c—系数，无因次，$A_0$=1.73571×10$^{2}$，$B_0$=1.77511×10$^{-3}$，a=9.34109×10$^{-4}$，b-2.46645×10$^{-4}$，c=1.49914×10$^{3}$。

(2) 油管内注气点至井口段为气液多相管流，返排前期地层出气量小，可忽略，直接采用注氮气量进行计算。

破胶后储层改造液体密度与地层水相差不大，唯一比较特殊的就是储层改造液体黏度相对于水较大，需对两相流摩阻系数进行修正。采用Hagedorn & Brown模型^[15]计算油管内压降，利用Beggs & Brill ^[16]两相流摩阻系数对其进行修正

${f_{\rm{m}}} = {f_{{\rm{ns}}}}{{\rm{e}}^S}$

(3)

其中

$\begin{align} & S=x/x\left( -0.0523+3.182x-0.8725{{x}^{2}}+0.01853{{x}^{4}} \right) \\ & x=\ln \{\lambda /{{\left[ {{H}_{1}}\left( \theta \right) \right]}^{2}}\} \\ \end{align}$

式中:${f_{\rm{m}}}$—两相流摩阻系数，无因次；${f_{{\rm{ns}}}}$—无滑脱两相流摩阻系数，无因次；$\lambda $—无滑脱持液率，%；${{H_{\rm{l}}}\left( \theta \right)}$—倾斜角为$\theta$时的持液率，%。

(3) 氮气车作为气源注气压力存在一定的波动，且返排过程中地层产液量较少，不能及时持续供液，举通后，阀以上很快就会变成近似纯气流，阀处油压较低，按常规阀压降梯度0.10~0.30 MPa设计阀距则相对较大。最上一级持续开启，注气短路。因此设计过程中增大启动压力，使第一只气举阀深下，减少阀数量。

3 现场应用

新疆油田某井下入由KCY211/114×50—148/50封隔器、KCYJF100\-×53-120/50压井阀、KCSL\-M12Z/115×60水力锚和三级气举阀(表 1)组成的射孔+储层改造与试气一体化管柱。

2012-5-20莫101井射孔后21:00开始气举返排，历时3 h，气举压力达到9.60 MPa时开始出液；2012-5-20T17:00，气举19 h，累计出液65.10 m³，井筒举通，场施工曲线如图 3所示。

射孔压井液返排试验结果:(1) 启动压力18.28 MPa(设计22.00~25.00 MPa)，工作压力10.16 MPa(设计8.00~10.00 MPa)，现场工况与设计情况相符； (2) 气举1 h后开始出液，3 h共出液12.00 m³，井筒液体基本全部排出。随着入井液逐渐被排除，排液量逐渐下降，最后排液量稳定在1.00 m³/h，井筒举通，累计出液65.10 m³，其中地层出液43.10 m³。

2012-5-30T16:00~17:30酸化，酸化气举返排现场施工曲线如图 4所示。

酸化共用前置液10.00 m³，主体酸15.00 m³，顶替液18.00 m³，地层进液43.00 m³，施工压力0~63.00 MPa，排量0.50~0.94 m³/min。2012-5-30T19:30开始气举排液，历时10 h，气举压力13.30 MPa时，开始出液，气举16 h后排液47.80 m³，43.00 m³入井液全部排出，储层产液4.80 m³。共气举66 h，排液量基本稳定在5.00 m³/h，井筒举通，累计出液310.80 m³。气举工作压力9.60 MPa(设计8.00~10.00 MPa)，与设计情况相符。

4 结论

(1) 研制了射孔+储层改造返排一体化管柱，优选气举阀、工作筒、压井阀等配套工具，为氮气快速返排提供了重要的硬件支持。

(2) 综合考虑注入气介质、返排流体的特殊性以及制氮车快速返排的影响因素，改进了氮气快速返排工艺设计方法，为氮气气举工艺设计提供了重要的理论基础和工具。