先期防砂篩管頂部固井一體化技術(shù)

田曉勇 張京華 白云飛 蔣本強(qiáng) 蔣立坤 宋劍鳴 茍旭東 古青

關(guān)鍵詞：固井；防砂；等離子割縫篩管；封隔器；分級(jí)箍

0 引言

目前，巴彥油田是華北油田建產(chǎn)主要區(qū)塊，其中LH 等區(qū)塊儲(chǔ)層多為疏松砂巖，間雜泥巖及局部膏巖，前期采用普通篩管完井，開(kāi)發(fā)過(guò)程儲(chǔ)層出砂量大、粒徑小，導(dǎo)致試采不到1 個(gè)月篩管便發(fā)生嚴(yán)重堵塞，同時(shí)儲(chǔ)層上部及儲(chǔ)層段井壁失穩(wěn)嚴(yán)重［1］，易垮塌填埋篩管，產(chǎn)出流體高含瀝青質(zhì)及次生二氧化碳腐蝕介質(zhì)，篩管腐蝕嚴(yán)重，局部膏巖對(duì)篩管造成擠壓變形。因此，完井時(shí)不僅要考慮對(duì)儲(chǔ)層及儲(chǔ)層上部井壁失穩(wěn)層段進(jìn)行封堵避免后期垮塌填埋篩管，還需采用高精度、高強(qiáng)度防腐篩管提高儲(chǔ)層防砂效果。倪華峰［2］針對(duì)井壁穩(wěn)定性差，失穩(wěn)垮塌嚴(yán)重問(wèn)題提出了“尾管+篩管”分級(jí)半程固井技術(shù)。徐明會(huì)［3］等針對(duì)傳統(tǒng)篩管頂部注水泥工藝中，管內(nèi)液柱振動(dòng)易導(dǎo)致分級(jí)箍提前開(kāi)孔，管外封隔器提前漲封等問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。針對(duì)篩管頂部注水泥工藝中出現(xiàn)的鉆塞時(shí)間長(zhǎng)、鉆穿套管及卡鉆等問(wèn)題，李國(guó)峰等［4］研制了篩管頂部固井免鉆塞工具，楊旭等［5］發(fā)明了地層封隔式免鉆篩管頂部固井工具。上述學(xué)者采用的工藝基本相同，原理是通過(guò)篩管+盲板+封隔器+分級(jí)箍+套管的管串結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩管頂部封隔固井，不同之處在于李國(guó)峰、楊旭等將封隔器與分級(jí)箍集成在一起，具有封隔、分級(jí)固井、免鉆功能。該技術(shù)僅能解決儲(chǔ)層上部的封固問(wèn)題，無(wú)法解決儲(chǔ)層局部失穩(wěn)層段的封堵，未對(duì)封隔器在井徑擴(kuò)大環(huán)境的適用性、可靠性和沖蝕對(duì)分級(jí)箍關(guān)閉影響進(jìn)行研究分析。且上述技術(shù)的缺陷在于封隔器需安放在重疊段，在裸眼段封隔效果差，特別是對(duì)于井徑擴(kuò)大率普遍較大的區(qū)塊，封隔器無(wú)法封隔會(huì)造成上部疏松層段無(wú)法封堵、下部層段充滿水泥填埋篩管。此外，分級(jí)箍封隔器集成的一體式結(jié)構(gòu)壓力系統(tǒng)復(fù)雜，易發(fā)生封隔器脹封失效，分級(jí)箍關(guān)孔不嚴(yán)等問(wèn)題。為此，針對(duì)巴彥區(qū)塊存在的完井防砂問(wèn)題，進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)了篩管+篩管外封隔器先期防砂與分級(jí)箍+大膨脹比封隔器進(jìn)行篩管頂部封隔的固完井一體化管柱，優(yōu)化改進(jìn)了封隔器、分級(jí)箍等固井關(guān)鍵工具、優(yōu)選了等離子割縫篩管，并成功應(yīng)用，取得了很好的完井防砂效果。

1 固完井技術(shù)難點(diǎn)

（1）LH 區(qū)塊儲(chǔ)層垂深3 350 m，膠結(jié)相對(duì)疏松，儲(chǔ)層不連續(xù)，層間夾雜局部膏巖和泥巖，后期出砂易引起垮塌填埋管柱，完井防砂的同時(shí)需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)層段進(jìn)行先期封堵。

（2） 儲(chǔ)層上部裸眼井段井壁失穩(wěn)較嚴(yán)重，坍塌系數(shù)1.2 左右，需要進(jìn)行篩管頂部注水泥漿封固，但封堵層段最大井徑擴(kuò)大率15% 左右，需要高膨脹比封隔器且封隔壓力需達(dá)到35 MPa 才能滿足生產(chǎn)施工要求，封隔器失效將導(dǎo)致儲(chǔ)層篩管填埋、上部層位無(wú)法封固。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)封隔工具井徑擴(kuò)大率10% 左右時(shí)，封隔壓力僅有20 MPa 左右，繼續(xù)膨脹膠筒易破裂。分級(jí)箍循環(huán)孔應(yīng)具有很好的抗沖蝕性能，保障關(guān)孔后密封可靠。

（3） 儲(chǔ)層砂粒粒徑中值0.15～0.2 mm 左右，原油瀝青質(zhì)含量高，存在次生二氧化碳，地層水總礦化度83.3 g/L， Cl?含量51 g/L，易造成篩管結(jié)垢、堵塞、腐蝕，且局部膏巖對(duì)篩管抗擠壓強(qiáng)度要求高。

2 先期防砂與篩管頂部固井一體化管柱設(shè)計(jì)

針對(duì)固井與防砂技術(shù)難題，首先考慮儲(chǔ)層段采用具備高強(qiáng)度、高擋砂精度、抗腐蝕的高性能篩管進(jìn)行防砂，并利用篩管外封隔器+套管對(duì)疏松易垮塌風(fēng)險(xiǎn)層段進(jìn)行先期封堵。同時(shí)采用密封可靠的封隔器+分級(jí)箍實(shí)現(xiàn)篩管頂部封隔固井，解決上部疏松層段及重疊段封固問(wèn)題，整體實(shí)現(xiàn)先期防砂與固完井一體化施工，解決區(qū)塊存在的固完井難題。

固完井管柱如圖1 所示。管柱整體采用下部防砂+上部篩管頂部固井設(shè)計(jì)，其中下部防砂管柱采用篩管防砂，篩管外封隔器與套管組合封堵膏巖、泥巖夾層。上部篩管頂部固井管柱采用分級(jí)箍、封隔器、套管組成固井管柱，利用盲板將固井管柱與防砂管柱隔開(kāi)，同時(shí)利用盲板進(jìn)行憋壓脹封封隔器、開(kāi)啟分級(jí)箍。

3 關(guān)鍵工具

篩管頂部封隔固井工具主要包括封隔器和分級(jí)箍，包括前文提到分級(jí)箍和封隔器分體結(jié)構(gòu)，以及分級(jí)箍和封隔器組合在一起的免鉆式篩管頂部固井工具，兩種結(jié)構(gòu)的封隔器均采用水力膨脹結(jié)構(gòu)，其膠筒結(jié)構(gòu)單一，封隔壓差35 MPa 左右，但在井眼擴(kuò)大率10% 左右時(shí)封隔壓力還不足20 MPa，而研究區(qū)塊封堵層段最大井徑擴(kuò)大率15% 左右，為防止固井后水泥漿竄流至篩管段以及防止地層油氣上返影響固井質(zhì)量，封隔壓力需要達(dá)到35 MPa。因此，在井徑擴(kuò)大率較大時(shí)，為了滿足封隔效果，需要膠筒具有更大的膨脹率和承壓能力。此外，免鉆式篩管頂部固井工具，雖不用鉆除內(nèi)部附件，但需要打撈或?qū)⒏郊ㄟ^(guò)憋壓方式運(yùn)移至井底，施工過(guò)程復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高，且篩管段無(wú)法憋壓運(yùn)移，采用鉆除式分級(jí)箍更為可靠。另外，篩管頂部固井分級(jí)箍開(kāi)啟后，循環(huán)孔及密封面會(huì)發(fā)生局部沖蝕，影響后期密封效果。為此，優(yōu)化采用了分級(jí)箍+封隔器組合的分體式篩管頂部固井工具，并進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化改進(jìn)。

3.1 分級(jí)箍

分級(jí)箍開(kāi)啟方式主要有機(jī)械式和壓差式。巴彥區(qū)塊篩管頂部固井工具主要應(yīng)用在水平段或井斜較大的井段，因此選用了壓差式結(jié)構(gòu)（如圖2 所示），技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。分級(jí)箍在管串到位后需要立即開(kāi)啟，并循環(huán)至滿足固井要求。常規(guī)分級(jí)箍為了使密封件通過(guò)循環(huán)孔時(shí)不發(fā)生剪切破壞，本體與關(guān)閉套之間在循環(huán)孔位置進(jìn)行了局部凹槽處理，使得關(guān)閉套與本體循環(huán)孔處形成一定空腔，大排量循環(huán)時(shí)該處存在渦流效應(yīng)，一方面加劇沖蝕，使本體內(nèi)表面密封面磨損，失去密封作用；另一方面高速流體使得沖蝕向兩側(cè)拓展，使密封圈脫離密封槽，導(dǎo)致關(guān)閉套動(dòng)作困難、密封圈剪切失效，最終造成關(guān)閉密封不嚴(yán)或關(guān)閉失效，后期補(bǔ)救困難。碳化鎢噴涂技術(shù)可提高材料的耐沖蝕性能［6］，為此，對(duì)關(guān)閉套、本體循環(huán)孔及密封面采用了碳化鎢噴涂處理，但噴涂后表面較糙度，需進(jìn)行拋光處理，同時(shí)關(guān)閉套與本體循環(huán)孔之間采用微間隙配合，本體循環(huán)孔進(jìn)行圓角倒鈍，避免密封圈通過(guò)時(shí)發(fā)生剪切，避免空腔引起的渦流沖蝕影響。

對(duì)表面噴涂WC 的樣件和原始材料樣件進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在150 ℃、0.3% 剛玉砂（74 μm） 水溶液中，以17.5 m/s 的速度進(jìn)行沖蝕，按實(shí)際工況需求累計(jì)沖蝕3 h 并記錄質(zhì)量損失量。從圖3 可看出，原始樣件沖蝕3 h 累計(jì)減重311 mg，減重趨勢(shì)遞增明顯。而經(jīng)碳化鎢涂層處理的樣件沖蝕3 h 減重僅26 mg，累計(jì)質(zhì)量損失為原始樣件的8% 左右，且沖蝕減重趨勢(shì)平緩，證明碳化鎢噴涂處理后的材料抗沖蝕效果可提高10 倍以上。

3.2 高擴(kuò)張比固井封隔器

常規(guī)篩管頂部封隔固井封隔器或地層封隔式免鉆篩管頂部固井工具封隔膠筒均采用擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)，密封膠筒為單層橡膠結(jié)構(gòu)。高擴(kuò)張比固井封隔器膠筒采用了三層結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)膠筒、保護(hù)套、外膠筒，保護(hù)套采用了更加可靠的鋼帶結(jié)構(gòu)（圖4）。

擴(kuò)徑井段封隔器提高密封性關(guān)鍵在于封隔器膠筒在大膨脹比環(huán)境下不被脹破，純橡膠膠筒無(wú)法滿足要求。目前提高膠筒強(qiáng)度的方法主要有在膠筒中添加特殊材質(zhì)，如尼龍、碳纖維等［7］，但在井徑擴(kuò)大率達(dá)到15% 的環(huán)境下進(jìn)行大膨脹比擴(kuò)張時(shí)仍容易被破壞； 或采用金屬鋼帶結(jié)構(gòu)對(duì)膠筒進(jìn)行保護(hù)［8］，但鋼帶結(jié)構(gòu)布局不合理也容易導(dǎo)致封隔器損壞。為此，考慮通過(guò)改進(jìn)保護(hù)套金屬鋼帶骨架結(jié)構(gòu)方式，提高封隔器在擴(kuò)徑井段的可靠性和封隔能力。如圖5 所示，建立了直列割縫式、螺旋割縫式、疊加交錯(cuò)式等3 種鋼帶骨架結(jié)構(gòu)模型［9］，并利用有限元分析方法，分析3 種結(jié)構(gòu)在20 MPa 內(nèi)壓作用下的變形情況。可以看出，直列式結(jié)構(gòu)鋼帶鼓脹后變形較大，兩列鋼帶間變形間距最大，螺旋式次之，疊加交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)縫隙很小。鋼帶縫隙對(duì)膠筒密封性能有著至關(guān)重要的影響，鋼帶變形后膠筒不能完全保護(hù)于鋼帶內(nèi)，鼓脹壓力通過(guò)縫隙作用于膠筒上，將導(dǎo)致膠筒擠壓破裂，縫隙越大對(duì)膠筒的保護(hù)效果越弱。而疊加交錯(cuò)鋼帶縫隙很小，能最大程度保護(hù)膠筒，因此選擇疊加交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)。根據(jù)井徑擴(kuò)大率不同，高擴(kuò)張比封隔器需要13～20 MPa 的壓力進(jìn)行脹封，疊加交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)內(nèi)膠筒不破裂，同時(shí)支撐外膠筒不收縮。經(jīng)過(guò)室內(nèi)測(cè)試，改進(jìn)后的封隔器在擴(kuò)徑率15% 條件下，憋壓20 MPa，穩(wěn)壓15min，壓降小于0.5 MPa ，封隔器膠筒不發(fā)生破壞，封隔能力達(dá)到35 MPa 以上（技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2）。

3.3 防砂篩管

巴彥區(qū)塊目的層膏巖相對(duì)發(fā)育、瀝青質(zhì)含量高、次生二氧化碳等腐蝕介質(zhì)，篩管必須具備強(qiáng)度高、耐沖蝕、抗堵塞、耐腐蝕能力和便于后期作業(yè)。如表3 所示，王地舉等［10］、夏宏南等［11］、施進(jìn)等［12］學(xué)者從多方面對(duì)各種種篩管技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，綜合各方面性能，等離子割縫篩管的性能要優(yōu)于其他篩管且與研究區(qū)塊需求較為適應(yīng)，因此優(yōu)選等離子縫篩管作為研究區(qū)塊防砂完井篩管。

篩縫結(jié)構(gòu)對(duì)篩管擋砂效果和過(guò)流效果起著至關(guān)重要的作用。張建喬等［13］為提高篩縫防砂效果和過(guò)流效果，在對(duì)現(xiàn)有防砂工藝評(píng)述的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)出一種新型復(fù)合縫腔割縫防砂篩管。該防砂篩管采用雙梯形復(fù)合縫腔及過(guò)渡圓弧設(shè)計(jì)，無(wú)尖銳棱角，縫腔容積逐漸增大，使油流通道為逐漸加寬的縫腔，具有流阻小、防砂效果好、強(qiáng)度高、可自潔等特點(diǎn)。

研究區(qū)塊砂粒粒徑中值0.2 mm 左右，原油高含瀝青質(zhì)，抗沖蝕、防腐要求高，局部膏鹽擠壓強(qiáng)度高，按上覆巖層壓力當(dāng)量密度2.3 g/cm3、垂深3 350m 計(jì)算，抗擠載荷為75.59 MPa。采用防腐性能較好的壁厚10.54 mm 鋼級(jí)TP140V 鋼級(jí)套管，抗外擠強(qiáng)度可以達(dá)到120 MPa。在割縫后，套管的抗外擠強(qiáng)度降為原來(lái)的80%，即96 MPa，抗擠安全系數(shù)1.27，滿足套管設(shè)計(jì)要求?？p形選擇雙梯形復(fù)合縫，提高防砂、導(dǎo)流綜合性能。優(yōu)化后篩管參數(shù)見(jiàn)表4。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

針對(duì)巴彥區(qū)塊完井防砂難點(diǎn)，研究形成了水平井先期防砂固完井一體化工藝技術(shù)及配套關(guān)鍵工具，并在LH 區(qū)塊進(jìn)行了3 口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)施工工藝、完井管串、關(guān)鍵工具性能進(jìn)行了有效驗(yàn)證，各階段施工順利完成，工具性能指標(biāo)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，生產(chǎn)期間未發(fā)現(xiàn)明顯出砂情況，防砂效果顯著。

以LH1 平1 井為例。該井井深4 305 m，水平段長(zhǎng)400 m，儲(chǔ)層位于古近系臨河組，以砂巖為主，在水平段末端和中下段存在局部膏泥巖，儲(chǔ)層膠結(jié)較疏松，坍塌系數(shù)1.25，井徑擴(kuò)大率15% 左右，開(kāi)發(fā)后期由于地層壓力降低、油層出水后儲(chǔ)層出砂可能性加大，結(jié)合鄰井防砂問(wèn)題，儲(chǔ)層需采用4 套篩管外封隔器封隔局部膏泥巖，并結(jié)合高強(qiáng)度、高精度、防腐等離子割縫篩管防砂，儲(chǔ)層以上500 m 采用高擴(kuò)張比封隔器加分級(jí)箍進(jìn)行篩管頂部易垮塌層位封固。施工工藝流程如下。

（1） 井眼準(zhǔn)備，根據(jù)下管串需求進(jìn)行通井、電測(cè)、循環(huán)洗井等，確保井眼暢通；

（2） 根據(jù)電測(cè)結(jié)果準(zhǔn)備工具并配管柱，其中儲(chǔ)層中存在的出砂量大、易垮塌層段使用管外封隔器配合套管將其封堵，2 段泥巖分別長(zhǎng)12 m 和25 m，共使用4 組TWF-YS 壓縮式封隔器，封堵管串長(zhǎng)度大于封堵的層段15 m 以上，提高封堵可靠性；

（3） 按照管串設(shè)計(jì)，下入如圖6 所示的先期防砂固完井一體化管柱；

（4） 管串內(nèi)憋壓脹封篩管頂部固井封隔器，待封隔器脹封結(jié)束后，繼續(xù)憋壓打開(kāi)分級(jí)箍，建立固井循環(huán)通道，循環(huán)1.5 h 至水泥漿性能滿足固井施工要求后開(kāi)始固井；

（5） 替漿結(jié)束后，固井膠塞碰壓至24 MPa 關(guān)閉分級(jí)箍，固井結(jié)束；

（6） 候凝48 h，管內(nèi)試壓合格后鉆除固井水泥塞、固井膠塞、盲板等附件，通井至洗井閥處，保障洗井管串順利入井；

（7） 下洗井管串，循環(huán)洗井至進(jìn)出口液體性能一致；

（8） 下脹封管串至合適位置，脹封篩管外TWF-YS壓縮式封隔器。管串組合為引鞋+油管+K344 封隔器1+進(jìn)液閥+油管+K344 封隔器2+油管串+泄流閥+油管串至井口。使TWF-YS 壓縮式封隔器位于脹封管串的兩個(gè)K344 封隔器之間，通過(guò)井口憋壓脹封K344 封隔器1 和2，繼續(xù)憋壓開(kāi)啟進(jìn)液閥，壓力傳遞至TWF-YS 壓縮式封隔器后完成脹封。完成第1 個(gè)TWF-YS 封隔器脹封后，泄壓上提管柱，進(jìn)行下一個(gè)封隔器脹封；

（9） 起出脹封管串，施工結(jié)束。

篩管頂部固井封隔器脹封壓力15 MPa，壓差式分級(jí)箍開(kāi)啟壓力20 MPa，固井過(guò)程無(wú)異常，分級(jí)箍關(guān)閉后試壓35 MPa 合格，高擴(kuò)張比封隔器封隔效果可靠，篩管段未發(fā)現(xiàn)水泥漿。后續(xù)固井工具附件鉆除正常， 篩管外封隔器成功脹封。截至2023 年8 月，該井已生產(chǎn)14 個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)油1.6 萬(wàn)t，平均日產(chǎn)油40 t 左右，產(chǎn)量穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯出砂，表明篩管過(guò)流和防砂效果好。

5 結(jié)論

（1） 先期防砂與篩管頂部固井一體化技術(shù)可有效解決儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重，井壁穩(wěn)定性差難封堵，井徑擴(kuò)大率大、頂部封隔固井難度大，次生二氧化碳腐蝕介質(zhì)，局部膏巖對(duì)篩管擠壓強(qiáng)度高等固井防砂難題，在完成篩管頂部封隔固井的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層段風(fēng)險(xiǎn)層段先期封堵防砂。

（2） 采用疊加交錯(cuò)式鋼帶結(jié)構(gòu)可提高封隔器在擴(kuò)徑井段的封堵效果，有效保護(hù)封隔器膠筒；對(duì)分級(jí)箍循環(huán)孔進(jìn)行抗沖蝕性能改進(jìn)，可有效避免分級(jí)箍循環(huán)孔沖蝕、砂卡造成的分級(jí)箍固井后關(guān)閉不嚴(yán)的風(fēng)險(xiǎn)。

（3） 篩管優(yōu)選應(yīng)結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)，并充分考慮篩縫縫形結(jié)構(gòu)對(duì)擋砂精度、抗沖蝕性、原油流動(dòng)性影響以及管材防腐、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素。

（4） 篩管外封隔器采用壓縮式封隔器，后期需要專用管柱進(jìn)行脹封，施工過(guò)程較為復(fù)雜，卡層難度大。建議后期研發(fā)具有膨脹時(shí)間可控、封隔能力可靠的自主激發(fā)膨脹功能的封隔器，在酸洗后進(jìn)行自主膨脹，提高施工效率。