可溶篩管在塔里木油田高溫高壓氣井中的應(yīng)用

魏軍會(huì) ，景宏濤，謝 英，李建明，司 想

1.中國石油塔里木油田油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000 2.中國石油塔里木油田克拉采油氣管理區(qū)，新疆 庫爾勒 841000

引言

庫車山前陸盆地是中國重要的天然氣勘探開發(fā)基地，為塔里木油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，油氣主要富集于前陸沖斷帶[1-2]。該區(qū)域深層儲(chǔ)集層埋深超過6 000 m，普遍高溫（160～180°C）高壓（不低于105 MPa），孔隙度6.0%～9.0%，滲透率0.1～1.0 mD，屬于低孔低滲裂縫性氣藏，具有“埋深較大，構(gòu)造控藏、儲(chǔ)量豐度高、高壓和高產(chǎn)”的特點(diǎn)[3-6]。由于該區(qū)域地層壓力系數(shù)較高，為保證井控安全，鉆井過程中使用高密度泥漿來平衡地層壓力。但用高密度泥漿會(huì)導(dǎo)致在完井階段泥漿出現(xiàn)沉降和固結(jié)現(xiàn)象；為避免生產(chǎn)過程中出砂埋卡管柱，使井筒不利于清潔，常將管鞋下至射孔段頂部，但又會(huì)因地層含砂，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)造成井筒堵塞砂埋導(dǎo)致停產(chǎn)，修井處理難度大，周期長(zhǎng)[7-9]。較長(zhǎng)的修井工期使得產(chǎn)層長(zhǎng)時(shí)間浸泡在重漿中，令儲(chǔ)層污染嚴(yán)重，修井后產(chǎn)能恢復(fù)率低，嚴(yán)重影響氣井的穩(wěn)產(chǎn)及增產(chǎn)。

為此，研發(fā)了一種可溶篩管，該篩管可溶解在酸液中形成生產(chǎn)通道，在完井時(shí)有利于清潔井筒，達(dá)到清潔完井的目標(biāo)。同時(shí)，可溶篩管與封隔器下部管柱使用銷釘連接，在修井作業(yè)中，解封封隔器后打撈出封隔器及下部一段管柱，再下入專用打撈工具，上提可溶篩管，剪切丟手短節(jié)中的銷釘，可實(shí)現(xiàn)分段打撈，減少作業(yè)量，提高修井效率，從而減小了在修井作業(yè)過程中對(duì)儲(chǔ)層的傷害。該技術(shù)解決了庫車山前陸盆地儲(chǔ)層井眼清潔及小井眼快速修井問題，形成了塔里木油田庫車山前特色的可溶篩管完井技術(shù)，取得良好的效果。

1 可溶篩管技術(shù)

可溶篩管技術(shù)涉及高溫高壓油氣田油氣井開采完井技術(shù)領(lǐng)域，特別是需要滿足高溫高壓油氣井清潔完井及安全高效修井作業(yè)兩種需求，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低成本清潔完井及后期安全修井作業(yè)的工藝方法。

1.1 技術(shù)參數(shù)

可溶篩管本體材料為S13Cr，外徑88.9 mm，與31/2′′（1′′=2.54 cm）油管外徑相同，長(zhǎng)5 m，內(nèi)徑74.0 mm，篩管孔密度16 孔/m，孔徑為M16×1 的密封型螺紋孔，見圖1[10]。為了保證篩管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，孔眼之間的距離62 mm，相位角為90°，篩管兩端為直連型雙級(jí)扣，入井前篩管安裝可溶孔塞，在5 根篩管之間設(shè)計(jì)一個(gè)直聯(lián)型提拉式丟手接頭（圖2）。

圖1 可溶篩管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of dissolvable screen

圖2 可溶孔塞圖Fig.2 Structure diagram of dissolvable hole plug

可溶孔塞結(jié)構(gòu)（圖2）設(shè)計(jì)最大密封直徑為19 mm，孔塞安裝螺紋為M16×1，在可溶孔塞上安裝耐高溫密封件，與可溶篩管本體實(shí)現(xiàn)密封?？扇芸兹穸确譃?、3、4 和5 mm，根據(jù)可溶孔塞的酸溶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇厚度4 或5 mm 的酸溶材料[11]。

丟手接頭結(jié)構(gòu)見圖3，丟手接頭外徑88.9 mm，內(nèi)徑70.0 mm，總長(zhǎng)1.96 m，接頭為機(jī)械提拉式，銷釘繞圓周4 等分，3 排12 只?？筛鶕?jù)下入井下深度所掛篩管的重量及設(shè)計(jì)的安全系數(shù)調(diào)整脫手銷釘?shù)臄?shù)量。

1.2 可溶孔塞優(yōu)選

1.2.1 土酸溶解性能

為了優(yōu)選出一種確保被土酸在30～40 min 內(nèi)完全溶解溶蝕的金屬材料[12-14]，實(shí)驗(yàn)采用3 種酸溶金屬材料（A、B 和C）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試在70、90、110、130、150 和170°C時(shí)的溶解性能，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 可溶材料A、B 和C 減薄量隨溫度變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend of acid dissolvable materials A,B and C thinning with temperature

從可溶材料A、B 和C 等3 種材質(zhì)不同厚度試樣的減薄量隨溫度變化趨勢(shì)可見，隨溫度升高，3 種材質(zhì)的減薄量增大，即溶解速率增大。酸溶材料A 和B 在溫度不超過110°C時(shí)，溶解較慢，超過110°C后，減薄量明顯增大，即溶解速率快速增大，溫度達(dá)到170°C時(shí)，所有厚度試樣全部溶解。

由5 種材質(zhì)（可溶材料A、B、C、P110 和雙相不銹鋼2205）在酸液中的減薄量對(duì)比圖（圖5）可見，酸溶材料C 減薄量最大。實(shí)驗(yàn)表明，溫度達(dá)110°C時(shí)，該材料所有厚度試樣已經(jīng)全部溶解。因此，優(yōu)選材料C 進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

圖5 5 種材質(zhì)在酸液中的減薄量對(duì)比圖（150 °C）Fig.5 Comparison of five material thinners in acid liquid（150 °C）

1.2.2 泥漿溶解性能

模擬可溶孔塞在庫車山前鉆井泥漿中的耐腐蝕性。實(shí)驗(yàn)條件為：170°C，克深24-A 井現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿（2018-07-03 取樣，密度1.72 g/cm3，漏斗黏度10 s，Cl-濃度36 000 mg/L），用量不低于20 mL/cm2；實(shí)驗(yàn)時(shí)間48 h。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料C 抗腐蝕性能最優(yōu)，在腐蝕環(huán)境前后質(zhì)量無變化，且表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕情況。

1.2.3 水介質(zhì)溶解性能

模擬可溶孔塞在庫車山前氣田水中的耐腐蝕性。實(shí)驗(yàn)條件為：170°C，Cl-濃度50 000 mg/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間168 h。

實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)的水介質(zhì)腐蝕環(huán)境中，168 h實(shí)驗(yàn)后，可溶材料A、B 和C 均發(fā)生層片狀或塊狀脫落，見圖6。

圖6 水介質(zhì)腐蝕實(shí)驗(yàn)168 h 后樣品性狀Fig.6 Sample behavior after 168 h water dielectric corrosion test

1.2.4 甲酸鹽完井液耐腐蝕性性能

模擬可溶孔塞在庫車山前高溫高壓氣井中的完井過程，在甲酸鹽完井液中的耐腐蝕性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣（每組3 個(gè)）放入老化罐，充壓2 MPa，放入已升至設(shè)定溫度的恒溫箱中，恒溫時(shí)間定為0.5 h，測(cè)試可溶孔塞在甲酸鹽完井液中的耐腐蝕性能，結(jié)果見表1。

表1 可溶孔塞甲酸鹽完井液的耐腐蝕性能測(cè)定結(jié)果Tab.1 Corrosion resistance of dissolvable pore plug in formate completion fluid

甲酸鹽完井液腐蝕性能實(shí)驗(yàn)表明，可溶孔塞在庫車山前高溫高壓氣井甲酸鹽完井液中，實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量有所增加，甲酸鹽完井液pH 值無明顯變化。

1.2.5 酸液溶蝕實(shí)驗(yàn)

后期高溫高壓氣井一般會(huì)經(jīng)歷改造增產(chǎn)，需要對(duì)產(chǎn)層段進(jìn)行酸化，因此，對(duì)應(yīng)產(chǎn)層段的可溶篩管中的可溶孔塞材質(zhì)在酸液中應(yīng)具備完全溶解性能，為后期油氣生產(chǎn)提供通道[15]。由于可溶篩管對(duì)應(yīng)產(chǎn)層段，而產(chǎn)層段溫度較高，壓力較大，故需要可溶孔塞材質(zhì)在高溫高壓條件下能夠完全溶解。實(shí)驗(yàn)條件為6 MPa，110°C，12.0%HCl+3.0%HF+5.1%酸化緩蝕劑（3.4%緩蝕劑A+1.7%緩蝕劑B），驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為可溶孔塞完全溶解。實(shí)驗(yàn)表明，在該酸液中可溶篩管溶解時(shí)間最大為2 h。

1.3 物理性能測(cè)試

1.3.1 抗內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)

使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備：井下工具功能性檢測(cè)系統(tǒng)，上扣扭距扳手，150 型試壓泵，高壓管線等。

實(shí)驗(yàn)過程：將可溶篩管清洗干凈，去除毛刺安裝可溶孔塞，先在可溶孔塞上安裝好密封圈，再擰入篩管的螺孔中。將可溶篩管一端封閉，另一端擰上試壓接頭，接上試壓管線。開泵打壓15 MPa，穩(wěn)壓15 min 不降。繼續(xù)打壓35 MPa 測(cè)試直連雙級(jí)扣的密封強(qiáng)度，穩(wěn)壓15 min 不降，實(shí)驗(yàn)原理示意圖與實(shí)物圖見圖7。

圖7 抗內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)Fig.7 Diagram of the anti internal pressure experiment

1.3.2 抗拉載荷測(cè)試

將篩管兩端連接在液動(dòng)拉伸機(jī)上，然后打壓，液體推動(dòng)液缸實(shí)現(xiàn)拉伸，液缸的壓力1 MPa 提供10 kN 的拉伸力，示意圖與實(shí)物圖見圖8。

圖8 抗拉載荷實(shí)驗(yàn)Fig.8 Diagram of tensile load experiment

篩管兩端連接后，開泵打壓做650 kN 的載荷實(shí)驗(yàn)，根據(jù)液缸的壓力1 MPa 提供10 kN 的等量關(guān)系，向液缸注入65 MPa 的壓力。

可溶篩管抗拉載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）打壓68.41 MPa，穩(wěn)壓15 min，無明顯降壓現(xiàn)象，壓力數(shù)據(jù)顯示為68.25 MPa。2）篩管的實(shí)驗(yàn)抗拉載荷為650 kN；測(cè)量篩管的密封孔為19.1 mm，無變形。3）31/2′′平式油管的線重實(shí)測(cè)為13.84 kg/m，抗拉安全系數(shù)完全滿足施工要求。

1.4 丟手短節(jié)性能評(píng)價(jià)

1.4.1 抗拉性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)條件：丟手短節(jié)可通過設(shè)定不同數(shù)量的剪切銷釘，從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)定剪切值下出現(xiàn)剪切，實(shí)現(xiàn)丟手功能[14-17]。為了驗(yàn)證丟手短節(jié)能夠在設(shè)定的剪切值下，進(jìn)行了丟手短節(jié)剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，剪切銷釘數(shù)量為12 個(gè)，丟手短節(jié)設(shè)定的剪切值為14 t。圖9 為丟手短節(jié)剪切試驗(yàn)結(jié)果，該丟手短節(jié)在拉力為21.4 t 時(shí)發(fā)生突變，表明丟手短節(jié)剪切銷釘發(fā)生斷裂，丟手短節(jié)實(shí)現(xiàn)丟手[16-19]。考慮到該試驗(yàn)系統(tǒng)摩擦阻力6.9 t，丟手短節(jié)剪切值為14.5 t，達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

圖9 丟手短節(jié)剪切試驗(yàn)曲線Fig.9 Shear test curve of released nipple

1.4.2 丟手短節(jié)在壓裂施工中的安全分析

1）壓裂過程中縱向受力分析

丟手短節(jié)所受重力以150 m 管柱計(jì)算，該短接質(zhì)量2 835 kg。丟手剪釘所受摩擦阻力主要是丟手短節(jié)剪釘以下到可溶篩管出口這段管柱（2 m）所受到的摩擦阻力；以施工最大排量5 m3/min、井深7 000 m 計(jì)算液體到達(dá)丟手位置所產(chǎn)生的摩擦力；每流經(jīng)2 m 沿程摩阻增加0.02 MPa，產(chǎn)生的摩擦力為8.7 kN（約對(duì)應(yīng)0.87 t）；目前使用的丟手短節(jié)有3 排剪釘，每排6 顆，剪切每顆需要1.167 t，剪切丟手力為21 t[20-22]。因此，丟手短節(jié)所受縱向力在安全范圍內(nèi)。壓裂施工前可溶孔塞已全部溶解完，可溶篩管孔徑16 mm，每根可溶篩管長(zhǎng)4.39 m，有84 孔。可溶篩管過流面積為16 880.64 mm2，31/2′′油管過流面積4 534.16 mm2，可溶篩管過流面積是31/2′′油管過流面積的3.7 倍。壓裂液通過坐封球座后，只流經(jīng)1.81 m 丟手短節(jié)即進(jìn)入可溶篩管，無節(jié)流且增大了2.7 倍過流面積，對(duì)剪釘無縱向剪切力。

2）壓裂施工過程中橫向受力分析

丟手接頭的上接頭與下接頭的配合間隙只有0.10～0.15 mm，長(zhǎng)度158 mm，且安裝有高溫密封圈進(jìn)行密封。每顆剪釘對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立銷釘槽用螺紋固定，管柱發(fā)生橫向擺動(dòng)時(shí)接頭本體受力，不會(huì)對(duì)剪釘產(chǎn)生破壞性剪切。為了防止管柱震動(dòng)使剪釘固定螺紋松動(dòng)，剪釘退出剪釘槽，可采用涂抹高溫厭氧膠加以固定[21-24]。

3）壓裂施工中的安全分析

封隔器下部管柱重量為2.84（t150 m 下部管柱為例）；在排量5 m3/min，7 000 m 井深條件下，通過丟手位置產(chǎn)生摩阻0.87 t，18 個(gè)銷釘受力21 t，滿足安全條件；流體通過丟手工具時(shí)，由于連接的可溶篩管過流面積大，丟手短節(jié)不受剪切力影響；在丟手工具制造工藝上，上下接頭間隙0.10～0.15 mm，且每個(gè)銷釘對(duì)應(yīng)獨(dú)立銷釘槽，在產(chǎn)生橫向震動(dòng)（10～12 mm）時(shí)丟手本體受力，銷釘不受力；丟手工具在壓裂過程中滿足安全需求。

1.5 完井管柱設(shè)計(jì)

管柱配置油管+安全閥+油管+封隔器+93.2 mm 直連油管（50 m）+球座+可溶篩管（射孔段）+直連油管+打孔篩管（2.4 m）+管鞋；球座下部每30 m 管柱配置丟手短節(jié)1 個(gè)，管鞋下至人工井底輕度支撐，見圖10[25-27]。

圖10 可溶篩管完井管柱Fig.10 Dissolvable screen completion string

施工步驟：1）下完井管柱，安裝采氣樹。2）利用打孔篩管反循環(huán)替換出井筒以及油管內(nèi)部的重泥漿。3）封隔器坐封。4）注酸或利用改造酸液溶掉可溶孔塞。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比分析

2.1 常規(guī)管柱

以深A(yù) 井為例，該井完井管柱如圖11 所示。該井設(shè)計(jì)了兩個(gè)射孔段，分別為7 586.00～7 651.00 m 和7 480.00～7 580.00 m。下51/2′′CHAMP封隔器四閥一封測(cè)試管柱至井深7 066.30 m 對(duì)7 586.00～7 651.00 m 進(jìn)行酸壓測(cè)試求產(chǎn)，油壓91 MPa，套壓32 MPa，日產(chǎn)氣33×104m3；然后，下入完井管柱，管鞋下深7 400.00 m，進(jìn)行籠統(tǒng)改造，改造后油壓60 MPa，日產(chǎn)氣17×104m3。

圖11 克深A(yù) 井完井管柱圖Fig.11 Completion string diagram of Well Keshen-A

分析認(rèn)為，完井投產(chǎn)管柱管鞋下深7 361.39 m，距射孔頂界（7 480.00 m）118.61 m，距離下部射孔段底界（7 651.00 m）289.61 m，故封隔器坐封后，管鞋以下仍有289.61 m 的高密度泥漿墊，在下完井管柱過程中，經(jīng)過8 d 井底高溫沉淀，形成泥漿段塞，導(dǎo)致下部井段放噴過程中井底阻力大，且酸壓溝通下部?jī)?chǔ)層困難。因此，該井下部層段流體通道被嚴(yán)重堵塞，氣井產(chǎn)量低。若完井管柱下至射孔段底部，雖然可以實(shí)現(xiàn)完全替液，但又會(huì)由于出砂、結(jié)垢嚴(yán)重，射孔段管柱經(jīng)常被埋卡，油壓波動(dòng)嚴(yán)重，影響穩(wěn)產(chǎn)，并會(huì)延長(zhǎng)大修工期。

2.2 可溶篩管

2019 年，可溶篩管首次應(yīng)用于塔里木油田迪那AA 井大修作業(yè)中，該井由于鉆井過程中，井下情況復(fù)雜，事故完井，完井后井筒內(nèi)被2.34 g/cm3的重泥漿長(zhǎng)期浸泡，地層壓力106.2 MPa，地層溫度136.1°C。修井采用密度1.80 g/cm3油基修井液，下完井管柱期間，泥漿靜置5 d。修井作業(yè)完井管柱結(jié)構(gòu)見圖12。迪那AA 井投產(chǎn)后8 mm 油嘴生產(chǎn)，油壓57 MPa，日產(chǎn)氣48.60×104m3，日產(chǎn)油46.66 t，產(chǎn)能恢復(fù)率達(dá)到89%。

圖12 迪那AA 井完井管柱圖Fig.12 Well Dina-AA completion string diagram

同年，大北30A 井修井后，應(yīng)用可溶篩管完井技術(shù)，且進(jìn)行加砂壓裂，最高排量4.41 m3/min，泵壓109 MPa，最高加砂濃度324.50 kg/m3，安全施工。5 mm 油嘴放噴，油壓84.38 MPa，無阻流量由作業(yè)前的55.12×104m3/d，增加到措施后的239.77×104m3/d，增加了3.35 倍，使用效果良好。

可溶篩管在現(xiàn)場(chǎng)5 口井的應(yīng)用表明，該技術(shù)能縮短大修工期（縮短工期1/3，見圖13），獲得良好清潔完井效果，提高了大修后產(chǎn)能恢復(fù)率：常規(guī)管柱大修后產(chǎn)能恢復(fù)率平均78.17%，可溶篩管大修后產(chǎn)能恢復(fù)率平均211.58%（圖14），提高了1.71 倍，配合改造工藝后無阻流量平均恢復(fù)率可達(dá)276.00%。

圖13 庫車山前修井周期Fig.13 Workover period in front of Kuqa Mountain

圖14 庫車山前修井后產(chǎn)能恢復(fù)率Fig.14 Recovery rate of production capacity after well workover in front of Kuqa Mountai

3 結(jié)論

1）庫車山前陸盆地的氣井地層壓力系數(shù)較高、埋深較大、高溫高壓，導(dǎo)致清潔完井困難，修井周期長(zhǎng)，修井后產(chǎn)能恢復(fù)率低，嚴(yán)重影響氣井的穩(wěn)產(chǎn)及增產(chǎn)。為此成功研制出可實(shí)現(xiàn)酸溶篩孔、分段打撈的可溶篩管，實(shí)現(xiàn)充分替液，達(dá)到清潔完井和安全高效修井的目標(biāo)，提高修井效率，減小修井作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

2）可溶篩管滿足抗內(nèi)壓35 MPa，穩(wěn)壓15 min不降的密封設(shè)計(jì)要求；并且抗拉載荷實(shí)驗(yàn)650 kN，篩管無變形，抗拉安全系數(shù)完全滿足施工要求?？扇芸兹麧M足在110°C時(shí)，全部溶解；在模擬氣田水介質(zhì)腐蝕環(huán)境中，經(jīng)168 h 后，發(fā)生層片狀或塊狀脫落；在油基泥漿及甲酸鹽完井液中均無明顯變化。各屬性滿足井下工況要求。

3）可溶篩管在庫車山前修井應(yīng)用表明，該技術(shù)縮短了修井周期，提高了產(chǎn)能恢復(fù)率，獲得良好的清潔完井效果，可在類似區(qū)域推廣使用。