稠油油藏蒸汽吞吐井長(zhǎng)效防砂技術(shù)

趙益忠，孫磉礅，高愛(ài)花，智勤功，李 鵬

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營(yíng)257000；2.中國(guó)石化中原油田分公司井下特種作業(yè)公司，河南濮陽(yáng)457000）

勝利油田稠油儲(chǔ)量豐富，主要分布在樂(lè)安油田、單家寺油田、王莊油田等，以蒸汽吞吐的熱采開(kāi)發(fā)方式為主。目前，高效開(kāi)發(fā)稠油油藏成為勝利油田維持年產(chǎn)油量穩(wěn)定的主要途徑，但對(duì)勝利油田稠油蒸汽吞吐井防砂效果調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前一次防砂僅能維持一輪次蒸汽吞吐防砂井的比例高達(dá)65%，說(shuō)明常規(guī)防砂技術(shù)已無(wú)法滿足蒸汽吞吐井的防砂要求［1－4］。對(duì)于蒸汽吞吐防砂井來(lái)說(shuō)，常規(guī)防砂技術(shù)的不足主要是：1）常規(guī)防砂管柱充填工具的充填口不能重復(fù)打開(kāi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)井下后續(xù)補(bǔ)砂，同時(shí)充填工具密封件在蒸汽吞吐的高溫環(huán)境中密封穩(wěn)定性較差［5－7］，嚴(yán)重制約了油井防砂有效期的進(jìn)一步提高；2）常規(guī)熱采充填覆膜支撐劑高溫下易出現(xiàn)形變、炭化［8－10］，導(dǎo)致固結(jié)效果變差，防砂有效期縮短；3）常規(guī)充填工藝不能滿足建立高強(qiáng)度擋砂屏障的需求。為此，筆者對(duì)熱采防砂井防砂管柱、充填支撐劑及充填工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研發(fā)了可重復(fù)充填工具、配套高溫密封件及耐高溫覆膜支撐劑，采用多段塞充填工藝施工，形成了稠油油藏蒸汽吞吐井長(zhǎng)效防砂技術(shù)。

1 熱采長(zhǎng)效防砂管柱

熱采防砂管柱由充填工具及下部防砂篩管構(gòu)成，充填后形成防砂篩管和礫石層2類(lèi)擋砂屏障，而延長(zhǎng)防砂有效期的關(guān)鍵是提高2類(lèi)擋砂屏障在蒸汽吞吐工況下的穩(wěn)定性。為此，研發(fā)了可重復(fù)充填工具及高溫密封件，并對(duì)防砂管柱的配置進(jìn)行了優(yōu)化。

1.1 可重復(fù)充填工具的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

可重復(fù)充填工具主要由解封裝置、卡瓦錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、丟手裝置、反洗機(jī)構(gòu)、填砂裝置及開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)等部分組成（見(jiàn)圖1）。該工具與常規(guī)充填工具相比，最大特點(diǎn)是增加了可重復(fù)充填開(kāi)關(guān)。

φ117.8mm可重復(fù)充填工具的技術(shù)參數(shù)：長(zhǎng)度1 747mm，最大外徑152mm，最小充填通徑72mm，留井通徑98mm，坐封壓力8～10MPa，懸掛能力700kN，密封壓力35MPa，打撈方式φ101.6mm對(duì)扣，解封力60kN。

該工具具有以下特點(diǎn)：1）攜砂通道大，可滿足大排量防砂施工需要，同時(shí)可滿足均勻注汽要求；2）懸掛密封能力強(qiáng)，最大懸掛能力達(dá)到700kN，密封承壓達(dá)到35MPa；3）具有不動(dòng)防砂管柱和原位反循環(huán)洗井功能，確保了防砂施工的可靠性；4）具有重復(fù)充填功能，蒸汽吞吐井生產(chǎn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)篩套環(huán)空充填砂流失導(dǎo)致篩管裸露出砂，可將內(nèi)管柱下入到工具留井魚(yú)頂內(nèi)，打開(kāi)可重復(fù)充填工具的留井可重復(fù)開(kāi)關(guān)，建立流通通道實(shí)現(xiàn)重復(fù)充填，增強(qiáng)擋砂屏障的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)防砂有效期。

1.2 防砂工具高溫密封件性能試驗(yàn)

密封件是熱采防砂工具的核心和關(guān)鍵部件，目前國(guó)內(nèi)外主要采用鉛封及普通氟橡膠作為熱采密封件材料，其中鉛封的密封壓力低、起下管柱易脫落，而普通氟橡膠低溫下易脆裂，均無(wú)法滿足蒸汽吞吐防砂井長(zhǎng)效開(kāi)發(fā)的要求。為此，對(duì)熱采密封件制備材料及其在多輪次工況下的性能參數(shù)進(jìn)行了研究。

首先，對(duì)高溫密封件材料的主料和輔料進(jìn)行了優(yōu)選，優(yōu)選氟橡膠作為高溫密封件主料。由于封隔器膠筒要求膠料具有較高強(qiáng)度及硬度，需要在輔料中添加高性能補(bǔ)強(qiáng)劑和輔助補(bǔ)強(qiáng)劑。同時(shí)，為提升膠筒的自潤(rùn)滑性能，在輔料中加入二硫化鉬，以提升膠筒在高溫環(huán)境下的適應(yīng)性。在制作膠筒時(shí)，首先利用高壓注壓硫化工藝做出成品，成型后再進(jìn)行分段硫化，以確保成品膠筒的質(zhì)量。

其次，在模擬工況下對(duì)成品膠筒進(jìn)行了4輪次性能測(cè)試，試驗(yàn)溫度設(shè)為300℃，且充滿蒸汽，將膠筒壓縮率設(shè)置為25%，在模擬環(huán)境中放置22h，然后精確測(cè)定每輪次蒸汽吞吐后膠筒的壓縮永久變形率。結(jié)果表明：隨蒸汽吞吐輪次增加，膠筒壓縮永久變形率逐漸增大，分別為36%、39%、43%和49%，符合標(biāo)準(zhǔn)《油氣田用壓縮（YS）式封隔器膠筒》（HG／T 2701—1995）的要求（90℃×22h壓縮永久變形率≤55%）。

圖1 可重復(fù)充填防砂工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of reusable gravel pack sand control tool

最后，進(jìn)行了氟橡膠膠筒高溫老化試驗(yàn)：一方面，開(kāi)展了熱空氣老化溫度對(duì)膠筒影響試驗(yàn)，測(cè)得150℃下的拉伸強(qiáng)度為13.44MPa，拉斷伸長(zhǎng)下降率為4%，符合標(biāo)準(zhǔn)《油氣田用壓縮（YS）式封隔器膠筒》（HG／T 2701—1995）的要求（120℃拉伸強(qiáng)度不小于11MPa、90℃×24h拉斷伸長(zhǎng)下降率≤35%）；另一方面，開(kāi)展了300℃高溫蒸汽對(duì)膠筒老化影響試驗(yàn)，模擬蒸汽吞吐輪次為4輪次，每輪次試驗(yàn)時(shí)間為70h，每輪次試驗(yàn)后測(cè)定膠筒拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，氟橡膠膠筒在第1輪次300℃高溫蒸汽作用后，其拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率都出現(xiàn)一定幅度降低，隨后經(jīng)過(guò)第2、3、4輪次高溫蒸汽作用后，其拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率降低幅度較小，能滿足蒸汽吞吐防砂生產(chǎn)的要求。

表1 多輪次蒸汽吞吐模擬試驗(yàn)下膠筒的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of rubber barrel in multiple round steam huff and puff experiment

1.3 熱補(bǔ)償距計(jì)算及補(bǔ)償器配套原則

目前，國(guó)內(nèi)外油田在稠油熱采防砂管柱上普遍配備熱力補(bǔ)償器，以延長(zhǎng)防砂管柱壽命。不同長(zhǎng)度管柱在不同注汽溫差下的熱補(bǔ)償距計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同長(zhǎng)度防砂管柱在不同注汽溫差下的熱補(bǔ)償距Fig.2 Thermal compensating distance of sand control string under different temperatures

另外，配備熱補(bǔ)償器的原則為：1）在熱補(bǔ)償距固定的情況下，盡量選擇補(bǔ)償距小的熱補(bǔ)償器，分開(kāi)布放；2）統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，水平井A點(diǎn)附近注汽生產(chǎn)后易發(fā)生破壞，對(duì)于水平井，推薦在水平段A點(diǎn)附近布置熱補(bǔ)償器。

2 耐高溫覆膜支撐劑性能試驗(yàn)

筆者等人研發(fā)的耐高溫高強(qiáng)度覆膜支撐劑是在石英砂表面由內(nèi)到外依次涂覆預(yù)固化層、可固化層和保護(hù)層，以提高支撐劑的強(qiáng)度、固結(jié)強(qiáng)度和耐高溫性能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。其中，內(nèi)層覆膜材料采用煤焦油改性酚醛樹(shù)脂，中間層覆膜材料采用不飽和樹(shù)脂和有機(jī)硅樹(shù)脂，外層覆膜材料選用3%～6%的惰性樹(shù)脂類(lèi)物質(zhì)和潤(rùn)滑劑。

圖3 耐高溫覆膜支撐劑的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of high－temperature resistant coated proppant

在相同試驗(yàn)條件下，進(jìn)行了普通覆膜支撐劑和耐高溫高強(qiáng)度覆膜支撐劑的高溫固結(jié)對(duì)比試驗(yàn)。其中，普通覆膜支撐劑的石英砂粒徑為0.4～0.8mm，樹(shù)脂包覆量為石英砂質(zhì)量的6%～8%，試驗(yàn)環(huán)境為300℃蒸汽環(huán)境，固結(jié)時(shí)間為24h。圖4為顯微鏡下觀察到的普通覆膜支撐劑和高強(qiáng)度覆膜支撐劑固結(jié)后的顆粒接觸方式。由圖4可知，普通覆膜支撐劑固結(jié)后顆粒間呈面接觸，而高強(qiáng)度覆膜支撐劑顆粒間以點(diǎn)接觸為主，說(shuō)明高強(qiáng)度覆膜支撐劑固結(jié)后的滲流能力高于普通覆膜支撐劑。

圖4 不同覆膜支撐劑固結(jié)后顆粒間的接觸方式對(duì)比Fig.4 Comparison of intergranular contact modes after consolidation between general coated proppant and high temperature resistant coated proppant

另外，采用濕熱法對(duì)耐高溫高強(qiáng)度覆膜支撐劑的固結(jié)強(qiáng)度和滲透率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。模擬試驗(yàn)條件為300℃蒸汽環(huán)境，每輪次蒸汽吞吐試驗(yàn)時(shí)間為24h。從圖5和圖6可以看出，經(jīng)過(guò)4輪次蒸汽吞吐模擬后，耐高溫高強(qiáng)度覆膜支撐劑的固結(jié)強(qiáng)度仍達(dá)7.1MPa，滲透率達(dá)到96D，完全滿足蒸汽吞吐井的防砂要求。

圖5 蒸汽吞吐輪次對(duì)支撐劑固結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of steam huff and puff on consolidation strength

圖6 蒸汽吞吐輪次對(duì)支撐劑固結(jié)滲透率的影響Fig.6 Effect of steam huff and puff on consolidation permeability

3 多段塞充填工藝

熱采防砂井多段塞充填原理見(jiàn)圖7。其中，第1段塞以石英砂為主，作用是增大充填半徑，降低防砂成本；第2段塞以耐高溫高強(qiáng)度覆膜砂為主，目的是建立耐高溫、高強(qiáng)度的擋砂屏障；第3段塞以陶粒為主，便于后期篩套環(huán)空處理。

圖7 多段塞充填原理Fig.7 Principle of multistage slug packing

施工步驟為：1）將長(zhǎng)效防砂管柱下至設(shè)計(jì)井深，連接地面施工管線，加壓坐封并打開(kāi)充填工具充填口；2）泵入設(shè)計(jì)總液量10%～15%的攜砂液作為前置液，待泵壓穩(wěn)定后按照設(shè)計(jì)砂比以1.2～2.0m3／min的排量依次擠壓充填石英砂及耐高溫高強(qiáng)度覆膜砂，其中砂比由10%逐漸增至70%；3）按照3%～5%的砂比以0.4～1.0m3／min的排量將篩套環(huán)空充滿陶粒；4）施工完畢后反洗，倒扣起出施工管柱。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

稠油油藏蒸汽吞吐井長(zhǎng)效防砂技術(shù)分別在勝利油田孤島普通稠油油藏、單家寺超稠油油藏、王莊敏感性稠油油藏蒸汽吞吐井應(yīng)用11井次，成功率和有效率均達(dá)100%。截至2013年9月，所有防砂井均正常生產(chǎn)，平均防砂有效期930d，累計(jì)產(chǎn)液量14.02×104t，累計(jì)產(chǎn)油量4.95×104t（見(jiàn)表2），滿足了“一次防砂、多輪次蒸汽吞吐”高效開(kāi)發(fā)的要求。

表2 長(zhǎng)效防砂技術(shù)應(yīng)用效果Table 2 Application results of long－term sand control technology

SJ2－47X9井為單家寺油田單2塊東調(diào)整區(qū)塊的稠油蒸汽吞吐井，2010年4月采用長(zhǎng)效防砂技術(shù)進(jìn)行了防砂作業(yè)。施工過(guò)程中，第1段塞充填石英砂24t；第2段塞充填耐高溫高強(qiáng)度覆膜支撐劑8.7t，施工排量為1.2m3／min，施工壓力為10～20MPa，施工砂比10%～70%；第3段塞環(huán)空充填陶粒1.0t，施工排量0.4m3／min，施工壓力2～12MPa，砂比3%～5%。該井于2010年5月自噴投產(chǎn)，目前正進(jìn)行第7輪次蒸汽吞吐，其生產(chǎn)動(dòng)態(tài)見(jiàn)圖8，很好地滿足了稠油油藏“一次防砂、多輪次吞吐”的開(kāi)發(fā)要求。

5 結(jié) 論

圖8 SJ2－47X9井防砂后的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)Fig.8 Production curve of Well SJ2－47X9after sand control treatment

1）設(shè)計(jì)研發(fā)了具有可重復(fù)充填開(kāi)關(guān)的防砂充填工具，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)充填補(bǔ)砂功能；優(yōu)選了充填工具高溫密封材料，經(jīng)過(guò)4輪次蒸汽吞吐模擬試驗(yàn)后，其壓縮永久變形率小于55%、抗拉強(qiáng)度8.9MPa、拉斷伸長(zhǎng)率102%，滿足耐高溫要求。

2）研發(fā)了具有可預(yù)固化層、可固化層和保護(hù)層的耐高溫高強(qiáng)度覆膜支撐劑，經(jīng)過(guò)4輪次蒸汽吞吐模擬試驗(yàn)后，其固結(jié)強(qiáng)度為7.1MPa，滲透率為96D，滿足多輪次蒸汽吞吐的要求。

3）多段塞充填的第1段塞為石英砂，第2段塞為耐高溫覆膜砂，第3段塞為陶粒，在建立高強(qiáng)度擋砂屏障的同時(shí)，可降低成本、便于后期處理。

4）長(zhǎng)效防砂技術(shù)對(duì)于蒸汽吞吐稠油油藏具有較強(qiáng)的針對(duì)性和適應(yīng)性，能滿足“一次防砂、多輪次蒸汽吞吐”的要求，建議在蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)稠油油藏時(shí)推廣。

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