自主化一趟多層礫石充填防砂技術(shù)研究與應(yīng)用*

張 明 李 凡 劉光澤 王 鵬 趙 靜

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

自主化一趟多層礫石充填防砂技術(shù)研究與應(yīng)用*

張 明1李 凡1劉光澤2王 鵬2趙 靜3

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

渤海油田淺層砂巖弱膠結(jié)易出砂，應(yīng)用一趟多層礫石充填防砂技術(shù)可有效防砂、提高油井產(chǎn)量，但該技術(shù)被國(guó)外公司壟斷，并且國(guó)外封隔器的錨定機(jī)構(gòu)存在提前座封、套管損傷嚴(yán)重等方面的不足；同時(shí)充填滑套在作業(yè)過(guò)程中存在誤打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。為了彌補(bǔ)國(guó)外工具的不足，提高海上的作業(yè)效率、安全性，同時(shí)節(jié)約成本，自主研發(fā)了φ244.5 mm一趟多層礫石充填工具及其配套工藝，并在綏中36-1油田的9口高難度井中進(jìn)行了成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有可推廣價(jià)值。

渤海油田；自主化一趟多層礫石充填防砂；充填工具；配套工藝；綏中36-1油田

渤海油田井深300～3 000 m淺層砂巖地層多屬于弱膠結(jié)地層，地層強(qiáng)度低，生產(chǎn)時(shí)很容易出砂。為提高油井生命周期，渤海油田從20世紀(jì)80年代末引進(jìn)一系列防砂、控砂工藝技術(shù)，并取得了較好的防砂效果[1]。渤海防砂工藝技術(shù)主要包括打孔管防砂、預(yù)充填篩管防砂、優(yōu)質(zhì)篩管防砂以及礫石充填防砂等[2-4]，其中一趟多層礫石充填防砂工藝技術(shù)由于可以有效防砂和極大提高油井產(chǎn)量而被廣泛應(yīng)用。然而，一趟多層防砂技術(shù)一直被國(guó)外公司所壟斷，作業(yè)成本高、供貨期長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足渤海油田高速開(kāi)發(fā)與發(fā)展的需要[5]。此外,一趟多層防砂技術(shù)在使用過(guò)程中還存在一定問(wèn)題，如國(guó)外封隔器的錨定機(jī)構(gòu)存在提前座封、套管損傷嚴(yán)重等方面的不足；同時(shí)充填滑套在作業(yè)過(guò)程中存在誤打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。為了彌補(bǔ)國(guó)外工具的不足，提高海上的作業(yè)效率、安全性，同時(shí)節(jié)約成本，自主研發(fā)了φ244.5 mm一趟多層礫石充填工具及其配套工藝，并在渤海SZ36-1M平臺(tái)油田開(kāi)發(fā)中取得了成功應(yīng)用。本文主要闡述自主化一趟多層礫石充填防砂系列工具研發(fā)與配套工藝優(yōu)化技術(shù)研究以及在綏中36-1油田的9口高難度井的應(yīng)用效果，以期為同類(lèi)油田開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 自主化一趟多層礫石充填防砂技術(shù)研究

礫石充填防砂技術(shù)是優(yōu)選一定的縫隙尺寸、割縫篩管下入井內(nèi)，正對(duì)出砂油層，在篩管周?chē)敖貛С涮钜欢６?圓球度≥0.6)的礫石，形成一個(gè)具有較高滲透性的兩級(jí)攔截過(guò)濾體系。地層砂粒在充填砂面上被阻留，而礫石本身又被阻隔在篩管周?chē)@種體系可阻止地層砂運(yùn)動(dòng)[6]，而地層液體或細(xì)小的游離砂可以通過(guò)滲透性較好的礫石充填層和流通面積較大的篩縫進(jìn)入油井，使油井既能保證產(chǎn)量又能控制進(jìn)一步出砂。因此，系列工具研發(fā)與配套工藝優(yōu)化是自主化一趟多層礫石充填防砂技術(shù)研究的關(guān)鍵。

1.1 系列工具研發(fā)

在自主研發(fā)防砂工具的過(guò)程中，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)防砂工具設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)[7]，結(jié)合我國(guó)海洋石油工作環(huán)境和實(shí)際操作中遇到的困難進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)研究。

1) 封隔器卡瓦優(yōu)化。

國(guó)外封隔器的錨定機(jī)構(gòu)存在提前座封、套管損傷嚴(yán)重等方面的不足，主要面臨2個(gè)問(wèn)題：①攜帶封隔器防砂管柱下入過(guò)程中，管柱內(nèi)液體與封隔器活塞腔連通，一旦封隔器座封工具和封隔器配合下井的過(guò)程中出現(xiàn)壓力激動(dòng)會(huì)造成銷(xiāo)釘剪切，活塞向下移動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡瓦牙張開(kāi)咬住套管壁，造成管柱遇阻、遇卡[8]；②國(guó)外封隔器錨定機(jī)構(gòu)卡瓦牙設(shè)計(jì)比較粗大，座掛后卡瓦牙嵌入套管內(nèi)壁較深，對(duì)套管產(chǎn)生一定傷害，尤其是在意外座封的情況下，上下活動(dòng)管柱解卡時(shí)對(duì)套管產(chǎn)生傷害更大，往往造成油井二次作業(yè)中被咬傷的井段無(wú)法進(jìn)行二次封隔[9]。因此，針對(duì)上述問(wèn)題須開(kāi)發(fā)出一種可以防止卡瓦提前座封的雙向錨定機(jī)構(gòu)，并對(duì)錨定機(jī)構(gòu)卡瓦牙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用對(duì)套管傷害更小的微牙痕卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先對(duì)實(shí)現(xiàn)卡瓦微牙痕的重要幾何參數(shù)進(jìn)行分析和研究，然后基于A(yíng)NSYS有限元分析得到的封隔器卡瓦牙與套管接觸區(qū)域的應(yīng)力情況優(yōu)化卡瓦的結(jié)構(gòu)尺寸，最終設(shè)計(jì)了一種雙向錨定機(jī)構(gòu)，并對(duì)套管損傷較小的微牙痕卡瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)(圖1)，并且研制出了防止提前座封頂部封隔器。

同時(shí)為防止封隔器卡瓦提前座掛，研發(fā)了封隔器配套的座封工具(圖2)。與國(guó)外座封工具相比，該工具增加了防提前座封球座，未投球前傳壓孔2被屏蔽機(jī)構(gòu)封住，管柱內(nèi)液體無(wú)法進(jìn)入活塞腔內(nèi)，活塞腔內(nèi)始終無(wú)壓力變化，活塞無(wú)法移動(dòng)，因此該工具和封隔器配合下井的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)壓力激動(dòng)造成銷(xiāo)釘剪切、卡瓦提前座封，可以保證作業(yè)安全[10]。封隔器下入到預(yù)訂位預(yù)定置后進(jìn)行投球，首先打壓剪切球座，球座向下移動(dòng)，帶動(dòng)屏蔽機(jī)構(gòu)移動(dòng)，最終屏蔽機(jī)構(gòu)傳壓孔1與傳壓孔2連通，壓力傳遞至活塞腔，活塞可以移動(dòng)，座封封隔器。

圖1 卡瓦力學(xué)分析及實(shí)物圖

圖2 封隔器座封工具

2) 充填滑套優(yōu)化。

針對(duì)現(xiàn)有充填滑套在作業(yè)過(guò)程中存在誤打開(kāi)的難題，進(jìn)行了自主化技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)ANSYS軟件分析，得到滑套開(kāi)關(guān)屈服極限為346.2 MPa(圖3)。根據(jù)其受力分析及工況要求[11]，成功設(shè)計(jì)出了充填滑套系列產(chǎn)品。自主研發(fā)的充填滑套通過(guò)上端加設(shè)扶正環(huán)，在大井斜下入油管過(guò)程中可有效防止油管接箍掛住滑套彈性爪臺(tái)階(圖4),成功消除了充填滑套在后續(xù)作業(yè)中誤打開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了彈性爪的工作可靠性。

圖3 滑套屈服受力分析

新式充填滑套上端增加扶正環(huán)，可扶正油管，且彈性爪臺(tái)階間距小于油管接箍長(zhǎng)度，使油管在通過(guò)滑套過(guò)程可以保持居中。同時(shí),增加O型圈數(shù)量，優(yōu)化滑套外筒內(nèi)表面與彈性爪外表面，也可增強(qiáng)O型圈密封性能。

圖4 新式充填滑套設(shè)計(jì)

1.2 配套工藝優(yōu)化

一趟多層礫石充填防砂管柱主要由頂部封隔器、充填總成、定位接箍及其相應(yīng)座封工具、充填轉(zhuǎn)換工具、移位工具、下壓定位工具等服務(wù)工具組成。為了降低一趟多層礫石充填作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，須對(duì)內(nèi)外層管柱位置結(jié)構(gòu)及下入工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1) 保證防砂管柱內(nèi)部暢通，滿(mǎn)足正反洗壓井需要，保證防砂管柱下入過(guò)程中作業(yè)安全。

2) 充填服務(wù)工具滿(mǎn)足加壓脫手和正轉(zhuǎn)脫手方式，保證封隔器座封后順利投手。

3) 中心服務(wù)管柱設(shè)置添加下壓定位機(jī)構(gòu)(液壓鎖定器)，用于定位充填位置，以確保充填位置準(zhǔn)確。在充填過(guò)程中，給一定的下壓力還可保證充填過(guò)程管柱不發(fā)生上竄，防止出現(xiàn)砂卡的風(fēng)險(xiǎn)。

2 在綏中36-1油田的應(yīng)用

綏中36-1油田位于渤海遼東灣海域遼西低凸起中段，構(gòu)造形態(tài)為北東走向的半背斜。該油田主力含油層段為古近系東營(yíng)組下段，埋深1 300～1 600 m，在2002年達(dá)到日產(chǎn)量12 500 m3的高峰。隨后，油田含水率上升，產(chǎn)量下降，至2006年一期綜合含水69%，采油速度僅為0.99%，部分區(qū)塊出砂嚴(yán)重,因此礫石充填防砂對(duì)提高油藏采收率具有不可替代的作用。自主化一趟多層礫石充填防砂技術(shù)在綏中36-1油田的9口高難度井中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。以該油田5層礫石充填套管井M4井為例，該井井深2 954 m，垂深1 722 m，底層防砂段長(zhǎng)度8.6 m，最大井斜65°；設(shè)計(jì)下入繞絲篩管，采用20/40目人工陶粒，利用密度1.03 kg/m3的完井液作為攜砂液，進(jìn)行礫石充填完井?，F(xiàn)場(chǎng)循環(huán)測(cè)試地面泵注排量0.97 m3/min，鉆桿壓力11.9 MPa，套管壓力0.17 MPa；現(xiàn)場(chǎng)擠注測(cè)試地面泵注排量0.81 m3/min，鉆桿壓力13.3 MPa，套管壓力10.9 MPa；混砂比59.92 kg/m3，反循環(huán)排量0.98 m3/min。充填質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：該井設(shè)計(jì)充填砂量765.9 kg，實(shí)際充填砂量768.2 kg，充填效率為100%，充填系數(shù)88.5 kg/m，盲管埋高3.4 m，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了作業(yè)要求(表1)。據(jù)估算，使用自主化一趟多層礫石充填防砂工具相比于國(guó)外工具可以節(jié)約費(fèi)用20%～30%，防砂效果可以達(dá)到國(guó)外的專(zhuān)業(yè)水平，降本增效作用明顯。

表1 綏中36-1油田M4井作業(yè)參數(shù)及產(chǎn)量

3 結(jié)論

1) 針對(duì)封隔器錨定機(jī)構(gòu)存在提前座封的問(wèn)題，研發(fā)了可以防止卡瓦提前座封的雙向錨定機(jī)構(gòu)，并對(duì)錨定機(jī)構(gòu)卡瓦牙進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了對(duì)套管傷害更小的微牙痕卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出了防止提前座封的頂部封隔器。

2) 針對(duì)充填滑套作業(yè)中存在誤打開(kāi)的問(wèn)題，通過(guò)在充填滑套上端加設(shè)扶正環(huán)消除了充填滑套誤打開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)增加O型圈數(shù)量提高了密封性能。

3) 自主研發(fā)的一趟多層礫石充填防砂工具打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，已在綏中36-1油田成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有可推廣意義。

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(編輯：孫豐成)

Technology of sand control with autonomous one-trip gravel packing and its application

Zhang Ming1Li Fan1Liu Guangze2Wang Peng2Zhao Jing3

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China; 2.CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Ltd.,Tianjin300452,China; 3.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Shallow sandstones in Bohai oilfield is loosely consolidated and likely to release sand. The technology of sand control with one-trip gravel packing can effectively stop sand and improve oil production. However, the technology is monopolized by foreign companies; and even with their system, the anchoring mechanism of the packer has the deficiencies of premature setting and serious casing damage, etc. Meanwhile, there is a risk that the sliding sleeve would be opened at an improper time during operations. In order to make up for the shortcomings of foreign tools, improve the efficiency and safety of offshore operations, and reduce the cost, we developed a one-trip gravel packing tool with a diameter of 244.5 mm and the supporting technology on our own, which have been successfully used in 9 wells with harsh downhole conditions in SZ 36-1 oilfield, achieving remarkable economic and social benefits. So we believe the technology has high potential for dissemination.

Bohai oilfield; autonomous one-trip gravel packing; sand control tool; matching technology; SZ 36-1 oilfield

張明，男，工程師，2004年畢業(yè)于原大慶石油學(xué)院，現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作。地址：天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)海洋石油大廈B座A306(郵編：300452)。E-mail：zhangming@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0111-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.017

TE257

A

2015-03-10 改回日期：2015-09-24

*“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“海上稠油油田高效開(kāi)發(fā)示范工程(編號(hào)：2011ZX05057)”部分研究成果。

張明,李凡,劉光澤，等.自主化一趟多層礫石充填防砂技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(3)：111-114.

Zhang Ming,Li Fan,Liu Guangze,et al.Technology of sand control with autonomous one-trip gravel packing and its application[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):111-114.