水平井含泥巖段旁通充填防砂工具研發(fā)與應(yīng)用*

包陳義 張 斌 李君寶 王 鵬 萬 祥 嚴(yán)孟凱 李躍謙

(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)

近年來渤海灣秦皇島32-6等油田為提高采收率和深化降本增效，多采用水平裸眼井礫石充填完井[1]。由于油藏非均質(zhì)性和地層傾角變化，以及部分不可避免過泥巖段的儲(chǔ)層開發(fā)需要，在裸眼井完井中管鞋位置經(jīng)常鉆遇大段泥巖[2-3]，而泥巖段井壁出現(xiàn)的掉塊、縮徑和垮塌不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，極易導(dǎo)致整個(gè)裸眼井礫石充填作業(yè)失敗和油井防砂壽命明顯降低[4-5]。目前，水平裸眼井鉆遇較長(zhǎng)的泥巖段時(shí)一般會(huì)重新側(cè)鉆分支井眼再完井或迫于選擇優(yōu)質(zhì)篩管簡(jiǎn)易防砂完井，這樣會(huì)大幅增加作業(yè)周期和費(fèi)用，且影響油井的正常投產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明，30%水平裸眼井礫石充填作業(yè)井因泥巖垮塌導(dǎo)致充填失敗[6]，如QHD32-6-J6H井因其90 m泥巖段在礫石充填過程中發(fā)生井壁意外坍塌，導(dǎo)致在加砂過程中壓力突然升高而無法繼續(xù)充填，最終造成充填效率不到設(shè)計(jì)值的10%。根據(jù)調(diào)研，國(guó)外貝克休斯、斯倫貝謝分別采用MultiPath Screen和Alternate Path[7]2種專用旁通篩管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)泥巖坍塌后攜砂液繼續(xù)通過旁通傳輸管充填全井筒環(huán)空，但這2種特殊旁通篩管相對(duì)復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)高，成本高，井口連接作業(yè)時(shí)效差，存在較大的推廣局限性。為了解決水平裸眼井在出管鞋位置和中部其他位置因鉆遇泥巖段坍塌后無法繼續(xù)充填的技術(shù)難題，筆者針對(duì)易坍塌位置創(chuàng)新采用雙層旁通管架橋設(shè)計(jì)，研發(fā)了一套適合φ215.9 mm裸眼井含泥巖段用的雙層旁通充填防砂工具，通過工具強(qiáng)度和充填模擬分析和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了該工具可以保證目標(biāo)層段具有較高的充填效率，并分析了工具的適用技術(shù)參數(shù)范圍?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，所研發(fā)的雙層旁通充填防砂工具具有較高的工作可靠性、技術(shù)優(yōu)越性和使用經(jīng)濟(jì)性，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 旁通充填防砂工具研發(fā)

1.1 旁通充填防砂管柱設(shè)計(jì)

在中國(guó)海油裸眼井礫石充填防砂工具[8-9]的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地采用雙層旁通管架橋原理設(shè)計(jì)了帶旁通充填工具的防砂管柱(圖1)。該防砂管柱自上而下主要由頂部封隔器總成、雙層旁通總成和循環(huán)引鞋總成組成，其中雙層旁通總成主要包括上部旁通快接工具、旁通外管、旁通內(nèi)管、下部旁通回插工具。雙層旁通總成可針對(duì)目標(biāo)泥巖段實(shí)施架橋跨接，其上下旁通孔均覆蓋泥巖段5 m以上，當(dāng)泥巖段出現(xiàn)垮塌后，攜砂液可通過雙層旁通管之間的夾層繼續(xù)運(yùn)送至下部井段，保證有效井筒的充填效果，最終解決由于水平井鉆遇泥巖段而影響礫石充填作業(yè)的問題。

圖1 本文設(shè)計(jì)的旁通充填防砂管柱

1.2 上部旁通快接和下部旁通回插工具設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙層旁通總成與防砂管柱的高效連接，總成上端通過旁通快接工具實(shí)現(xiàn)與頂部封隔器總成的螺套式快速連接，總成下端通過旁通回插工具實(shí)現(xiàn)與篩管的快插式連接。上部旁通快接工具主要包括變扣接箍、快接內(nèi)管、快接外套和快接外管(圖2)，下部旁通回插工具主要包括旁通短節(jié)、保護(hù)罩、配長(zhǎng)管、插入密封工具、密封筒、彈性負(fù)荷顯示工具和篩管變扣(圖3)。雙層旁通總成的工作原理為：首先根據(jù)實(shí)際井眼的泥巖段分布位置進(jìn)行配管，然后在井口從下至上依次下入循環(huán)引鞋總成、篩管、下部旁通回插工具的外層管柱工具、旁通外管和上部旁通快接工具的快接外管坐掛于井口，再?gòu)南轮辽弦来蜗氯胂虏颗酝ɑ夭骞ぞ叩膹椥载?fù)荷顯示工具、插入密封工具和旁通內(nèi)管，同時(shí)通過彈性負(fù)荷顯示工具與密封筒往復(fù)插拔的載荷變化判斷到位情況，最后從內(nèi)到外依次連接上部旁通快接工具的快接內(nèi)管和快接外管并套入快接外套，即可完成每段雙層旁通總成與整個(gè)防砂管柱的連接，當(dāng)管柱下入到位后即可在目標(biāo)泥巖段上下建立其坍塌后可繼續(xù)充填的流通通道。

圖2 本文設(shè)計(jì)的上部旁通快接工具

圖3 本文設(shè)計(jì)的下部旁通回插工具

1.3 等壁厚薄接箍盲管及井口快接工具設(shè)計(jì)

考慮到雙層旁通管的下入風(fēng)險(xiǎn)、充填摩阻和投入成本，針對(duì)φ215.9 mm裸眼井優(yōu)選旁通外管φ177.8 mm的普通套管，優(yōu)選旁通內(nèi)管φ139.7 mm的低磅級(jí)管材進(jìn)行特殊連接螺紋設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)旁通過流當(dāng)量面積的最大化。同時(shí)設(shè)計(jì)可逐級(jí)連接和懸掛的等壁厚薄接箍，以及與之尺寸配套的C形盤、碗形座和套管卡瓦組成的井口快接工具，實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)或多段雙層旁通管柱在井口快速、安全地依次下入，且旁通管柱與配套φ139.7 mm篩管實(shí)現(xiàn)全通徑設(shè)計(jì)，滿足φ124.3 mm大通徑配產(chǎn)配注和后續(xù)大修時(shí)可使用φ114.3 mm割刀實(shí)現(xiàn)一趟鉆割撈回收的作業(yè)需求。

2 工具強(qiáng)度分析與實(shí)驗(yàn)

2.1 旁通工具耐沖蝕性分析

為驗(yàn)證含泥巖段旁通工具的耐沖蝕能力，假定泥巖段發(fā)生坍塌的極限工況，攜砂液以排量1.03 m3/min、砂比49.89 kg/m3全部通過旁通外管與旁通內(nèi)管的環(huán)空流道進(jìn)行充填。為了提高工具耐沖蝕能力，對(duì)工具表面進(jìn)行了滲氮處理，其表面硬度可達(dá)800 HV，滲層平均厚度0.5 mm，利用ANSYS CFX流體分析模塊和Finne沖蝕模型[10]對(duì)旁通工具及其出口的井壁保護(hù)罩進(jìn)行沖蝕模擬分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)泥巖段發(fā)生坍塌后，旁通工具的下旁通孔位置受沖蝕影響最大，其附近的局部循環(huán)流速≤5.9 m/s，工具的最大質(zhì)量沖蝕速率8.1×10-5kg/(m2·s)，最大沖蝕速率75.7 mm/a，按連續(xù)充填12h極限工況計(jì)算的最大沖蝕表面深度為0.1 mm，小于0.5 mm的強(qiáng)化處理許用沖蝕表面厚度，故旁通工具的耐沖蝕能力可滿足極限工況的需要。與此同時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)下部旁通孔外設(shè)置的井壁保護(hù)罩將攜砂液的出口流向調(diào)整為沿井眼軌跡的水平軸向流動(dòng)，避免了出砂口沿徑向沖刷裸眼井壁形成局部擴(kuò)徑的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有效地降低了攜砂液對(duì)裸眼井壁的沖刷影響。

圖4 本文設(shè)計(jì)的旁通工具沖蝕模擬云圖

2.2 等壁厚薄接箍盲管連接強(qiáng)度分析與實(shí)驗(yàn)

整個(gè)旁通管柱在下井和打撈動(dòng)管柱過程中的連接強(qiáng)度至關(guān)重要，本文研發(fā)的充填工具受結(jié)構(gòu)和尺寸限制的強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為研制的φ139.7 mm等壁厚薄接箍盲管及其特殊連接螺紋，管材鋼級(jí)為P110，屈服強(qiáng)度為758 MPa。使用ANSYS Workbench Static Structural分析模塊，分別按抗壓600 kN和抗拉900 kN的極限工況對(duì)特殊螺紋連接進(jìn)行受力分析(圖5)。

圖5 本文設(shè)計(jì)的等壁厚螺紋受壓和受拉應(yīng)力

由圖5有限元分析結(jié)果可以看出，當(dāng)旁通管柱下入遇阻600 kN時(shí)，該螺紋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在公扣后尾部，其應(yīng)力值為325 MPa；當(dāng)旁通管柱后期打撈過提遇阻900 kN時(shí)，該螺紋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在接箍母扣后尾部，其應(yīng)力值為498 MPa，兩者數(shù)值均小于管材取安全系數(shù)1.5的許用屈服強(qiáng)度505.7 MPa：因此，整個(gè)旁通管柱滿足從井口下入到后期打撈回收的連接強(qiáng)度要求。

為進(jìn)一步確保等壁厚薄接箍盲管的連接可靠性和安全性，在實(shí)驗(yàn)車間使用載荷測(cè)試機(jī)和高壓泵對(duì)等壁厚薄接箍盲管進(jìn)行逐級(jí)加載的往復(fù)拉壓和外壓測(cè)試，結(jié)果見表1。從表1測(cè)試結(jié)果可知，該等壁厚薄接箍盲管可以承受600 kN抗壓載荷和1 200 kN抗拉載荷后的35 MPa抗外擠壓力，且螺紋連接經(jīng)往復(fù)拆卸未見明顯破壞，表明等壁厚薄接箍盲管可在充填防砂作業(yè)條件下滿足旁通管柱下入遇阻600 kN、打撈遇阻900 kN極限工況的強(qiáng)度需要。

表1 本文設(shè)計(jì)的等壁厚薄接箍盲管的連接強(qiáng)度測(cè)試

3 充填模擬分析與實(shí)驗(yàn)

3.1 充填模擬分析

為檢驗(yàn)水平井含泥巖段旁通充填防砂工具的技術(shù)適用范圍，筆者以QHD32-6-J6H井鉆遇泥巖為例，該井井深1 743 m、井徑233.68 mm，采用φ139.7 mm鉆桿，篩管外徑162.5 mm，裸眼段總長(zhǎng)400 m，其中泥巖段長(zhǎng)度100 m，陶粒20/40目[10-11]，陶粒顆粒密度2 601 kg/m3，基液密度1 078 kg/m3，砂比49.89 kg/m3，控制α波沙丘比的經(jīng)驗(yàn)高度0.70～0.75[11]。首先模擬計(jì)算泥巖段未坍塌和坍塌2種工況下原防砂管柱的充填摩阻和新增旁通充填工具的附加摩阻(表2)，然后將循環(huán)摩阻值導(dǎo)入泵入流體的能量守恒和礫石沉降速度公式[12]，分別計(jì)算出2種工況下攜砂液通過旁通充填工具以α波形式沿井眼軌跡從上至下完成井筒低邊一側(cè)充填的施工排量及泵壓，再以β波形式沿井眼軌跡由下至上完成井筒高邊一側(cè)充填的施工排量及泵壓，最后根據(jù)實(shí)測(cè)的地層破裂壓力曲線和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的沙丘比曲線與α波、β波的充填排量及泵壓曲線進(jìn)行對(duì)比分析(圖6、7)，得到新增旁通充填工具的防砂管柱所能滿足2種工況下的最大充填排量。

表2 本文設(shè)計(jì)的工具管柱循環(huán)摩阻計(jì)算結(jié)果

圖6 采用本文研發(fā)的充填防砂工具進(jìn)行泥巖段未坍塌時(shí)的充填模擬

圖7 采用本文研發(fā)的充填防砂工具進(jìn)行泥巖段坍塌后的充填模擬

由表2、圖6、7可以看出，在泥巖段未發(fā)生坍塌時(shí)攜砂液主要通過旁通外管與裸眼井壁的環(huán)空流道完成目標(biāo)層段的充填，當(dāng)泵入排量為1.2 m3/min時(shí)整個(gè)防砂管柱的摩阻為3.6 MPa，計(jì)算得到β波充填曲線與地層實(shí)測(cè)破裂壓力曲線的交點(diǎn)為其可滿足的最大充填排量1.16 m3/min和β波結(jié)束壓力9.6 MPa，同時(shí)α波充填的沙丘比高度0.73，符合α波充填沙丘比0.70～0.75的經(jīng)驗(yàn)高度。當(dāng)泥巖段發(fā)生坍塌并堵塞裸眼井壁與旁通外管通道后，攜砂液則完全通過旁通內(nèi)管與旁通外管的環(huán)空流道進(jìn)行目標(biāo)層段的充填，當(dāng)泵入排量為1.2 m3/min時(shí)整個(gè)防砂管柱的摩阻4.3 MPa，計(jì)算得到β波充填曲線與地層實(shí)測(cè)破裂壓力曲線的交點(diǎn)為其可滿足的最大充填排量1.03 m3/min和β波結(jié)束壓力9.7 MPa，同時(shí)α波充填的沙丘比高度為0.75，亦符合α波充填沙丘比0.70～0.75的經(jīng)驗(yàn)高度。因此，本文研發(fā)的旁通充填防砂工具均可保證未坍塌和坍塌2種工況時(shí)目標(biāo)層段的充填效率。

3.2 充填模擬實(shí)驗(yàn)

在試驗(yàn)井JJSY-2H水平井段進(jìn)行φ215.9 mm規(guī)格工具整機(jī)下井試驗(yàn)以驗(yàn)證含泥巖段旁通工具充填模擬和管柱摩阻分析的準(zhǔn)確性。工具下入井深1 660 m，雙層旁通管長(zhǎng)度90 m，下部φ139.7 mm篩管長(zhǎng)度50 m，使用水介質(zhì)測(cè)得工具管柱在不同工況、排量下的充填泵壓見表3。由表3可以得出，當(dāng)泥巖段未發(fā)生坍塌時(shí)工具管柱在1.2 m3/min排量下的循環(huán)摩阻為3.4 MPa，當(dāng)泥巖段發(fā)生坍塌時(shí)工具管柱在1.2 m3/min排量下的循環(huán)摩阻為4 MPa，2種工況下的實(shí)測(cè)摩阻與計(jì)算得到充填摩阻3.6、4.3 MPa基本吻合，因此含泥巖段旁通充填防砂工具的最大充填排量等適用參數(shù)范圍準(zhǔn)確可靠。

表3 本文研發(fā)的充填防砂工具模擬充填的泵壓記錄

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017年5月，QHD32-6-J15H1井完鉆裸眼井明下段西區(qū)N1mLⅡ2目的層位途經(jīng)近百米泥巖和砂巖不等厚互層井段。該井裸眼段頂斜深2 080 m，垂深1 172.17 m，裸眼段底斜深2 353 m，其中泥巖段從管鞋位置開始往下延伸71 m，地層壓力梯度0.008 MPa/m，地層破裂壓力梯度0.015 MPa/m?？紤]疏松砂巖高孔高滲地層的生產(chǎn)需要和鄰井J6H井因泥巖坍塌而充填失敗的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，采用本文研發(fā)的雙層旁通充填工具來保證有效井筒的充填效率?，F(xiàn)場(chǎng)使用大小為20/40目陶粒，陶粒體積密度1 560 kg/m3，陶粒顆粒密度2 601 kg/m3，基液密度1 078 kg/m3，砂比49.89 kg/m3，QHD32-6-J15H1井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)充填曲線如圖8所示。

圖8 本文研發(fā)的充填防砂工具在QHD32-6-J15H1井充填作業(yè)曲線

由圖8可以看出，QHD32-6-J15H1井充填作業(yè)時(shí)循環(huán)充填泵入排量0.8～1.1 m3/min、α波充填泵壓2.3～2.6 MPa、β波充填泵壓2.6～3.5 MPa，實(shí)際泵入砂量7 037 kg，相比φ233.68 mm 設(shè)計(jì)砂量6 886 kg[12]，充填效率達(dá)到了102.19%。同時(shí)，綜合分析曲線213～237 min施工區(qū)間的壓力波動(dòng)和鄰井J6H井較長(zhǎng)泥巖段出現(xiàn)的坍塌情況，推測(cè)QHD32-6-J15H1泥巖段已經(jīng)出現(xiàn)局部坍塌，但采用本文研發(fā)的雙層旁通充填工具成功實(shí)現(xiàn)了該井有效井筒完全充填，進(jìn)而驗(yàn)證了該工具的可靠性及泥巖段出現(xiàn)坍塌后繼續(xù)完成充填作業(yè)的有效性。

5 結(jié)束語

采用雙層旁通管架橋原理研發(fā)了一套適合φ215.9 mm水平裸眼井含泥巖段雙層旁通充填防砂工具，并進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明所研發(fā)的水平裸眼井含泥巖段雙層旁通充填防砂工具具有優(yōu)良的連接強(qiáng)度和抗沖蝕性能，可滿足充填防砂作業(yè)需要。該工具在QHD32-6-J15H1井充填防砂作業(yè)中取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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