水平井篩管分段噴射解卡工具研制與試驗

劉言理

(中國石油大港油田分公司石油工程研究院，天津 300280)

海上油田由于井位有限，為獲得較高產(chǎn)量多采用水平井或大斜度井開發(fā)，井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。大港灘海油田埕海一區(qū)主力含油層系為沙河街組和館陶組，出砂較為嚴重，均采用懸掛篩管或礫石充填完井。目前近30%的油井篩管防砂失效，需要進行篩管打撈作業(yè)，然后進行二次防砂完井。在篩管打撈過程中出現(xiàn)了篩套環(huán)空被充填礫石和地層砂堵住，導(dǎo)致篩管無法拔出的情況，常規(guī)的直井套銑打撈工藝在水平井中由于套銑筒長度過長而無法使用。因此急需研制一套水平井篩管解卡工具，實現(xiàn)水平井失效長篩管的快速打撈。沙磊等人[1-2]研究了井下液力提拉解卡打撈技術(shù)，通過液壓錨定裝置和液壓拉拔裝置提高有效解卡力；李貴川等人[3-9]研究了防砂管柱水力內(nèi)切割等技術(shù)，采用水力與機械聯(lián)合控制的方式對失效篩管進行切割，然后分多次打撈。但上述方法都無法實現(xiàn)對水平井較長篩管任意位置的分段解卡，無法將篩套環(huán)空中的砂清除干凈，致使篩管在打撈過程中仍存在較高的砂卡風(fēng)險；且上述打撈工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高。為此，筆者研制了導(dǎo)流式小直徑噴射裝置和一體式多級封隔沖砂裝置，并與小直徑?jīng)_管、φ73.0 mm油管、專用吊卡等配合使用，形成了水平井篩管分段噴射解卡工藝，實現(xiàn)了水平井失效篩管的快速解卡打撈。

1 篩管分段噴射解卡工具的研制

1.1 導(dǎo)流式小直徑噴射裝置

水平井完井篩管長度均在20.00 m以上，為建立有效的篩套環(huán)空砂清洗通道，篩管每隔5.00 m進行噴砂射孔。利用導(dǎo)流式小直徑噴射裝置在篩管壁上噴射出孔眼，通過孔眼將篩套環(huán)空中的砂清洗出來。

導(dǎo)流式小直徑噴射裝置主要由上接頭、紫銅密封圈、厭氧鎖固脂、橡膠密封圈、噴嘴、硬質(zhì)合金涂層、本體、導(dǎo)流棒和導(dǎo)向頭組成(見圖1)。其中上接頭與本體采用螺紋連接，上接頭螺紋端部安置橡膠密封圈實現(xiàn)一級密封，在螺紋上涂抹厭氧鎖固脂實現(xiàn)二級密封和防轉(zhuǎn)動的功能，在上接頭外部臺階處安置紫銅密封圈實現(xiàn)三級密封。噴嘴采用硬質(zhì)合金耐磨材質(zhì)制作，與本體通過螺紋連接，噴嘴螺紋末端安置有橡膠密封圈，實現(xiàn)與本體之間的密封。噴嘴液流腔采用組合錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(如圖2所示)，一級錐角設(shè)計為25°，二級錐角設(shè)計為13°，以實現(xiàn)磨料粒子充分加速，同時延長噴嘴壽命[10]。噴射裝置內(nèi)腔設(shè)計有導(dǎo)流棒，導(dǎo)流棒頂部采用90°圓錐設(shè)計，引導(dǎo)液體流向噴嘴，圓錐表面涂有硬質(zhì)合金涂層，以降低磨損。導(dǎo)流棒與本體采用螺紋連接。該噴射裝置的總長度為360.0 mm，外徑為56.0 mm，內(nèi)徑為24.0 mm;噴嘴內(nèi)徑為5.0 mm。

圖1 導(dǎo)流式小直徑噴射裝置Fig.1 The diversion type small diameter jetting device

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 The nozzle structure

1.2 一體式多級封隔沖砂裝置

在對篩管進行定點噴砂射孔后，進行分段沖砂作業(yè)，分段沖砂需要將相鄰噴射孔眼封隔，因此設(shè)計了一體式多級封隔沖砂裝置，通過四級封隔皮碗實現(xiàn)封隔。

一體式多級封隔沖砂裝置主要由上接頭、中心管、一級封隔皮碗、二級封隔皮碗、三級封隔皮碗、四級封隔皮碗、頂絲和導(dǎo)向頭組成(見圖3)，內(nèi)腔為全通徑。其中,上接頭與中心管為一體件，以充分保證機械強度，中心管外部加工有4段螺紋，4級封隔皮碗通過螺紋依次連接在中心管上。中心管相鄰螺紋段之間為縮頸結(jié)構(gòu)，封隔皮碗被壓縮后緊貼縮頸，與上接頭、導(dǎo)向頭保持外徑一致。同時設(shè)計了頂絲，以防止產(chǎn)生零件之間的相互轉(zhuǎn)動。該沖砂裝置的總長度為740.0 mm，皮碗最大外徑為66.0 mm，剛體外徑為56.0 mm，內(nèi)通徑為24.0 mm。

圖3 一體式多級封隔沖砂裝置Fig.3 Integrated multi-stage sealing sand-washing device

單個封隔皮碗結(jié)構(gòu)[11]主要由皮碗本體、上頂絲、上鎖環(huán)、硫化金屬環(huán)、下鎖環(huán)和下頂絲組成(見圖4)。其中，上鎖環(huán)、硫化金屬環(huán)及下鎖環(huán)均通過螺紋與中心管連接，硫化金屬環(huán)外表面加工有凹槽，通過硫化與皮碗本體成為一體。上鎖環(huán)與下鎖環(huán)將硫化金屬環(huán)擠壓在中間防止硫化金屬環(huán)松動，同時設(shè)計了上頂絲和下頂絲使封隔皮碗結(jié)構(gòu)成為一個不會發(fā)生松動和轉(zhuǎn)動的整體。皮碗采用雙級錐度組合，以提高入井順暢程度，降低皮碗入井過程中的磨損。

圖4 封隔皮碗結(jié)構(gòu)Fig.4 The packer cup structure

2 工藝管柱結(jié)構(gòu)

水平井篩管分段噴射解卡工具主要包括2套管柱結(jié)構(gòu)，分別是小直徑噴砂射孔管柱和一體式多級封隔沖砂管柱。

2.1 小直徑噴砂射孔管柱結(jié)構(gòu)

原井筒結(jié)構(gòu)最外側(cè)為油層套管，懸掛器坐掛在油層套管上，底部懸掛擋砂篩管，篩管與套管環(huán)空之間充填擋砂礫石，形成礫石充填層，實現(xiàn)以砂防砂。

小直徑噴砂射孔管柱主要包括噴射裝置、變扣接頭、小直徑?jīng)_管和油管，如圖5所示。其中，小直徑?jīng)_管外徑為56.0 mm，以確?？梢赃M入φ73.0 mm篩管(內(nèi)徑為62.0 mm)內(nèi)腔。小直徑?jīng)_管總長度要大于失效篩管總長度，以便于噴射裝置進入篩管內(nèi)腔實現(xiàn)任意位置的噴砂射孔。同時，相鄰兩噴射孔眼距離要大于一體式多級封隔沖砂裝置總長度，以實現(xiàn)有效封隔。噴砂射孔作業(yè)從下到上依次進行。

圖5 小直徑噴砂射孔管柱Fig.5 The small diameter sandblasting perforating string

2.2 一體式多級封隔沖砂管柱結(jié)構(gòu)

一體式多級封隔沖砂管柱主要包括沖砂裝置、變扣接頭、小直徑?jīng)_管和油管，如圖6所示。其中，沖砂裝置剛體外徑最大為56.0 mm，以確保可以進入篩管內(nèi)腔，皮碗最大外徑為66.0 mm，皮碗進入篩管內(nèi)腔后與篩管內(nèi)壁過盈緊貼實現(xiàn)封隔。沖砂流體流動方向如圖6中紅色箭頭所示，分段沖砂從上往下依次進行。

圖6 一體式多級封隔沖砂管柱Fig.6 The integrated multi-stage sealing and sand-washing string

3 工作原理與技術(shù)特點

3.1 工作原理

將小直徑噴砂射孔管柱下至預(yù)定位置，在失效篩管上進行噴砂射孔，射孔結(jié)束后上提管柱進行下一位置的噴砂射孔。全部點位噴砂射孔結(jié)束后起出小直徑噴砂射孔管柱，下入一體式多級封隔沖砂管柱，使封隔皮碗位于相鄰噴射孔眼之間，然后從油套環(huán)空泵入液體反循環(huán)沖砂，沖洗至出口無砂后下放管柱到下一沖砂段，重復(fù)沖砂過程。最終將篩管和油層套管之間的砂全部清洗出來，解除篩管外部砂卡，下一步下?lián)泼驌?，實現(xiàn)水平井失效篩管的快速解卡打撈。

3.2 技術(shù)特點

1) 實現(xiàn)了小直徑篩管內(nèi)部噴砂射孔。研制的導(dǎo)流式小直徑噴射裝置最大外徑為56.0 mm，可以進入φ73.0 mm篩管內(nèi)部，實現(xiàn)了任意設(shè)計位置的噴砂射孔作業(yè)，砂漿流動方向可控，避免了噴射磨料堆積堵塞。

2) 提高了長篩管打撈成功率。一體式多級封隔沖砂裝置下至設(shè)計位置后通過在不同位置噴砂射孔建立沖砂通道，將長篩管外部的砂分段清洗干凈，避免在上提篩管過程中發(fā)生砂卡，提高了長篩管的打撈成功率。

3) 降低了打撈力。由于將篩套環(huán)空中的砂清除干凈，在上提篩管過程中，增加的懸重只是篩管的重量，避免了大修作業(yè)，確保了作業(yè)的經(jīng)濟、安全。

4 工藝流程

水平井篩管分段噴射解卡的工藝流程為：

1) 施工準備。向井筒內(nèi)擠入一定量清水，關(guān)井擴散壓力，使篩套環(huán)空間的砂變得松散。

2) 通井洗井。下入底部帶橄欖形通井規(guī)、試壓球座和泄油器的通井管柱通井至懸掛器頂部，到位后調(diào)整成洗井管柱。大排量反循環(huán)洗井直至進出口液體一致，洗井后對油管試壓。

3) 內(nèi)沖砂。下入底部帶沖管的內(nèi)沖砂管柱沖砂至篩管末端的絲堵位置，將防砂管柱內(nèi)的沉積細砂沖洗干凈。

4) 噴砂射孔。管柱組合為噴射裝置+φ56.0 mm沖管+變扣接頭+φ73.0 mm外加厚油管至井口。將噴嘴對準設(shè)計位置，接正洗管線，循環(huán)正常后加砂，砂比為5%～8%，同時計時10 min進行噴砂射孔，加砂結(jié)束后繼續(xù)正洗頂替至出口無砂，調(diào)整管柱自下而上依次進行噴砂射孔。

5) 內(nèi)沖砂。下入底部帶沖洗頭和φ56.0 mm沖管的內(nèi)沖砂管柱沖至絲堵位置。大排量反循環(huán)洗井，直至出口無砂。

6) 分段封隔沖砂。管柱結(jié)構(gòu)為封隔沖砂裝置+φ56.0 mm沖管+變扣接頭+φ73.0 mm外加厚油管至井口。進行反循環(huán)沖砂作業(yè)，封隔器分別在對應(yīng)噴砂射孔位置以上2.00 m處，自上而下分段大排量反沖篩管外砂，每個點要求沖洗至出口無砂為止。

7) 起出分段封隔沖砂管柱，下入打撈管柱進行打撈篩管作業(yè)。

5 室內(nèi)試驗與參數(shù)優(yōu)選

國內(nèi)外許多學(xué)者針對套管噴砂射孔技術(shù)做過大量研究，較優(yōu)的噴射參數(shù)為：排量600～800 L/min，砂比6%～8%，磨料粒徑0.4～0.6 mm，施工壓力30～40 MPa，噴嘴尺寸4.0～7.0 mm[12-16]。結(jié)合現(xiàn)場實際情況優(yōu)選噴射參數(shù)，在實現(xiàn)對篩管高效噴砂射孔的同時避免對套管的損傷?，F(xiàn)場單臺泵車最大排量為500 L/min，優(yōu)選排量300～400 L/min；砂比控制在3%～5%；磨料選用常見的石英砂，粒徑0.425～0.850 mm；攜砂液選用清水；現(xiàn)場泵車施工壓力不允許超過25 MPa，優(yōu)選16～25 MPa；設(shè)計2個噴嘴，直徑為5.0 mm。

室內(nèi)試驗中，首先單獨對篩管進行噴砂射孔試驗，噴射2 min時φ73.0 mm篩管被射穿，5 min時篩管被完全射穿且繼續(xù)噴射后噴射孔眼直徑?jīng)]有變化，最終射孔直徑保持在13.0～18.0 mm。隨后將φ73.0 m篩管放置在φ139.7 mm的短套管中，并將篩套環(huán)空填滿直徑為0.425～0.850 mm的陶粒，第一組試驗中用噴射裝置對篩管進行噴砂射孔，連續(xù)噴射5 min后停止噴射。拆除篩管檢驗噴射孔徑和對套管的影響，發(fā)現(xiàn)篩管已射穿，孔徑為11.0～13.0 mm，套管內(nèi)壁沒有損傷。第二組試驗施工參數(shù)與第一組完全一致，連續(xù)噴射10 min，篩管完全射穿，孔徑為14.0～18.0 mm，套管內(nèi)壁沒有損傷。第三組試驗施工參數(shù)與第一組完全一致，連續(xù)噴射15 min，篩管完全射穿，孔徑為14.0～18.0 mm，射孔孔徑?jīng)]有增大，套管內(nèi)壁出現(xiàn)點蝕狀損傷，但對套管整體強度幾乎沒有影響，噴嘴表面基本沒有磨損，保持較好的完整性和可再用性。需要說明的是，由于篩管段及噴砂射孔位置對應(yīng)油層，其套管本身已用射孔槍進行了射孔作業(yè)，即使在噴射施工過程中因?qū)κ┕?shù)控制不精準而出現(xiàn)了噴傷套管的情況，對套管本體強度、井筒完整性及后續(xù)防砂施工等均不會產(chǎn)生影響。

試驗結(jié)果表明，最佳篩管噴射參數(shù)為：排量300～400 L/min，砂比3%～5%，磨料粒徑0.425～0.850 mm，施工壓力16～25 MPa，噴射時間10 min。該套參數(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)篩管高效噴砂射孔，建立有效的大尺寸沖砂通道，同時可以通過控制噴射時間，避免對套管造成損傷。

6 現(xiàn)場試驗

6.1 整體情況

大港灘海油田埕海一區(qū)莊海8斷塊高部位主力層位為沙河街組、館陶組和明化鎮(zhèn)組，地層巖石膠結(jié)疏松，在生產(chǎn)過程中出砂嚴重，多采用懸掛篩管完井或礫石充填完井。該區(qū)塊水平井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，篩管失效后由于外部環(huán)空充滿砂而導(dǎo)致打撈難度極大。水平井篩管分段噴射解卡工藝在該區(qū)塊的4口停產(chǎn)井進行了現(xiàn)場試驗(結(jié)果見表1)，噴砂射孔后解卡成功率100%，打撈成功率100%，實現(xiàn)了水平井失效篩管的快速解卡打撈，降低了施工成本，縮短了油井投產(chǎn)時間。

表1 水平井篩管分段噴射解卡工藝現(xiàn)場試驗結(jié)果Table 1 Staged jetting screen releasing tool for horizontal wells and field application effect

截至2017年11月底，4口井累計增油4 914.0 t，增注6 565.0 m3，應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益顯著。下面以莊海1#井為例介紹現(xiàn)場具體試驗情況。

6.2 典型井例

莊海8斷塊為疏松砂巖油藏，地層出砂嚴重，莊海1#井在2014年10月采用“篩管+礫石充填”方式完井，完井篩管管柱結(jié)構(gòu)如圖7所示。該井在投產(chǎn)26個月后出砂嚴重、篩管防砂失效，為盡快恢復(fù)產(chǎn)能需打撈原井篩管后進行二次防砂完井。首先下入專用撈矛將懸掛器單獨打撈出井，再用可退式撈矛對篩管進行多次打撈，在修井機提拉力達到650 kN的情況下未能將篩管撈出，判斷篩套環(huán)空砂卡嚴重。分析后決定采用水平井篩管分段噴射解卡工藝解除篩管砂卡，實現(xiàn)失效篩管的快速有效打撈。

噴射施工前對篩套之間充滿砂的情況進行了確認，下入套銑筒，到達篩管頂部后遇阻，多次活動后仍無進尺。

噴砂射孔管柱下至預(yù)定位置后，在井深3 164.00，3 157.00，3 148.00，3 140.00，3 132.00和3 124.00 m的6個位置自下而上依次進行噴砂射孔，噴射過程中排量為300～400 L/min，砂比為3%～5%，磨料粒徑為0.425～0.850 mm，施工壓力為16～25 MPa，每個點位噴砂射孔10 min。噴射結(jié)束后下入內(nèi)沖管柱將篩管內(nèi)腔的砂沖洗出來，然后下入分段封隔沖砂管柱，封隔皮碗分別在對應(yīng)噴砂射孔位置以上2.00 m處封隔，自上而下分段大排量反沖洗篩管外的砂，在出口處用濾網(wǎng)收集砂，共計收集0.33 m3砂，與篩套環(huán)空實際容積匹配，由此可以判斷篩管外的砂已被完全沖洗干凈。同時再次下入10.00 m套銑筒驗證沖砂效果，套銑筒到達篩管頂部未遇阻，順利將第一根篩管完全套住，證明篩套環(huán)空中的砂確實已沖洗干凈。

圖7 莊海1#井失效篩管管柱Fig.7 Failed screen string in Well Zhuanghai 1#

下入撈矛打撈失效篩管，管柱原懸重220 kN，順利將管柱提起后管柱懸重穩(wěn)定在250 kN，說明整個篩管串已完全解卡。后測量起出篩管的噴射孔眼，發(fā)現(xiàn)噴射孔眼直徑在14.0～16.0 mm，說明建立了篩套環(huán)空砂的有效流動通道，噴砂射孔效果較好。

該井隨后進行了二次防砂完井，油井投產(chǎn)后初期日產(chǎn)油15.9 t，日產(chǎn)液49.4 m3，截至2017年11月底已穩(wěn)定生產(chǎn)216 d，共計增產(chǎn)原油2 218.0 t，經(jīng)濟效益顯著。

7 結(jié)論與建議

1) 研制的導(dǎo)流式小直徑噴射裝置優(yōu)化了砂漿的流動方向，延長了工具的使用壽命，可順利進入φ73.0 mm篩管內(nèi)腔實現(xiàn)噴射射孔。研制的一體式多級封隔沖砂裝置整體機械強度高，皮碗封隔效果可靠，結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便。

2) 水平井篩管分段噴射解卡工藝噴砂射孔效果和沖砂效果較為理想，可建立有效的沖砂通道并解除篩管外部砂卡，實現(xiàn)水平井較長篩管任意位置分段解卡和水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井失效篩管的快速打撈。

3) 該技術(shù)在大港灘海油田4口水平井進行了現(xiàn)場試驗，大大降低了作業(yè)成本、縮短了施工周期，經(jīng)濟效益顯著，有效盤活了失效水平井，為灘海油田中后期的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

4) 該技術(shù)在水平井割縫篩管分段解卡中應(yīng)用效果較好，在精密復(fù)合篩管中由于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜還不適用，因此建議下一步對適用于精密復(fù)合篩管分段解卡的配套工具及工藝進行攻關(guān)研究。

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