細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂技術(shù)研究

，，， ， ，嚴(yán)孟，，

(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)

1 問題的提出

隨著海上油氣田不斷開發(fā)，油氣田基礎(chǔ)產(chǎn)量逐年遞減，部分主力油田進(jìn)入高含水階段，綜合含水有的已經(jīng)達(dá)到80%?！笆濉逼陂g，蓬萊油田群和曹妃甸油田群將聚焦綜合調(diào)整和剩余油挖潛，預(yù)計(jì)實(shí)施調(diào)整井千余井次。針對(duì)儲(chǔ)層穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和細(xì)分層系的需求，目前海上常用?244.5 mm生產(chǎn)套管完井，主要采用的一次多層防砂技術(shù)大多適用于高速水充填防砂[1-2]，難以滿足大排量和高壓力壓裂充填防砂的需要[3]。渤?，F(xiàn)有一次多層防砂管柱和工具的復(fù)雜性，其可實(shí)現(xiàn)最多1次6層防砂作業(yè)，無法滿足蓬萊油田群精密調(diào)整1次7層及以上的細(xì)分層系配注和開發(fā)的需要。本文在調(diào)研蓬萊油田采用1次2層高速水充填和單層逐級(jí)壓裂充填完井方式的9井次產(chǎn)量對(duì)比(圖1)發(fā)現(xiàn)，采用高速水充填作業(yè)的投產(chǎn)初期產(chǎn)量只達(dá)到油藏配產(chǎn)的66%，而采用壓裂充填作業(yè)的投產(chǎn)初期產(chǎn)量可達(dá)到油藏配產(chǎn)的108%。事實(shí)證明，一次多層壓裂充填防砂技術(shù)將成為油氣井穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)的必要手段。

a 高速水充填

自20世紀(jì)末引進(jìn)國(guó)外一次多層防砂技術(shù)以來，國(guó)內(nèi)外各大石油公司和專業(yè)技術(shù)服務(wù)公司均根據(jù)目標(biāo)油田的開發(fā)需要，通過消化吸收和量身定制，完成了適用技術(shù)的自主研究和產(chǎn)品配套。目前，國(guó)際市場(chǎng)上應(yīng)用較多和水平相對(duì)較高的有貝克休斯Mine-Beta、哈里伯頓STMZ[4-5]、中海油、東營(yíng)瑞豐和勝利鉆采等一次多層充填防砂技術(shù)，而具備細(xì)分層系一次多層大排量壓裂充填防砂能力的貝克休斯MST和哈里伯頓ESTMZ 等新技術(shù)一直面臨推廣應(yīng)用難度大等瓶頸。

1) 貝克休斯Mine-Beta、哈里伯頓STMZ和中海油等一次多層常規(guī)充填防砂技術(shù)在施工排量、壓力和適用層數(shù)上無法滿足細(xì)分層系大排量壓裂充填防砂以增注增產(chǎn)的需要。由于同類技術(shù)均采用雙層中心管和近百套密封組合聯(lián)動(dòng)的管柱結(jié)構(gòu)，其較大的循環(huán)摩阻制約了施工排量和耐壓級(jí)別的提升空間，且增加了海上配管作業(yè)的難度和施工風(fēng)險(xiǎn)。例如貝克休斯Mine-Beta和哈里伯頓STMZ技術(shù)，可滿足最多1次6層、最大施工排量4.8 m3/min、最大耐壓級(jí)別41.4 MPa和最大服務(wù)工具長(zhǎng)度300 m的極限工況；國(guó)內(nèi)以中海油為代表的現(xiàn)有一次多層防砂工具[6](如圖2)可滿足最多1次6層、最大施工排量3.5 m3/min，最大耐壓級(jí)別35 MPa和最大服務(wù)工具長(zhǎng)度300 m的作業(yè)需要。國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)均無法滿足1次7層及以上細(xì)分層系的防砂要求。

2) 貝克休斯MST(如圖3)和哈里伯頓ESTMZ技術(shù)的工具和篩管成本相對(duì)較高，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)效較低，以及后期存在大修作業(yè)難度大和生產(chǎn)滑套易砂堵的難題，且這2項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用業(yè)績(jī)較少，至今缺乏足夠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，未形成產(chǎn)業(yè)化。由于采用帶滑套的雙層篩管和單層沖管組合，基本不受層數(shù)和服務(wù)工具長(zhǎng)度的限制，其可滿足1次7層及以上細(xì)分層系、最大施工排量6.3 m3/min和最大耐壓級(jí)別69 MPa的極限工況，但其需要專用井口工具進(jìn)行防砂工具和篩管的井口連接和逐級(jí)試壓，其復(fù)雜性和時(shí)效差嚴(yán)重制約了其在海上高效需求下的應(yīng)用推廣。面對(duì)篩管內(nèi)置生產(chǎn)滑套易出現(xiàn)細(xì)粉砂堆積堵塞風(fēng)險(xiǎn)和后期大修難度大等難題，均缺乏配套的修井處理措施和后期可不動(dòng)管柱選擇性作業(yè)的提效解決手段，故這2種技術(shù)仍無法滿足海上細(xì)分層系防砂和配注開發(fā)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)需要。

1—地層；2—頂部封隔器；3—服務(wù)工具中心管；4—套管；5—隔離封隔器；6—滑套；7—充填礫石；8—篩管；9—沉砂封隔器；10—頂部封隔器坐封及脫手工具；11—內(nèi)層服務(wù)管柱；12—密封短節(jié)；13—充填短節(jié)；14—關(guān)閉工具；15—開關(guān)工具；16—單流閥。

1—頂部封隔器；2—滑套；3—內(nèi)置生產(chǎn)滑套的雙層篩管；4—隔離封隔器；5—內(nèi)層服務(wù)管柱；6—套管及射孔段；7—沉砂封隔器。

3) 針對(duì)海上完井技術(shù)中普遍存在的儲(chǔ)層保護(hù)難度大和施工復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，以及無法實(shí)現(xiàn)層間分隔的高效調(diào)整和薄油層精細(xì)分防砂的難題，當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)均未能有效地配套解決。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂工藝管柱，以解決現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用局限性，并進(jìn)行了關(guān)鍵工具的改進(jìn)和創(chuàng)新。通過施工參數(shù)模擬分析和對(duì)比國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)的特征參數(shù)，探討了細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂技術(shù)研究的必要性和適用性。

2 細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂管柱及關(guān)鍵工具

2.1 工藝管柱設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)一次多層細(xì)分層系壓裂充填防砂的目的，筆者在中海油一次多層成熟防砂工具的基礎(chǔ)上，采用雙層篩管防砂機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種適合海上一次多層細(xì)分層系和可承受壓差69 MPa的壓裂充填防砂工藝管柱。外層管柱包括頂部總成、篩管總成、隔離總成和底部總成，如圖4；服務(wù)管柱包括頂部轉(zhuǎn)換工具、沖管、充填轉(zhuǎn)換工具和生產(chǎn)滑套開關(guān)服務(wù)工具總成，如圖5。外層管柱的篩管總成采用不開孔基管設(shè)計(jì)，服務(wù)管柱的沖管內(nèi)部采用無中心管設(shè)計(jì)，可最大化降低循環(huán)摩阻和現(xiàn)場(chǎng)配管服務(wù)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，滿足細(xì)分層系大排量壓裂充填和儲(chǔ)層保護(hù)的需要，同時(shí)通過預(yù)置多段長(zhǎng)度≤6 m的隔離總成，可實(shí)現(xiàn)分層開采中后期的高效調(diào)整。

該管柱的主要工藝流程：①管柱下入。通過將服務(wù)管柱的充填短節(jié)和反循環(huán)閥放置外層管柱的充填滑套與底部密封筒之間，可實(shí)現(xiàn)管柱下入到位前的實(shí)時(shí)反循環(huán)洗井和到位后正循環(huán)免投球坐封壓裂頂部封隔器；②服務(wù)工具脫手和坐封全部隔離封隔器。正打壓脫手服務(wù)工具后，上提服務(wù)管柱使充填短節(jié)與上部所有隔離封隔器的傳壓孔連通，可實(shí)現(xiàn)一次打壓坐封所有隔離封隔器；③開關(guān)滑套和檢驗(yàn)隔離封隔器的密封性。通過上提和下放服務(wù)工具使開關(guān)、關(guān)閉工具選擇性地打開作業(yè)層段的充填滑套和循環(huán)滑套，然后通過正循環(huán)觀察環(huán)空返出和漏失對(duì)比以判斷隔離封隔器是否完全坐封；④循環(huán)測(cè)試和充填作業(yè)。首先下放服務(wù)管柱使機(jī)械定位工具與外層管柱定位接箍的精確定位，然后下壓一定載荷進(jìn)行大排量循環(huán)測(cè)試和充填作業(yè)；⑤反循環(huán)洗井作業(yè)。首先上提服務(wù)管柱使反循環(huán)閥和充填短節(jié)同時(shí)處于充填滑套的延伸筒內(nèi)，同時(shí)充填滑套關(guān)閉工具

圖4 外層管柱示意

圖5 服務(wù)管柱示意

可完全關(guān)閉充填滑套，然后反循環(huán)沖洗充填滑套和鉆桿內(nèi)部多余的砂礫，直至返出干凈；⑥驗(yàn)充填和驗(yàn)滑套密封性作業(yè)。首先下放服務(wù)管柱至充填作業(yè)位置，當(dāng)打開充填滑套時(shí)進(jìn)行正循環(huán)測(cè)試以檢驗(yàn)充填埋高深度，當(dāng)關(guān)閉充填滑套時(shí)進(jìn)行正循環(huán)測(cè)試以檢驗(yàn)滑套關(guān)閉后的密封可靠性；⑦重復(fù)步驟③～⑥。由下至上逐層完成充填，同時(shí)關(guān)閉所有滑套可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)，最后起出服務(wù)工具；⑧不動(dòng)管柱選擇性開關(guān)生產(chǎn)滑套作業(yè)。首先使用連續(xù)油管或電纜攜帶擴(kuò)張式開關(guān)工具和井下輔助動(dòng)力裝置通過生產(chǎn)管柱并到達(dá)預(yù)定滑套位置，然后通過管內(nèi)打壓或電力控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)工具徑向擴(kuò)張以滿足開關(guān)滑套需要，最后上提開關(guān)工具，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)滑套的選擇性開關(guān)。

2.2 可快速連接雙層篩管設(shè)計(jì)

雙層篩管主要由篩管過濾層、基管、上連接套、復(fù)合擋砂墊圈、雙層接箍、座掛接頭和下連接套組成，如圖6所示。上、下連接套和篩管過濾層與基管之間均采用內(nèi)部筋板一體式焊接以加強(qiáng)支撐，且滿足基管與過濾層之間足夠的生產(chǎn)過流面積。在井口連接雙層篩管時(shí)，首先使用井口卡瓦將下部篩管座掛在井口，再使用吊卡將上部篩管的上連接套插入下部篩管的雙層接箍?jī)?nèi)，直至扶正API套管公母螺紋順利對(duì)扣，最后使用常規(guī)套管鉗一次夾持完成雙層篩管內(nèi)外的同步連接，保證了雙層篩管連接的時(shí)效性和安全性。

圖6 雙層篩管結(jié)構(gòu)示意

2.3 防砂管預(yù)置井口快速試壓工具

為了滿足雙層篩管管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓裂充填防砂和分層配采配注的功能需要，研制了一種高效的井口試壓工具，以檢驗(yàn)整體防砂管柱連接后的密封可靠性。該工具主要由常閉式錨定密封和回插中心管組成，如圖7所示。常閉式錨定密封內(nèi)部預(yù)設(shè)有單向密封引鞋和帶復(fù)位彈簧的解鎖機(jī)構(gòu)。首先在防砂外層管柱底部安裝常閉式錨定密封，可在井口連接防砂管時(shí)不間斷地連接試壓接頭，即可快速完成下部防砂管柱試壓。同時(shí)可在下入防砂管時(shí)實(shí)現(xiàn)免灌漿作業(yè)，然后在全部外層管柱下入試壓合格后下入回插中心管及服務(wù)管柱，當(dāng)回插中心管插入試壓工具內(nèi)，并通過自鎖卡簧連接為一體時(shí)，最后上提服務(wù)工具解鎖釋放爪，可實(shí)現(xiàn)單向密封引鞋的剪切回收和防砂管柱的全通徑需要。

圖7 井口快速試壓工具

2.4 防砂管內(nèi)置一體式生產(chǎn)滑套

為了建立雙層篩管管柱進(jìn)行充填和分層配采配注的流動(dòng)通道，研制了與篩管集成一體下入的內(nèi)置生產(chǎn)滑套。該工具主要由雙層接箍、上接頭、V組密封、滑動(dòng)襯套、外筒、下接頭、連接套和復(fù)合擋砂墊圈組成，如圖8?；瑒?dòng)襯套與配套開關(guān)工具設(shè)計(jì)采用M形專用溝槽，可實(shí)現(xiàn)系列生產(chǎn)滑套的選擇性開關(guān)，同時(shí)通過外筒與上、下接頭間隙的過流通道最大化設(shè)計(jì)；采用與雙層篩管互換的連接方式，可進(jìn)行多級(jí)生產(chǎn)滑套的簇式布置以滿足后續(xù)雙層篩管層間沖砂洗井的作業(yè)需要。

圖8 一體式生產(chǎn)滑套

3 可行性研究

3.1 施工參數(shù)模擬分析

為了驗(yàn)證細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂管柱的參數(shù)適應(yīng)范圍，以KL10-1平臺(tái)B54井1次6層防砂作業(yè)井況為例，基于泵入流體的質(zhì)量和能量守恒，以及U形管壓力平衡規(guī)律[7]，進(jìn)行壓裂充填模擬和反循環(huán)模擬分析，如圖9～10。該井井深1 500 m，生產(chǎn)套管內(nèi)徑?220.5 mm，篩管外徑?162.5 mm，沖管外徑?101.6 mm，密封筒內(nèi)徑?120.65 mm，采用?139.7 mm鉆桿下入。分析使用20/40目陶粒，最大砂含量為1 200 kg/m3；同時(shí)考慮渤海常見一次多層用服務(wù)工具的中心管長(zhǎng)度為100～400 m。

圖9 壓裂充填模擬

經(jīng)壓裂正循環(huán)充填和反循環(huán)施工模擬分析發(fā)現(xiàn)，該管柱在400 m服務(wù)工具長(zhǎng)度下可滿足最大充填排量7 m3/min的泵壓為58.6 MPa，小于壓裂防砂管柱和井口設(shè)備的許用壓力級(jí)別69 MPa；在400 m服務(wù)工具長(zhǎng)度下可滿足最大反循環(huán)排量1.2 m3/min的泵壓為10.3 MPa，小于環(huán)空井筒和井口設(shè)備的安全壓力級(jí)別13.8 MPa。該技術(shù)采用雙層篩管和單層沖管組合，基本不受層數(shù)和服務(wù)工具長(zhǎng)度的限制。優(yōu)選高黏度的交聯(lián)膠，提高攜砂能力。與常規(guī)一次多層充填防砂技術(shù)和國(guó)外同類ESTMZ技術(shù)相比，該技術(shù)還可以進(jìn)一步滿足最大1 200 m服務(wù)工具長(zhǎng)度、最大充填排量7 m3/min、最大耐壓級(jí)別69 MPa、1次7層及以上細(xì)分層系壓裂充填防砂的作業(yè)需要。

圖10 反循環(huán)模擬

3.2 技術(shù)對(duì)比分析

為了深入論證適合海上常用?244.5 mm生產(chǎn)套管細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂技術(shù)的適用性，對(duì)國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)的調(diào)研和評(píng)估，如表1～3[8-11]。

表1 國(guó)內(nèi)外一次多層壓裂充填防砂的參數(shù)對(duì)比

表2 國(guó)內(nèi)外一次多層壓裂充填防砂的優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

表3 國(guó)內(nèi)外1次5層壓裂充填防砂的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

經(jīng)國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可適用于1次7層及以上細(xì)分層系一次多層壓裂防砂的需要，可滿足最大服務(wù)工具長(zhǎng)度1 200 m，最大壓裂充填施工排量7 m3/min和最大工作壓差69 MPa的技術(shù)要求，且雙層篩管結(jié)構(gòu)具備了防止完井液漏失以保護(hù)儲(chǔ)層的功能優(yōu)勢(shì)。通過可快速連接的雙層篩管、防砂管預(yù)置井口快速試壓工具和防砂管內(nèi)置一體式生產(chǎn)滑套等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，保證了其較高的技術(shù)時(shí)效性和先進(jìn)性。除此之外，以渤海某井1次5層300 m射孔段進(jìn)行壓裂充填防砂為例，該技術(shù)在扣除篩管額外增加成本后，可節(jié)省人員成本、鉆井船日費(fèi)、設(shè)備租賃等費(fèi)用近20萬元。

4 結(jié)論

1) 通過對(duì)國(guó)內(nèi)外一次多層充填防砂技術(shù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用雙層篩管原理進(jìn)行一次多層細(xì)分層系大排量壓裂充填防砂的完井方式相對(duì)可行。鑒于國(guó)外MST和ESTMZ同類技術(shù)的諸多適用局限性，研究了一種適合海上一次多層細(xì)分層系壓裂充填防砂技術(shù)。

2) 對(duì)細(xì)分層系一次多層壓裂充填防砂管柱及可快速連接的雙層篩管、防砂管預(yù)置井口快速試壓工具和防砂管內(nèi)置一體式生產(chǎn)滑套等關(guān)鍵工具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)不能滿足海上高效1次7層及以上細(xì)分層系大排量壓裂充填防砂作業(yè)的局限性，為實(shí)現(xiàn)細(xì)分層系防砂與配采配注目標(biāo)給出了具體可行的解決方案。

3) 壓裂充填和反循環(huán)模擬分析發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在400 m服務(wù)工具長(zhǎng)度下可滿足最大充填排量7 m3/min的泵壓為58.6 MPa，且可滿足最大反循環(huán)排量1.2 m3/min的泵壓為10.3 MPa；與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)相比，還可進(jìn)一步滿足最大1 200 m服務(wù)工具長(zhǎng)度、最大充填排量7 m3/min、最大耐壓級(jí)別69 MPa、1次7層及以上細(xì)分層系壓裂充填防砂的作業(yè)需要。

4) 一次多層細(xì)分層系壓裂充填防砂技術(shù)具有作業(yè)時(shí)效性高、功能優(yōu)勢(shì)多等先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)在扣除篩管額外增加成本后，節(jié)省了人員工時(shí)、鉆井船日費(fèi)、設(shè)備租賃等費(fèi)用。具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)拓展價(jià)值。