中短半徑井眼固井防砂一體化管柱研究與試驗(yàn)

郝宙正， 左 凱， 劉禹銘， 李 寧， 魏愛拴， 王明杰

（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）

渤海油田的一些區(qū)塊已進(jìn)入開發(fā)中后期，開發(fā)效果逐漸變差，部分區(qū)塊產(chǎn)量年遞減率達(dá)到8%～10%，嚴(yán)重影響了渤海油田的經(jīng)濟(jì)效益。為了有效治理低產(chǎn)低效井，渤海油田引進(jìn)了固井防砂一體化技術(shù)[1-3]。該技術(shù)可有效開發(fā)老井未受控面積內(nèi)的剩余油，降低鉆井成本，有效規(guī)避淺層防碰風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜地層作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

固井防砂一體化技術(shù)作為一種治理低產(chǎn)低效井的技術(shù)措施，國內(nèi)對(duì)其的研究始于20 世紀(jì)90 年代初，經(jīng)過多年的發(fā)展，大慶油田、大港油田及勝利油田等已有該技術(shù)成功應(yīng)用的案例。固井防砂一體化施工工藝有2 類：1）不鉆塞篩管頂部注水泥防砂工藝，在裸眼內(nèi)下入篩管，油層以上井段采用內(nèi)管法通過分級(jí)箍進(jìn)行注水泥作業(yè)，封固裸眼段復(fù)雜地層；2）需要鉆塞的篩管頂部注水泥防砂完井工藝，防砂篩管隨生產(chǎn)套管下入，套管與防砂篩管之間為固井分級(jí)箍，分級(jí)箍與防砂篩管間用管外封隔器封隔固井段與防砂段，防砂篩管與套管下至設(shè)計(jì)位置后，套管內(nèi)投固井膠塞，通過分級(jí)箍進(jìn)行注水泥作業(yè)，候凝結(jié)束需要進(jìn)行鉆塞作業(yè)。這2 類施工工藝均只能進(jìn)行簡易防砂，不能進(jìn)行礫石充填防砂，作業(yè)時(shí)間較長，且沒有適用于中短半徑裸眼井的管柱。為此，筆者針對(duì)渤海油田開發(fā)情況與技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套適用于中短半徑井眼的固井防砂一體化管柱，可以實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成上部井段的固井作業(yè)和下部儲(chǔ)層段選擇性固井及礫石充填防砂作業(yè)，作業(yè)結(jié)束后通過投放鉆桿膠塞實(shí)現(xiàn)了鉆桿清潔和碰壓顯示，無需鉆除水泥塞，可避免水泥漿對(duì)儲(chǔ)層的污染。

1 固井防砂一體化管柱

適用于中短半徑井眼的固井防砂一體化外管柱主要由頂部防回流固井總成、中部隔離總成和底部導(dǎo)流充填總成組成，如圖1 所示。

圖 1 固井防砂一體化外管柱Fig. 1 Integrated cementing/sand control outer pipe string

1.1 頂部防回流固井總成

頂部防回流固井總成由外層工具和內(nèi)層工具組成：外層工具主要包括頂部封隔器、循環(huán)滑套、防回流固井滑套和快速接頭等；內(nèi)層工具由坐封工具、送入工具、轉(zhuǎn)換工具、平衡機(jī)構(gòu)、充填/固井總成、選擇性單向閥、選擇定位器等組成（見圖2）。為了保證固井質(zhì)量，避免因固井滑套關(guān)閉失效導(dǎo)致的水泥回流，采用帶單向閥的防回流固井滑套總成，固井作業(yè)過程單向閥打開，水泥漿經(jīng)單向閥至固井段，固井作業(yè)結(jié)束后單向閥永久關(guān)閉，有效保證了固井作業(yè)的安全性。研制了一種鉆桿碰壓閥（見圖3），可滿足大排量正循環(huán)和反循環(huán)清洗殘余水泥漿作業(yè)，當(dāng)注水泥作業(yè)結(jié)束后，投放鉆桿膠塞使飛鏢頭與碰壓心鎖緊，通過鉆桿緩慢加壓至9 MPa 剪斷銷釘，活塞下移，建立清洗循環(huán)通道，以保證固井作業(yè)結(jié)束后鉆桿內(nèi)壁無殘余的水泥漿，確保固井作業(yè)安全[4]。

圖 2 固井防砂一體化內(nèi)管柱Fig. 2 Integrated cementing/sand control inner pipe string

圖 3 鉆桿碰壓閥Fig. 3 Drill pipe pressure valve

1.2 中部隔離總成

中部隔離總成由2 組水力擴(kuò)張式封隔器組成，該封隔器以膨脹膠筒為密封單元，并配有組合閥系，可實(shí)現(xiàn)油、氣、水井的永久密封，其中膨脹膠筒采用外徑178.2 mm 的薄壁膠筒，可以滿足φ193.2～φ248.2 mm 中短半徑井眼的通過性要求。

1.3 底部導(dǎo)流充填總成

為了保證充填滑套內(nèi)部的清潔，減輕砂漿對(duì)裸眼井壁的直接沖刷，降低地層坍塌和局部變形可能造成堵塞和充填失敗的風(fēng)險(xiǎn)，采用帶導(dǎo)流罩的充填滑套總成（見圖4）。充填作業(yè)之前該滑套總成處于開啟狀態(tài)，始終保持靜液柱壓力對(duì)裸眼井壁的作用，以防止井壁坍塌；充填過程中[5-6]砂漿流經(jīng)導(dǎo)流罩將徑向流動(dòng)變?yōu)榍芯€流動(dòng)，以減輕砂漿對(duì)裸眼井壁的沖刷，保證充填效果和作業(yè)安全。充填篩管選用外徑160.5 mm，內(nèi)徑124.2 mm 的繞絲篩管，中心管選用φ101.6 mm 沖管，沖篩比0.818，裸眼井壁內(nèi)徑220.9 mm，砂環(huán)厚度30.2 mm。

圖 4 導(dǎo)流充填滑套總成Fig. 4 Diversion packing sliding sleeve assembly

2 管柱功能性評(píng)價(jià)

管柱功能性是指管柱通過曲率變化井段的能力[7]，管柱下入過程中，由于井眼曲率和管柱剛性的影響，管柱下入時(shí)遇阻視為不適用。為了驗(yàn)證固井防砂一體化管柱在中短半徑井眼中的通過能力，筆者分析了固井防砂一體化管柱在工況相對(duì)復(fù)雜井眼中的受力情況，計(jì)算了管柱可通過的最大井眼曲率和管柱局部部件的剛性長度，并選擇了施工參數(shù)。計(jì)算分析所用參數(shù)：井眼直徑220.9 mm，井深3 532.00 m，垂深2 542.00 m，最大井斜角90°，最大狗腿度15°/30m，水平段長380.00 m，管柱最大外徑218.5 mm，防回流固井滑套外徑200.00 mm，擴(kuò)張式封隔器外徑178.2 mm，φ139.7 mm盲管長度520.00 m，φ160.5 mm 篩管長度400.00 m。

2.1 管柱安全性分析

針對(duì)中短半徑井眼曲率大的特點(diǎn)，模擬在最大狗腿度15°/30 m 的裸眼井段中下入外徑218.5 mm、內(nèi)徑47.00 mm 的雙層復(fù)合管串，由于裸眼井段井壁存在不確定性，固井防砂一體化管柱在下入過程中的受力情況較為復(fù)雜，但摩擦阻力是影響管柱下入的重要因素[8]，采用Landmark 軟件的剛性模型計(jì)算管柱下入時(shí)的摩擦阻力，分析管柱的應(yīng)力。模擬所用參數(shù)：大鉤載荷250 kN，完井液密度1.03 kg/L，套管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)為0.1～0.3，裸眼井段的摩擦系數(shù)為0.2～0.3，固井段長400.00 m，充填段長400.00 m。

計(jì)算結(jié)果顯示：固井防砂一體化管柱下入過程中的最大懸重為850 kN，上提過程的最大懸重為1 360 kN，且上提、下放過程未出現(xiàn)螺旋彎曲現(xiàn)象；在下入過程中，其在不同摩擦系數(shù)下的懸重曲線趨勢(shì)一致，變化幅度有限，且未出現(xiàn)螺旋彎曲現(xiàn)象。

分析固井防砂一體化管柱入井時(shí)的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：在下入過程中，其所受的最大應(yīng)力出現(xiàn)在井深2 970.00 m（狗腿度15°/30m）處，最大側(cè)向力為12.5 kN；在上提過程中，其所受的最大應(yīng)力出現(xiàn)在井深2 000.00 m（狗腿度15°/30m）處，其最大側(cè)向力為36.5 kN，經(jīng)計(jì)算其在該處的等效側(cè)應(yīng)力為133 MPa，低于材料的許用屈服強(qiáng)度651 MPa，且管柱上提下放時(shí)轉(zhuǎn)速為0 r/min，不承受扭矩載荷。

2.2 管柱通過性分析

2.2.1 可通過最大井眼曲率

對(duì)于井眼曲率較大的井，管柱下放時(shí)既要能克服下入摩擦阻力，還要能保證管柱能通過的最大井眼曲率大于實(shí)鉆井眼曲率。井眼曲率是決定管柱在彎曲段通過性的重要參數(shù)，一般井眼曲率越大，管柱的磨損越嚴(yán)重，管柱損毀的風(fēng)險(xiǎn)越大。因此，在這種情況下需要判斷管柱在最大井眼曲率處的可通過性[9-11]，計(jì)算其可通過的最大井眼曲率。

管柱可通過的最大井眼曲率公式為：

式中：Cm為允許通過最大井眼曲率，（°）/30m；σs為管柱材料的屈服強(qiáng)度，MPa；D0為管柱外徑，m；K1和K2為安全系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)，API 推薦K1取1.8、K2取3.0，IACD 推薦K1取1.2～1.25、K2取2.0～2.5。

在管柱實(shí)際下入過程中，管柱在彎曲井段的通過性會(huì)受到軸向力的影響。在不同軸向力作用下，管柱可承受的最大彎曲應(yīng)力也隨之變化，軸向力越大，其可承受的最大彎曲應(yīng)力越小。考慮軸向力作用時(shí)，管柱允許通過的最大井眼曲率為：

式中：Cmp為考慮軸向力作用時(shí)允許通過最大井眼曲率，（°）/30m；Fj為套管螺紋抗拉強(qiáng)度，kN；Fe為有效軸向力，kN；D0為管柱外徑，cm；A為管柱橫截面積，cm2；K為綜合考慮安全和螺紋應(yīng)力集中等因素的系數(shù)，取1.65。

綜上所述，判斷管柱能否安全通過彎曲井段的關(guān)系式為：

式中：CmAPI為不考慮軸向力時(shí)API 推薦允許通過最大井眼曲率，（°）/30m；CmIADC為不考慮軸向力時(shí)IADC 推薦允許通過最大井眼曲率，（°）/30m；Cmh為推薦允許通過最大井眼曲率，（°）/30m。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)管柱最大外徑D0為0.190 m，管柱材料屈服強(qiáng)度σs為686 MPa 時(shí)，CmAPI為11.16°/30m，CmIADC為19.28°/30m，Cmp為10.01°/30m，很明顯在考慮軸向力時(shí)，管柱可通過的最大井眼曲率Cmp小于CmAPI和CmIADC。

2.2.2 管柱相容性

管柱在下入過程中除考慮力學(xué)問題外，還存在幾何問題，即管柱剛度太大導(dǎo)致下入過程中遇阻。

考慮井下管柱變形受到井眼的限制，筆者基于剛性條件下的約束幾何模型（見圖5），計(jì)算防回流固井滑套等剛性結(jié)構(gòu)可通過的最大井眼曲率半徑和特定井眼曲率下可通過的最大不可彎曲長度，如局部剛性部件的實(shí)際長度小于管柱最大允許通過剛性長度，則可推斷該管柱的局部部件在下入過程會(huì)不會(huì)中途遇阻，是否可以安全下入。

圖 5 剛性部件通過井眼曲率的約束幾何模型Fig. 5 Constrained geometric model of the rigid part passing through the curvature of wellbore

管柱的剛性部件通過彎曲井眼的長度，根據(jù)實(shí)測(cè)井眼數(shù)據(jù)和管柱尺寸求得，計(jì)算公式為：

其中

式中：Lt為可通過的剛性長度，m；R為井眼的曲率半徑，m；Db為井眼直徑，m；D1為剛性部件的上部直徑，m；D2為剛性部件的下部直徑，m；d為剛性部件的中部直徑，m；n為井眼狗腿度，（°）/30m。

經(jīng)分析計(jì)算，固井防砂一體化管柱可通過的最大狗腿度為19.28°/30m，井眼曲率半徑為89.20 m，求得此時(shí)可通過的剛性長度為3.48 m，大于防回流固井滑套（長度0.84 m）和擴(kuò)張式封隔器（長度3.02 m）的剛性長度，表明固井防砂一體化管柱局部部件具有較好的通過性。

2.3 施工參數(shù)選擇

筆者以渤海油田某油井為例，利用水平井礫石充填數(shù)值模擬軟件Open Horizontal Gravel Pack 模擬了充填排量與沙丘比的關(guān)系（結(jié)果見圖6；其中，沙丘比為Alpha 波充填埋高與井眼直徑之比，反映充填效果），根據(jù)模擬結(jié)果選擇施工參數(shù)。模擬時(shí)用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：井深2 320.00 m，垂深1 397.00 m，最大井斜角92.02°，充填段長度100.00 m，固井段長度400.00 m，井眼直徑220.9 mm，篩管外徑160.5 mm，沖管外徑101.6 mm，管柱內(nèi)表面粗糙度0.101 6 mm，流體密度1.08 kg/L，充填砂礫密度2.71 kg/L，流體黏度1.0 mPa·s，砂比0.5，返出比0.9。

圖 6 充填排量與沙丘比的關(guān)系曲線Fig. 6 Relationship curves between packing flowrate and sand dune ratio

由圖6 可以看出：滿足Alpha 波正常推進(jìn)[12]時(shí)的最小循環(huán)排量為856 L/min；該井地層破裂臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大施工壓力為6.78 MPa；在保證充填過程中地層穩(wěn)定的前提下，Beta 波最大循環(huán)排量為922 L/min。根據(jù)圖6 選擇施工參數(shù)：充填排量為856～922 L/min，Alpha 波泵壓變化區(qū)間1.72～2.15 MPa，Beta 波泵壓變化區(qū)間5.96～6.78 MPa，沙丘比0.76～0.77。

3 試驗(yàn)井試驗(yàn)

3.1 管柱功能測(cè)試

在試驗(yàn)井JJSY-2H 井下入φ215.9 mm 固井防砂一體化管柱，測(cè)試該管柱各功能狀態(tài)下的循環(huán)排量和壓力，結(jié)果見表1。JJSY-2H 井完鉆井深1 808.00 m，頂部封隔器位于井深1 410.00 m 處，擴(kuò)張式封隔器位于井深1 568.97 m 處，1 400.00～1 799.00 m 井段為水平段，固井防砂一體化管柱下至井深1 589.90 m。固井防砂一體化管柱防回流固井總成長度為11.07 m，固井段套管長度為113.80 m，導(dǎo)流充填總成長度為18.90 m，充填篩管長度為25.00 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作業(yè)要求，充填和注水泥時(shí)的循環(huán)壓力必須小于35.00 MPa，反循環(huán)和清洗水泥時(shí)的循環(huán)壓力必須小于21.00 MPa。由表1 可以看出，充填時(shí)的最大循環(huán)壓力為13.00 MPa，注水泥時(shí)的最大循環(huán)壓力為6.50 MPa，反循環(huán)時(shí)的最大循環(huán)壓力為12.00 MPa，清洗水泥時(shí)的最大循環(huán)壓力為7.00 MPa，各工況下的循環(huán)壓力均小于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作業(yè)要求，各項(xiàng)功能測(cè)試合格。

表 1 固井防砂一體化管柱各功能狀態(tài)下的循環(huán)排量和壓力測(cè)試結(jié)果Table 1 Circulation flowrate and pressure test of integrated cementing/sand control inner pipe string under each functional state

3.2 井眼通過性測(cè)試

在試驗(yàn)井JJSY-4 井下入φ215.9 mm 固井防砂一體化管柱，通過模擬該管柱井下使用工況，驗(yàn)證其通過窗口和不同狗腿度裸眼段的可行性，同時(shí)測(cè)量通過窗口和不同狗腿度裸眼段時(shí)的摩擦阻力，結(jié)果見表2。JJSY-4 井完鉆井深812.00 m，最大井斜角68.20°，最大狗腿度16.15°/30m。

表 2 管柱過窗口和不同狗腿度裸眼段的摩擦阻力Table 2 Frictional resistance of the pipe string passing through the window and the open hole section with different doglegs

由表2 可以看出：φ215.9 mm 固井防砂一體化管柱通過窗口時(shí)的下放摩阻為5～10 kN，無明顯遇阻現(xiàn)象，且小于通過窗口前管柱下放懸重（350 kN），表明該管柱可順利通過窗口；該管柱在裸眼段的最大下放摩阻為45 kN，最大上提摩阻為18 kN，無明顯遇阻現(xiàn)象，且最大下放摩阻小于通過窗口前的下放懸重（350 kN），表明該管柱可順利通過最大狗腿度為16.15°/30m 的裸眼段。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

固井防砂一體化管柱在渤海油田CFD12-2B18H1井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該井裸眼段長度為229.00 m，充填段長度為195.00 m，最大井斜角為90.00°，最大狗腿度為4.44°/30m。該井固井防砂一體化施工工序?yàn)椋涸诰趯?nèi)外層管柱連接好，用鉆桿將其下至設(shè)計(jì)井深，用鹽水正循環(huán)將裸眼段鉆井液頂替至頂部封隔器以上100.00 m；在井口投球坐封頂部封隔器，測(cè)試懸掛載荷，然后送入工具脫手并上提0.60～0.90 m 驗(yàn)封頂部封隔器（13.70 MPa），同時(shí)坐封中部隔離總成的擴(kuò)張式封隔器；確認(rèn)反循環(huán)位置，在該位置導(dǎo)通反循環(huán)流程并進(jìn)行反循環(huán)測(cè)試，循環(huán)排量800～1 400 L/min，泵壓3.80～10.20 MPa；確認(rèn)充填位置，在該位置導(dǎo)通正循環(huán)流程并關(guān)閉防噴器進(jìn)行正循環(huán)測(cè)試，循環(huán)排量220～1 113 L/min，泵壓0.93～7.10 MPa；正循環(huán)測(cè)試結(jié)束后，進(jìn)行礫石充填作業(yè)，充填排量880～980 L/min，泵壓3.35～3.45 MPa，脫砂壓力13.50 MPa；充填作業(yè)結(jié)束后，上提管柱至反循環(huán)位置進(jìn)行沖砂作業(yè)；沖砂作業(yè)結(jié)束后，上提管柱確認(rèn)注水泥位置，進(jìn)行注水泥作業(yè)，注入排量550～1 110 L/min，泵壓4.80～6.53 MPa；注水泥結(jié)束后，投鉆桿膠塞，加壓至5 MPa，帶壓上提1.50 m 至沖洗水泥位置，加壓至9.00 MPa 打開循環(huán)通道沖洗多余水泥，沖洗排量1 460～1 993 L/min，泵壓5.30～7.00 MPa；起鉆，作業(yè)結(jié)束。

該井φ215.90 mm 固井防砂一體化管柱順利下入到最大狗腿度為4.44°/30m 的水平裸眼井段中，且順利完成了礫石充填和固井作業(yè)，礫石充填效率102.19%，實(shí)現(xiàn)了一趟鉆完成水平裸眼井段礫石充填和固井作業(yè)。

5 結(jié)論及建議

1）針對(duì)目前渤海油田的開發(fā)情況，設(shè)計(jì)了一套滿足中短半徑井眼的固井防砂一體化管柱，利用該管柱可實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成上部井段和下部儲(chǔ)層段選擇性固井和礫石充填防砂作業(yè)。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，中短半徑井眼固井防砂一體化管柱為渤海油田治理低產(chǎn)低效井、提高開發(fā)效益提供了一種新方法。

3）為進(jìn)一步增長充填段長度，以滿足更廣泛的作業(yè)需求，應(yīng)研發(fā)適用不同井徑的固井防砂一體化管柱。