φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝研究及應(yīng)用*

李 強(qiáng) 杜福云 董社霞 高彥才 胡澤根 周 歡徐鳳祥 王 科 陳 彬

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459; 2. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459; 3. 海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300459)

疏松砂巖地層防砂一直是困擾油氣田開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)難題?，F(xiàn)常用的防砂技術(shù)主要為化學(xué)防砂、機(jī)械防砂、砂拱防砂等，其中一次多層礫石充填防砂因具有作業(yè)效率高、防砂有效期長(zhǎng)、保持產(chǎn)能好、后期能夠?qū)崿F(xiàn)分層選擇性注采等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為主要的機(jī)械防砂技術(shù)[1-5]。國(guó)外海上φ177.8 mm套管井內(nèi)多層防砂技術(shù)主要有DTMZ、Stack Pack技術(shù)以及Mini-Beta多層充填系統(tǒng)，其中Stack Pack技術(shù)需采用多趟管柱下入，大大增加了作業(yè)時(shí)間和成本；DTMZ技術(shù)因壓裂充填時(shí)沖管管徑小，當(dāng)充填層段距離較長(zhǎng)時(shí)，攜砂液在泵送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大壓降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)[6-7]；而Mini-Beta多層充填系統(tǒng)也無(wú)法滿(mǎn)足大排量壓裂充填作業(yè)。這3種防砂技術(shù)防砂完成后內(nèi)通徑僅φ82.55 mm，給后期分采分注井帶來(lái)較大困難，嚴(yán)重制約著油田的整體開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)礫石充填研究起步較晚，并且因陸地與海上作業(yè)環(huán)境和作業(yè)習(xí)慣等存在諸多差異，陸地油田開(kāi)發(fā)的一系列充填技術(shù)尚未在海上推廣實(shí)施。為了有效解決φ177.8 mm套管井內(nèi)既需防砂又需增產(chǎn)的多層防砂要求，以及粒度不均、分選不好等問(wèn)題，進(jìn)而滿(mǎn)足一次多層壓裂充填防砂作業(yè)[8-11]，在優(yōu)選沖管和篩管基礎(chǔ)上提出了內(nèi)通徑φ98.552 mm的大通徑一次多層壓裂工藝，該工藝技術(shù)已在渤海地區(qū)15口高風(fēng)險(xiǎn)井中成功應(yīng)用，防砂效果顯著，工藝管柱技術(shù)可靠、安全，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 大通徑一次多層壓裂工藝研究

1.1 管柱組合形式

基于對(duì)常規(guī)多層防砂工具串工藝及結(jié)構(gòu)原理研究，確定全新φ177.8 mm多層防砂管柱依然采用內(nèi)外管柱的經(jīng)典組合形式，對(duì)所有工具及工藝進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足一次多層壓裂充填防砂要求。研究確定該管柱分為外管柱和內(nèi)管柱，外管柱從上至下依次為頂部封隔器總成、充填滑套總成、負(fù)荷顯示接箍、盲管和篩管、隔離封隔器、充填滑套總成、負(fù)荷顯示接箍、盲管和篩管、……(視層數(shù)重復(fù))、插入密封、沉砂封隔器；內(nèi)管柱自上而下依次為頂部封隔器坐封工具、內(nèi)外兩層沖管、上部密封、充填工具、負(fù)荷顯示器、滑套單開(kāi)工具、開(kāi)關(guān)工具和底部密封等。大通徑一次多層壓裂內(nèi)外管柱配合形式如圖1所示。

圖1 大通徑一次多層壓裂內(nèi)外防砂管柱配合示意圖

1.2 工藝流程

多層防砂工藝是保障各層段防砂效果的基礎(chǔ)，首先下入沉砂封隔器完成坐封后，依靠其可實(shí)現(xiàn)后期一次多層防砂管柱精確定位，再下入一次多層壓裂充填防砂管柱坐于沉砂封隔器上；然后通過(guò)打壓依次實(shí)現(xiàn)頂部封隔器坐封、驗(yàn)封、丟手，依靠控制服務(wù)工具的上提下放確定各作業(yè)封隔器后，打開(kāi)本層段充填滑套完成該層段礫石充填作業(yè)位置，再?gòu)南轮辽现鸩疥P(guān)閉充填層滑套并坐封隔離封隔器，打開(kāi)本層段充填滑套完成該層段礫石充填作業(yè)。充填時(shí)可采用正循環(huán)擠壓充填、高速水充填和壓裂充填，實(shí)現(xiàn)一趟管柱下入實(shí)現(xiàn)多個(gè)層段的礫石充填作業(yè)且防砂層段間距不受限制，待充填結(jié)束后進(jìn)行反循環(huán)作業(yè)并進(jìn)行驗(yàn)充填滑套作業(yè)。大通徑一次多層壓裂作業(yè)流程示意圖見(jiàn)圖2。

1.3 沖管優(yōu)選

國(guó)內(nèi)外防砂管柱現(xiàn)普遍采用φ48.26 mm和φ73.025 mm沖管的組合形式，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明該組合形式排量最高僅能達(dá)到1.27 m3/min，無(wú)法滿(mǎn)足壓裂充填作業(yè)需求，故需擴(kuò)大內(nèi)沖管內(nèi)徑尺寸。結(jié)合防砂后內(nèi)通徑尺寸φ98.552 mm，故優(yōu)選φ60.325 mm和φ88.9 mm沖管組合，沖管內(nèi)通徑分別提高28.6%和25.4%，可彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)沖砂管尺寸小的弊端，充填主通道流通面積大，基本能夠?qū)崿F(xiàn)大通徑、大排量、低摩阻的壓裂充填作業(yè)。大通徑一次多層壓裂工藝優(yōu)選的內(nèi)外沖管技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 大通徑一次多層壓裂作業(yè)流程

表1 大通徑一次多層壓裂礫石充填沖管技術(shù)參數(shù)

1.4 篩管優(yōu)選

根據(jù)大通徑一次多層壓裂礫石充填作業(yè)要求，初步選擇下入φ114.3 mm及φ127.0 mm篩管進(jìn)行充填作業(yè)，二者參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知采用φ114.3 mm篩管的篩套環(huán)空大于19 mm、沖篩比達(dá)到0.875，而采用φ127 mm篩管的篩套環(huán)空最大僅17.3 mm、沖篩比為0.794。

表2 大通徑一次多層壓裂礫石充填篩管優(yōu)選

根據(jù)中國(guó)海油防砂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，篩套環(huán)空層徑向厚度應(yīng)大于19 mm，結(jié)合表2結(jié)果，φ114.3 mm篩管的篩套環(huán)空和沖篩比更大，更能保證充填效果，因此優(yōu)選采用φ114.3 mm篩管。

2 沿程摩阻及工具強(qiáng)度分析

2.1 沿程摩阻分析

2.1.1正循環(huán)充填時(shí)摩阻分析

礫石充填過(guò)程中，其正循環(huán)摩阻直接影響施工排量及后期充填效果。對(duì)壓裂充填過(guò)程中沿程摩阻進(jìn)行研究，沿程(鉆桿+沖管)摩阻直接影響防砂層段長(zhǎng)度，假設(shè)φ88.9 mm鉆桿長(zhǎng)度2 000 m，鉆桿內(nèi)徑70.2 mm，φ60.325 mm沖管長(zhǎng)度400 m，沖管內(nèi)徑50.6 mm，壓裂液密度1 030 kg/m3，壓裂液黏度500 mPa·s，儲(chǔ)層垂深1 500 m，破裂梯度0.018 MPa/m，胍膠濃度3 kg/m3，支撐劑濃度960 kg/m3，正循環(huán)排量1.00～3.97 m3/min時(shí)沿程摩阻隨沖管長(zhǎng)度的變化如圖3所示。

圖3 正循環(huán)時(shí)沖管長(zhǎng)度與管柱沿程摩阻的關(guān)系曲線

當(dāng)?shù)貙悠屏褖毫?6.7 MPa，靜液柱壓力為15 MPa，整套新型礫石充填工藝管柱壓力級(jí)別為52 MPa，進(jìn)而計(jì)算出沿程摩阻為40.2 MPa。由圖3可知，在不考慮最下層射孔段、沿程摩阻為40.2 MPa情況下，排量為2.86 m3/min時(shí)壓裂充填層段沖管長(zhǎng)度達(dá)到220 m，排量為3.18 m3/min時(shí)壓裂充填層段沖管長(zhǎng)度達(dá)到110 m，均可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂充填需求。

2.1.2反循環(huán)洗井時(shí)摩阻研究

反循環(huán)時(shí)，φ88.9 mm鉆桿和φ177.8 mm套管的環(huán)空空間比較大，沿程摩阻可忽略不計(jì)，因此反循環(huán)時(shí)的沿程摩阻主要發(fā)生在φ88.9 mm沖管和φ73.025 mm沖管的環(huán)形空間內(nèi)。對(duì)小沖管環(huán)空進(jìn)行沿程摩阻計(jì)算，取完井液(海水)的黏度1 mPa·s，密度857.65 kg/m3，管柱粗糙度0.001(經(jīng)驗(yàn)值)，φ88.9 mm沖管內(nèi)徑76 mm，φ60.325 mm沖管外徑60.325 mm，管柱居中度0(即兩層沖管同心)，反循環(huán)排量為0.159～1.59 m3/min時(shí)管柱沿程摩阻隨沖管長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 反循環(huán)時(shí)沖管長(zhǎng)度與管柱沿程摩阻的關(guān)系曲線

由圖4可知，在不考慮最下層射孔段的情況下，同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)反循環(huán)時(shí)最高排量為1.27 m3/min時(shí)，當(dāng)在套管限壓(即沿程摩阻)20.7 MPa時(shí)，沖管長(zhǎng)度為150 m,當(dāng)在套管限壓(即沿程摩阻)34.5 MPa時(shí)，沖管長(zhǎng)度為250 m，均可達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求。

2.2 工具強(qiáng)度分析

通過(guò)對(duì)一次多層壓裂充填管柱整體強(qiáng)度的受力分析，確定薄弱環(huán)節(jié)主要集中在2個(gè)方面:1)充填時(shí)，由于大量砂漿需高速通過(guò)充填轉(zhuǎn)向工具孔道，易造成沖蝕、磨損等現(xiàn)象，使得充填工具被擊穿，導(dǎo)致充填作業(yè)失??；2)防砂管柱所有的外管柱重量都集中于頂部封隔器的卡瓦上，其懸掛力直接影響著多層防砂的數(shù)量和重量，故選取以上2個(gè)薄弱點(diǎn)進(jìn)行模擬分析。

2.2.1充填轉(zhuǎn)向工具沖蝕模擬分析

假設(shè)最?lèi)毫忧闆r，即排量為3.18 m3/min，由砂比798 kg/m3可知，入口流速26.99 m/s，壓裂充填轉(zhuǎn)向工具沖蝕速率和速度結(jié)果如圖5所示。

圖5 充填轉(zhuǎn)向工具沖蝕速率云圖

由圖5可知，沖蝕最嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在外管柱的上延伸筒內(nèi)壁上，整體流體域最大沖蝕速率為4.55×10-3kg/(m2· s)，平均沖蝕率為7.25×10-5kg/(m2· s)，按照平均充填4層，耗時(shí)4 h，過(guò)砂量113 t，磨損量約為36 g，上延伸筒厚度為10 mm，充填完厚度損耗約0.062 25 mm，管體強(qiáng)度降低0.002%，安全系數(shù)n=3.1(標(biāo)準(zhǔn)要求安全系數(shù)大于1.5)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

2.2.2頂部封隔器卡瓦仿真分析

卡瓦牙是頂封卡瓦的關(guān)鍵部分，卡瓦牙齒強(qiáng)度性能的好壞決定卡瓦的工作壽命以及卡瓦卡緊套管的損傷程度。根據(jù)設(shè)計(jì)條件可知危險(xiǎn)狀態(tài)為封隔器承受最大壓差51.7 MPa，同時(shí)受到向上拉力220 kN(其中220 kN為設(shè)定最大向上拉力)，下錐體向左施加在卡瓦上的力為1 063 kN，此時(shí)卡瓦受力情況如圖6所示。由圖6可知，卡瓦下齒尖邊緣最大應(yīng)力351 MPa，其屈服強(qiáng)度為850 MPa，故卡瓦本體的安全系數(shù)n=2.4，也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6 卡瓦模型及受力Mises應(yīng)力云圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝已在渤海油田15口防砂作業(yè)井中取得成功應(yīng)用。例如，渤海油田A井一開(kāi)φ215.9 mm井尾管內(nèi)下φ114.3 mm復(fù)合優(yōu)質(zhì)篩管壓裂充填防砂(4層)，開(kāi)窗側(cè)鉆鉆進(jìn)至1 932 m，下φ177.8 mm尾套至1 930.3 m，采用φ114.3 mm篩管擋砂精度120 μm，使用20/40目陶粒充填。該井分四層進(jìn)行壓裂作業(yè)，施工排量2.544～3.18 m3/min，砂比718.8 kg/m3，充填系數(shù)最高達(dá)734 40 kg/m3，縫長(zhǎng)23.6～33.2 m，縫高13.6～33.6 m，縫寬0.65～1.083 cm。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程順利，工具性能穩(wěn)定，施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。截至2018年4月，A井累產(chǎn)油8 299.97×104m3，采出程度27.9%，綜合含水81.5%。其中，Ⅰ期累產(chǎn)油4 182.06×104m3，采出程度為35.4%，綜合含水75.0%；Ⅱ期累產(chǎn)油4 117.91×104m3，采出程度為22.9%，綜合含水85.6%，壓裂充填施工成效顯著。

表3 渤海油田A井一次多層壓裂施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1) 通過(guò)內(nèi)外壓裂管柱組合和壓裂工藝研究，在優(yōu)選沖管和篩管基礎(chǔ)上提出了φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝。

2) 對(duì)壓裂管柱沿程摩阻和管柱強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明所提出的φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝沿程摩阻、沖蝕強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度均可滿(mǎn)足渤海油田疏松砂巖多層壓裂作業(yè)要求。

3)φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝已在渤海油田15口防砂作業(yè)井中取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。