超短半徑水平井完井工具的設計與測試

張彬奇，謝濤，張?？?，薛憲波，曲躍

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

0 引言

近年來海上油田開發(fā)進入高含水階段，剩余油分布十分零散，如何進一步挖掘剩余油潛力成為低油價形勢下急需解決的難題。超短半徑水平井利用原有井內(nèi)套管進行開窗造斜，減少進尺，增大泄油面積，可重新激活低產(chǎn)低效井，改善薄油層、低滲透油層的開發(fā)效果。由于超短半徑水平井在完井過程中存在軌跡曲率半徑小、工具彎折易受損、管柱下入摩阻大等難題，完井設計往往采用裸眼完井方式。這種方式在致密砂巖、灰?guī)r儲層應用中，主要優(yōu)點有完井工藝簡單，泄油面積大，采收率高等，但對于海上疏松砂巖油藏，裸眼完井后出砂嚴重，往往造成砂礫堵塞井筒，損壞采油泵等問題。針對這一問題，設計完成了浮式柔性引鞋、柔性盲管、柔性篩管、柔性管外封隔器、多分支懸掛器等配套柔性完井工具。通過對樣機的抗拉測試與抗扭測試，設計工具均達到設計要求，滿足現(xiàn)場應用需求。

1 技術難點

超短半徑水平井的井眼曲率半徑通常在1.5～3.6 m，由柔性短節(jié)組成的特殊柔性鉆桿完成。近幾年超短半徑水平井技術已在我國大慶油田，勝利油田等陸上油田進行了成功應用，降低了鉆井作業(yè)成本，提高了老油田的開發(fā)效果。該技術在海上應用的經(jīng)驗較少，在完井過程中面臨的主要技術問題主要有以下3 點：

(1)常規(guī)完井工具無法通過小曲率半徑井段；

(2)高造斜率要求完井工具能夠承受一定的拉力和扭矩；

(3)海上油田多為疏松砂巖儲層，完井時需考慮防砂需求。

2 完井工具的設計

2.1 浮式柔性引鞋

浮式柔性引鞋由基管、萬向節(jié)、導引頭組成(圖1)。引鞋裝配后可形成密閉空間，管柱入井后，這個空間呈封閉狀態(tài)，完井液不能進入，因而可以產(chǎn)生一定的浮力，減輕引鞋在完井液中的重量，便于引導防砂管柱下入裸眼段內(nèi)。其主要優(yōu)勢在于保證足夠彎曲自由度的條件下連接上部柔性完井管柱，并提供引導下入功能，提高柔性完井管柱的下入成功率。

圖1 浮式柔性引鞋結(jié)構(gòu)圖

2.2 柔性盲管

盲管是連接防砂管柱，實現(xiàn)管外封隔器、懸掛器坐封和礫石充填等工藝步驟的配套裝置(圖2)。設計的柔性盲管由盲管基管和萬向節(jié)組成。盲管基管部分一端為用于連接的螺紋，另一端為萬向節(jié)，萬向節(jié)前段設計有螺紋扣，可與下一根柔性盲管或其他工具連接；萬向節(jié)起到提高柔性盲管變形自由度的作用，安裝在盲管基管的一端，并有用于連接的螺紋扣。

柔性盲管可以在保證足夠彎曲自由度的條件下連接各種超短半徑側(cè)鉆井完井工具，提供柔性完井管柱的機械連接完整性與密封性。

圖2 柔性盲管結(jié)構(gòu)圖

2.3 柔性篩管

柔性篩管由篩管基管、篩網(wǎng)、保護套、萬向節(jié)、絲扣、可溶金屬暫堵套等構(gòu)成(圖3)。篩管基管上設計有數(shù)個進液孔，外部包裹有篩網(wǎng)，篩網(wǎng)外部包裹有保護套，地層流體需要首先經(jīng)過篩網(wǎng)才能進入管內(nèi)，以此實現(xiàn)對地層砂的屏蔽?？扇芙饘贂憾绿装惭b在篩管基管的進液孔外部，對進液孔進行密封，當可溶金屬暫堵套包裹進液孔時，可以隔絕柔性篩管內(nèi)外空間，此時柔性篩管暫時處于盲管狀態(tài)，可以泵送攜砂液、化學暫堵劑等液體。當可溶金屬暫堵套接觸高濃度鹽水后可以快速溶解，這時篩管基管的進液孔將解除密封狀態(tài)，柔性篩管恢復進液功能。

圖3 柔性篩管結(jié)構(gòu)圖

2.4 柔性管外封隔器

柔性管外封隔器由基管、壓環(huán)、彈性套、可溶約束套、萬向節(jié)等部分組成(圖4)。其中可溶約束套采用可溶金屬材質(zhì)制作，其作用是約束彈性套，保證封隔器在下井過程中彈性套不會打開，封隔器處于收縮狀態(tài)，當完井管柱下入到位后，向井內(nèi)注入高濃度鹽水，可溶金屬溶解，彈性套則會彈起，撐起膠皮實現(xiàn)封隔功能。

圖4 柔性管外封隔器結(jié)構(gòu)圖

2.5 柔性篩管多分支懸掛器

柔性篩管多分支懸掛器由提升短節(jié)、丟手機構(gòu)、基管、錐套、卡瓦、液缸等部分組成(圖5)。提升短節(jié)通過螺紋與丟手機構(gòu)連接；丟手機構(gòu)為機械液壓復合丟手機構(gòu)，可以通過正轉(zhuǎn)或液壓實現(xiàn)丟手功能；丟手機構(gòu)位于基管上部，基管下部設計有液缸進液孔；錐套安裝于基管外側(cè)，其形狀為倒錐形；卡瓦安裝于錐套下部；液缸安裝于卡瓦下部，當懸掛器需要工作時，管內(nèi)打壓液缸向上伸出，推動卡瓦上行，卡瓦在錐套上滑動時外徑會逐步增大，直到接觸技套內(nèi)壁，懸掛器完成坐掛。

3 工具的測試

3.1 超短半徑水平井完井工具抗拉試驗

為了測試柔性篩管、柔性盲管等工具的抗拉能力是否符合設計要求，進行如下試驗方案(圖6)：

圖5 柔性篩管多分支懸掛器結(jié)構(gòu)圖

圖6 抗拉試驗示意圖

(1)將兩根柔性篩管或柔性盲管連接在一起組成試驗管串；

(2)將試驗管串上下連接至工裝夾具，并安裝至拉拔試驗機；

(3)逐步提高拉拔試驗機壓力，最高至1 000 kN，記錄工具狀態(tài)，若發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞則停止試驗；

(4)拆卸試驗管串，檢查測試工具是否存在破損；

(5)記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束。

經(jīng)測試，拉力達到1 000 kN 時，試驗管串未發(fā)生破壞，滿足設計要求。

3.2 超短半徑水平井完井工具抗扭試驗

為了測試柔性篩管、柔性盲管等工具的抗拉能力是否符合設計要求，如圖7 所示進行試驗，試驗方案如下：

(1)將兩根柔性篩管或柔性盲管連接在一起組成試驗管串；

(2)將試驗管串上下連接至工裝夾具，并安裝至扭矩試驗儀；

(3)逐步提高扭矩試驗儀輸出扭矩，最高至20 kN·m，記錄工具狀態(tài)，若發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞則停止試驗；

(4)拆卸試驗管串，檢查測試工具是否存在破損；

(5)記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束。

經(jīng)測試，扭矩達到20 kN·m 時，試驗管串未發(fā)生破壞，滿足設計要求。

圖7 抗扭試驗示意圖

3.3 柔性篩管多分支懸掛器功能試驗

為了測試柔性篩管多分支懸掛器打壓懸掛、機械丟手、液壓丟手動作是否可以按照設計完成，驗證工具可靠性，進行如下試驗方案，試驗示意圖如圖8 所示：

(1)將柔性篩管多分支懸掛器底部安裝打壓堵頭，預置在177.8 mm 套管短節(jié)內(nèi)，形成試驗管串，懸掛器提升短節(jié)露出；

(2)將試驗管串夾緊在扭矩試驗儀上，扭矩試驗儀一端夾緊提升短節(jié)，一端夾緊套管短節(jié)，并連接打壓管線；

(3)進行打壓，使懸掛器工作，控制扭矩試驗儀兩端收縮，驗證懸掛器是否完成坐掛，記錄結(jié)果；

(4)繼續(xù)提高壓力，至設計懸掛器液壓丟手壓力，控制扭矩試驗儀兩端拉長，驗證懸掛器是否丟手成功，記錄結(jié)果；

(5)拆卸試驗管串；

(6)重復步驟(1)～(3)；

(7)泄壓，正轉(zhuǎn)提升短節(jié)至機械丟手圈數(shù)，控制扭矩試驗儀兩端拉長，驗證懸掛器是否丟手成功，記錄結(jié)果；

(8)拆卸試驗管串，試驗結(jié)束。

圖8 柔性篩管多分支懸掛器功能試驗示意圖

經(jīng)測試，柔性篩管多分支懸掛器丟手可靠，可實現(xiàn)倒扣和液壓雙丟手方式。

4 結(jié)語

(1)超短半徑水平井在開采近井地帶剩余油，增大泄油面積，挖掘老油田潛力方面具有重要意義。

(2)超短半徑水平井需要采用特殊的柔性完井工具來進行完井作業(yè)。完井工具不僅要承受流體壓差、軸向力和扭矩的作用，還需要有一定的彎曲能力。

(3)設計的柔性引鞋、柔性盲管、柔性篩管、柔性管外封隔器等配套完井工具通過相關測試可進行現(xiàn)場應用。