海上長水平井旁通篩管礫石充填技術(shù)及應(yīng)用*

孟文波 劉書杰 黃 熠 李 中 董 釗 趙學(xué)戰(zhàn) 武洪鑫 尹玉超 季 鵬

(1. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；3. 東營市瑞豐石油技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司 山東東營 257000)

礫石充填防砂是一種重要防砂方式，礫石充填層可在篩管和井壁之間對井壁起支撐作用和防止地層砂進入油井的作用[1-2]。近年來，為了提高篩管防砂的使用壽命，礫石充填防砂越來越多地被用于防砂完井[3-4]。海上長水平井或深水水平井開發(fā)難度大、成本高，因此對一次性完井成功率有著很高的要求。海上長水平井或深水水平井裸眼礫石充填，具有易發(fā)生早期砂橋、地層破裂壓力低、循環(huán)測試漏失嚴(yán)重、井眼不規(guī)則等特點，在礫石充填過程中極易形成砂橋和堵塞，造成部分井段充填不密實或無充填。所以海上長水平井或深水水平井裸眼礫石充填完井防砂難度大、作業(yè)風(fēng)險高，礫石充填防砂效率很難保證，常規(guī)礫石充填技術(shù)目前很難滿足深水油氣田礫石充填防砂需求[5-12]。

常規(guī)篩管的礫石充填，是攜砂液將充填礫石帶入篩管與井壁之間的環(huán)空，液體經(jīng)過篩管過濾層后由沖管返回地面，充填礫石留在篩管與井壁環(huán)空內(nèi)起防砂作用。多流道旁通篩管的結(jié)構(gòu)特點是在常規(guī)篩管的外部帶有旁通，在多流道旁通篩管礫石充填完井過程中，當(dāng)環(huán)空形成砂橋或堵塞時，常規(guī)礫石充填技術(shù)無法再對砂橋以下的環(huán)空進行充填，無法保證充填效果，而多流道旁通篩管礫石充填技術(shù)，當(dāng)環(huán)空形成砂橋或堵塞時，砂液可被導(dǎo)流進旁通管，繞過堵塞段，繼續(xù)向下流動，對砂橋以下的環(huán)空繼續(xù)充填。多流道旁通篩管礫石充填技術(shù)是針對海上大位移長水平井或深水油氣田裸眼水平井礫石充填容易產(chǎn)生砂橋和堵塞問題而提出的一種新型高端技術(shù)，可有效地降低施工風(fēng)險，提高充填效率，確保充填效果。多流道旁通篩管礫石充填技術(shù)在國外已成熟應(yīng)用，但國內(nèi)旁通篩管的研究還未能實現(xiàn)多流道旁通篩管國產(chǎn)化，未能夠?qū)⒃摷夹g(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，依然以國外公司技術(shù)、產(chǎn)品為主，國內(nèi)多流道旁通篩管的應(yīng)用依然面臨著無自主產(chǎn)權(quán)、采辦難度大、周期長等困難。

本文研究的多流道旁通篩管相比國外多流道旁通篩管，在保證功能的同時，具有外徑小、重量輕、現(xiàn)場連接方便、抗彎能力強、抗壓能力強等優(yōu)點，旁通篩管礫石充填技術(shù)在樂東22-1、文昌13-2、陵水17-2等油氣田成功進行了多井次的現(xiàn)場應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 技術(shù)難點與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)難點與設(shè)計要求

深水長水平井裸眼礫石充填防砂相比套管井的難度大，從井身結(jié)構(gòu)方面分析有以下幾個技術(shù)難點：①裸眼井段沒有套管支撐，在下入防砂管柱時容易造成卡鉆，導(dǎo)致防砂管柱很難下放到位；②裸眼水平井較直井和斜井具有更大的井斜角，對篩管的抗彎能力要求更高；③裸眼水平井存在井壁不規(guī)則、地層破裂壓力低、局部漏失量大等因素，礫石充填過程中易發(fā)生砂橋或地層坍塌堵塞；④長水平井礫石充填的壓力較高，極易提前到達地層破裂壓力。

針對深水長水平井裸眼礫石充填防砂的技術(shù)難點，對多流道旁通篩管進行研究設(shè)計，一方面要減小下入難度，增強篩管的抗彎能力；另一方面要解決形成砂橋或堵塞時，攜砂液不能向下運移的問題，并減小長水平井充填壓力。

1.2 旁通篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1旁通篩管結(jié)構(gòu)分析

旁通篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足以下幾個要求：①根據(jù)設(shè)計難點分析，旁完井管柱在下入水平井彎曲段時，與井壁大面積接觸，受到的摩擦力會大大增加，于長錄 等在對水平井完井管柱摩阻研究中建立了預(yù)測計算模型，水平井完井管柱下入摩阻與管柱重量有關(guān)，管柱重量越大，摩阻越大[13]，旁通篩管相比普通的篩管，需要增加旁通管，這就增加了篩管的重量和外徑，提高了下入難度，在篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計時需盡量減小篩管重量和旁通管在篩管徑向所占的空間，來減小下入難度。②篩管的主要防砂功能部分為篩管的過濾介質(zhì)，所以篩管的抗彎能力取決于篩管的過濾介質(zhì)在受到彎曲時，能否保證有效過濾精度。③旁通管的設(shè)計還需要確保發(fā)生砂橋或堵塞時，為攜砂液提供足夠的過流面積，保證攜砂液可以穿過堵塞部分，繼續(xù)向下充填，且不會產(chǎn)生過高的節(jié)流壓差。

1.2.2旁通篩管過濾層設(shè)計

在多流道旁通篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對不同的過濾介質(zhì)進行了調(diào)研對比，通過選擇合適的過濾介質(zhì)來增強篩管的抗彎能力。通過對比繞絲管、割縫管等常用過濾方式，最終確定使用金屬網(wǎng)布作為過濾層。金屬網(wǎng)布在受到彎折時仍可保證有效的過濾精度，繞絲管或割縫管在受到彎曲時會造成縫隙不均勻，無法保證有效的過濾精度，所以金屬網(wǎng)布濾管更適合用于水平井防砂。1 m2面積的金屬網(wǎng)布濾管(雙層過濾網(wǎng)+內(nèi)保護套+外保護套)過濾層的質(zhì)量約為16.4 kg，1 m2面積繞絲管過濾層的質(zhì)量約為20.5 kg，金屬網(wǎng)布濾管的過濾層的質(zhì)量約為繞絲管的80%，在下入裸眼井段時更不容易造成卡鉆。

1.2.3旁通管設(shè)計

在旁通管的設(shè)計過程中首先確定了旁通管的過流面積，參照技術(shù)成熟的RFSP水平井礫石充填系統(tǒng)，該系統(tǒng)在礫石充填過程中最小通徑為直徑50 mm，其過流面積為1 962.5 mm2，為了在礫石充填過程中不會在旁通管處產(chǎn)生較高的節(jié)流壓差，因此旁通管的過流面積需大于充填系統(tǒng)的最小通徑處的過流面積。然后設(shè)計對比了圓形、方形和圓腰形3種不同的旁通管，在橫截面積相同的情況下，圓腰形的旁通管在篩管徑向所占的尺寸更小。例如，單根輸送管過流面積1 600 mm2，需要圓形管直徑D=45.2 mm、矩形管邊長L=40 mm、圓腰形管徑向?qū)挾菳≤18.5 mm。所以使用圓腰形的旁通管在同樣的過流面積下，可以使篩管的外徑更小，更方便下入，3種形狀的旁通管如圖1所示。為了確保旁通管可以為攜砂液提供足夠的過流面積，且旁通管尺寸過大會增加旁通管的加工難度，旁通管尺寸過小就需要增加旁通管數(shù)量，增加成本。通過對旁通管的加工試制，綜合加工工藝和加工成本，最終確定使用3根旁通輸送管和2根充填管為最佳方案。3根旁通輸送管過流面積約為2 100 mm2，保證了足夠的過流面積，2根充填管帶有供攜砂液流出的充填口，徑向?qū)ΨQ布置，當(dāng)篩管一側(cè)貼緊井壁時，確保另一側(cè)的充填口不受井壁影響。5根圓腰形旁通管(3根旁通輸送管和2根充填管)在保證足夠的過流面積的同時，可以盡量多地利用過濾層和外護套之間的空間，且易于加工，降低成本。

圖1 不同形狀的旁通管對比Fig .1 Comparison of bypass pipes with different shapes

多流道旁通篩管結(jié)構(gòu)特點是在常規(guī)篩管的外部帶有旁通管。在多流道旁通篩管礫石充填完井過程中，旁通管設(shè)計作用是當(dāng)充填形成砂橋時，攜砂液可通過旁通管穿過砂橋，繼續(xù)向下充填，可避免裸眼水平井礫石充填過程中由于形成砂橋而造成砂橋以下無法繼續(xù)充填的問題，旁通篩管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旁通篩管結(jié)構(gòu)圖Fig .2 Structure diagram of bypass screen

越高的充填排量意味著越高的攜砂液流速，此時攜砂液的攜砂能力越強，充填砂越不容易提前沉積，提前形成砂橋的概率越小。但并不是充填排量越高越好，過高的排量會導(dǎo)致過高的充填壓力，存在破壞井壁的風(fēng)險，想要保證更好的充填效果，需要盡量保證充填過程的安全穩(wěn)定，這就需要在充填過程中，充填壓力始終在地層破裂壓力以下。在α 波充填階段，攜砂液沿篩套環(huán)空流動，推動充填砂向下運移，在此過程中部分充填砂會慢慢沉降堆積，形成穩(wěn)定的平衡堤，此時的攜砂液流動通道大，一般不會產(chǎn)生過高的充填壓力；在β波充填階段，隨著越來越多的充填砂進入環(huán)空，供攜砂液流動的通道逐漸減小，充填壓力會逐漸上升。對于低破裂壓力的裸眼井，β波充填壓力會在沒起脫砂壓力之前達到地層破裂壓力，具有很高的風(fēng)險，很難保證充填效果。旁通篩管的旁通管結(jié)構(gòu)，不僅可以在因地層坍塌等原因形成砂橋時，為攜砂液提供繼續(xù)向下流動的通道，還能在充填過程中為攜砂液提供足夠的流動通道，減緩充填壓力的上升速率。

對于高校層面來說，要將人才培養(yǎng)的規(guī)模擴張逐漸向優(yōu)化人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)方面轉(zhuǎn)化，需要克服擴張規(guī)模的沖動，要根據(jù)自身學(xué)科的基礎(chǔ)以及所具有的辦學(xué)條件，充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及政府的人才規(guī)劃來優(yōu)化人才培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)多樣化、復(fù)合型的人才，這是值得深度思考以及認(rèn)真研究去解決的課題。作為高校，首先要有這方面的整體考慮，作為思想基礎(chǔ)，以后才有可能去采取措施來切實地保障優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目標(biāo)實現(xiàn)。

在礫石充填過程中，攜砂液各個流動方向的摩阻分別為篩管與井筒環(huán)空摩阻(f1)、旁通管內(nèi)部摩阻(f2)、沖管與篩管環(huán)空摩阻(f3)和發(fā)生堵塞時的砂橋摩阻(f4)，如圖3所示。對以上幾種情況下的壓力進行了模擬分析計算。正常充填狀況下，攜砂液流動通道為沖管與篩管環(huán)空和篩管與井筒環(huán)空，極端情況下發(fā)生堵塞時，攜砂液只能通過旁通管和沖管與篩管環(huán)空流通，此時的流動通道最小，摩阻最大。

圖3 產(chǎn)生砂橋時充填液的流向Fig .3 Flow direction of filling liquid when sand bridge is generated

模擬在內(nèi)徑215.9 mm的裸眼井使用基管外徑127 mm的多流道旁通篩管進行礫石充填。取礫石充填常用排量954 L/min下，運用循環(huán)系統(tǒng)壓耗計算公式計算發(fā)生堵塞時，攜砂液僅通過旁通管傳輸時，在單根旁通篩管中產(chǎn)生的摩阻僅為0.02 MPa。因此，使用旁通篩管進行礫石充填作業(yè)，當(dāng)充填過程中出現(xiàn)砂橋時，旁通管可以提供足夠的流動通道，不必?fù)?dān)心在砂橋處產(chǎn)生較高的節(jié)流壓差，而導(dǎo)致充填壓力過高而破壞井壁的問題。

1.3 充填工藝管柱設(shè)計

多流道旁通篩管礫石充填防砂管柱是采用RFSP裸眼水平井礫石充填工具系統(tǒng)結(jié)合多流道旁通篩管進行礫石充填防砂作業(yè)，如圖4所示。該礫石充填工具系統(tǒng)為模塊化工具系統(tǒng)，將旁通篩管專用對接工具更換成常規(guī)變徑接頭也可用于常規(guī)篩管的水平井礫石充填作業(yè)，其施工程序為：下入充填工具正循環(huán)替漿；坐封、丟手、驗封頂部封隔器；關(guān)閉防抽吸閥；礫石充填作業(yè)；反循環(huán)洗井；激活分流滑套、打開防抽吸閥；替破膠液；充填完成起出充填工具。裸眼水平井礫石充填工具系統(tǒng)的優(yōu)點是只需一趟管柱即可完成礫石充填、替漿和酸洗，大大節(jié)約了施工時間和成本，減小了管柱上提下放過程中的遇卡風(fēng)險。

圖4 礫石充填工藝管柱示意圖Fig .4 Schematic diagram of gravel packing process string

旁通篩管連接處為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩層之間的環(huán)空可為砂漿提供流動通道，篩管連接后，上一根旁通篩管旁通管中的攜砂液會在接頭處匯合后再分流到下一根旁通篩管的旁通管中，可保證整個防砂管柱的旁通管都是連通的，即使在充填過程中形成多處砂橋或堵塞，也能保證整個防砂段的充填效果，如圖5所示。由于旁通管可保證整個防砂管柱的通道連通，所以使用旁通篩管進行礫石充填時，相比常規(guī)篩管礫石充填技術(shù)可適當(dāng)提高砂比，即使充填過程中因砂比過高而發(fā)生砂橋，旁通管仍然可以將砂漿繼續(xù)向下輸送并完成充填。

圖5 旁通篩管接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig .5 Structure diagram of bypass screen joint

2 礫石充填模擬試驗充填效果

2.1 模擬充填試驗原理及試驗流程

在研究過程中為旁通篩管礫石充填技術(shù)的功能驗證搭建了模擬水平井試驗系統(tǒng)，使用內(nèi)徑220.5 mm套管水平放置，模擬水平井筒，將兩段旁通篩管與充填工具連接后下入水平井模擬井筒中，在兩段旁通篩管中間的連接處將篩管和套管的環(huán)空封閉，人為地模擬環(huán)空堵塞；用泵車組泵送攜砂液通過充填工具進入篩管與井筒環(huán)空，液體流經(jīng)篩管過濾層，充填砂留在篩管與井筒環(huán)空，返液通過沖管返回水池；模擬堵塞以下的部分通過旁通篩管的旁通管輸送攜砂液完成充填，試驗流程如圖6所示。普通篩管在環(huán)空堵塞時，攜砂液流動至堵塞處會被堵住，無法繼續(xù)向下流動，堵塞位置以下的井筒無法進行充填，旁通篩管內(nèi)部具有旁通管，可以完成堵塞位置以下井筒的充填。隨后進行礫石充填試驗，試驗過程中通過水平井模擬井筒上的玻璃視窗觀察模擬堵塞位置上面和下面的充填效果。

圖6 模擬水平井礫石充填地面試驗流程圖Fig .6 Flow chart of gravel packing surface test in simulated horizontal well

2.2 模擬充填試驗結(jié)果

先后進行了3組旁通篩管模擬充填試驗和1組常規(guī)金屬網(wǎng)布篩管模擬充填實驗，分別對比不同篩管類型、不同排量、不同砂比下的礫石充填效果。第1組使用套筒將2根篩管中間的環(huán)空用套筒堵住，模擬堵塞；第2組和第3組使用旁通封隔器將2根篩管中間的環(huán)空封住，模擬完全堵塞。

由試驗數(shù)據(jù)可以看出：在相同排量和砂比下，旁通篩管礫石充填壓力略高于常規(guī)金屬網(wǎng)布篩管充填壓力，這是由于在井筒尺寸相同的情況下，旁通篩管外徑較大，旁通篩管的內(nèi)徑較小，使用的沖管也較小，攜砂液的流動通道較?。辉谂帕肯嗤那闆r下適當(dāng)提高砂比，旁通篩管礫石充填仍然可以保證充填效果；當(dāng)環(huán)空被堵住時，模擬礫石充填可以對堵塞位置以下的環(huán)空進行充填，充填效率達100%以上，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 礫石充填試驗數(shù)據(jù)Table 1 Gravel packing test data

通過視窗觀察模擬試驗效果(圖7)，堵塞位置上下兩側(cè)的環(huán)空都被完全充填，表明旁通篩管礫石充填技術(shù)可行。

圖7 模擬砂橋上下兩側(cè)充填效果Fig .7 Filling effect of upper and lower sides of simulated sand bridge

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用井況分析

海上長水平井旁通篩管礫石充填技術(shù)在LD22-1-A18井、WC13-2-B3H井、B5H井和LS17-2-A10H井進行應(yīng)用。樂東22-1氣田A18H井為超淺層長水平井，地層破裂壓力低(僅為1.45 MPa/100 m)，水平井段長度700 m，裸眼垂深863 m；對充填過程進行模擬，充填液為密度1.03 g/cm3過濾海水，β波充填階段充填壓力會高于地層破裂壓力，需要降低排量來降低充填壓力至地層破裂壓力以下。為保證充填砂不會提前堆積形成砂橋，模擬計算安全排量為477 L/min，最低排量不能低于安全排量。以每次79.5 L/min的降幅，在β波階段多次降排量后，β波充填長度無法達到防砂段長度700 m，見表2。使用常規(guī)的水平井礫石充填技術(shù)無法完成礫石充填防砂，為保證充填效率，降低充填作業(yè)風(fēng)險，需要選擇旁通篩管進行充填。

表2 樂東22-1氣田A18井β波階段多次降排充填長度計算結(jié)果Table 2 Calculation results of multiple cut and fill length in β wave stage of Well A18 in LD 22-1 gas field

LD22-1-A18井現(xiàn)場施工以874.5 L/min初始排量進行充填，在α波充填階段充填曲線平穩(wěn)；到β波充填階段后期，開始階梯降排量繼續(xù)充填，最終降至636 L/min，完成充填。充填過程中，返出口無氣體返出，無陶粒返出，脫砂壓力5 MPa，此時井底壓力約為12.1 MPa，接近地層破裂壓力(12.3 MPa)，即決定停止充填，充填效率107%，礫石充填防砂施工順利完成?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果與模擬結(jié)果對比表明，在常規(guī)水平井充填無法完成充填的井況下，使用多流道旁通篩管礫石充填技術(shù)可保證充填效率；在β波充填階段，貫穿整個防砂管柱的旁通管路可以為攜砂液提供流動通道，減緩充填壓力升高，現(xiàn)場施工過程中沒有出現(xiàn)因充填壓力達到底層破裂壓力導(dǎo)致無法完成充填的現(xiàn)象。

文昌13-2-B3H、B5H井為長水平井防砂，水平井段長度均超過700 m，礫石充填難度高。文昌13-2-B3H井、B5H井礫石充填施工過程中，β波充填階段后期，在排量不變的情況下，均出現(xiàn)了充填壓力上升速度減緩的現(xiàn)象，這表明在礫石充填過程中，隨砂高的不斷增高，攜砂液的流動通道不斷減小，旁通管提供的流動通道作用就越明顯，可以有效減緩充填壓力的上升速度。WC13-2-B3H井、B5H井礫石充填防砂最終以126%和140%的充填效率順利完成。

陵水17-2氣田是中國首個大型深水自營氣田，作業(yè)水深達1 500 m，試應(yīng)用井的井況都比較復(fù)雜，礫石充填易發(fā)生地層坍塌和早期砂橋，有很高的作業(yè)風(fēng)險。陵水17-2-A10H井礫石充填施工泵速890 L/min，返出875 L/min，壓力平均在3.6 MPa。充填過程分4個階段：第①階段為開始加砂到砂漿出充填口，第②階段為α波充填階段前期，第③階段為α波充填階段后期，第④階段為β 波充填階段。α波充填階段前期泵速、返出、壓力均保持穩(wěn)定，α波充填階段后期(第③階段)在充填泵速未發(fā)生改變的情況下，平均返出降低，壓力增長約0.34 MPa，此時判斷可能出現(xiàn)地層坍塌造成砂橋或堵塞，攜砂液僅通過旁通管傳輸管流通現(xiàn)象。最終在脫砂壓力13.95 MPa時完成充填，充填效率138%。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)對比分析

旁通篩管礫石充填技術(shù)在多井次的現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)體現(xiàn)了旁通篩管礫石充填技術(shù)可以完成常規(guī)水平井礫石充填技術(shù)無法完成的復(fù)雜井況下的礫石充填。對比文昌13-2油田4口井現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)，使用旁通篩管的B3H井和B5H井充填效率分別為126%和140%，使用普通金屬網(wǎng)布篩管的B7H井和B11H井充填效率分別為120%和110%，使用旁通篩管的充填效率明顯高于使用普通金屬網(wǎng)布篩管的充填效率，見表3。

表3 礫石充填現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)Table 3 Field application data of gravel packing technology

4 結(jié)論

1) 從篩管外徑、篩管重量、抗彎能力、現(xiàn)場連接等方面對多流道旁通篩管的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，有效解決了水平井充填的應(yīng)用難點，并通過地面模擬水平井礫石充填試驗?zāi)M了篩套環(huán)空完全堵塞的極端情況下的礫石充填，堵塞位置以下的篩套環(huán)空仍然可以完全充填。

2) 海上長水平井旁通篩管礫石充填技術(shù)的成功應(yīng)用表明，旁通篩管礫石充填技術(shù)可以完成復(fù)雜井況下的礫石充填防砂，可有效降低海上長水平井礫石充填作業(yè)風(fēng)險，保證充填效果，提高充填效率，具有較好的推廣應(yīng)用價值。