多流道旁通篩管性能實驗評價

滿宗通，周歡，龐明越，董嚴(yán)冰，王圣虹，蔡普利

多流道旁通篩管性能實驗評價

滿宗通，周歡，龐明越，董嚴(yán)冰，王圣虹，蔡普利

（中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

多流道旁通篩管； 礫石充填； 虧空段； 輸送能力； 旁通性能

隨著海上油田的開發(fā)，在井槽資源有限的情況下，為了增大泄油面積、提高產(chǎn)量、降低作業(yè)成本，水平井應(yīng)用越來越多[1?4]。在水平井礫石充填作業(yè)過程中，由于地層或設(shè)計原因，水平井出現(xiàn)充填虧空。現(xiàn)場作業(yè)表明，30%的水平裸眼井在礫石充填作業(yè)中因泥巖垮塌導(dǎo)致充填失敗[5?7]。長水平段礫石充填會因工藝參數(shù)設(shè)計不合理、α波正向充填或者β波逆向充填沒有到達(dá)水平井末端等原因而提前砂堵[8?9]。對于未充填的井段，多流道旁通篩管能夠在常規(guī)充填結(jié)束后，通過輸送管及旁通管繼續(xù)進(jìn)行充填，提高充填效率。

為了解決長水平段礫石充填提前砂堵或其他礫石充填過程中產(chǎn)生的砂橋、井壁垮塌導(dǎo)致充填效率低或充填失敗情況的發(fā)生[10]，本文對多流道旁通篩管進(jìn)行了設(shè)計和研發(fā)，對研發(fā)的新型多流道旁通篩管產(chǎn)品的旁通性及輸送性能進(jìn)行了評價檢測，以期掌握新型功能篩管產(chǎn)品的性能特點，更好地保障海上油田防砂效果和油田長效開發(fā)。

1 新型多流道旁通篩管設(shè)計

1.1 原理及特點

多流道旁通篩管帶有3根輸送管和2根礫石充填管將其作為二次充填通道，使篩管接頭的設(shè)計結(jié)構(gòu)形成環(huán)流空間，管道連通。管內(nèi)多流道旁通篩管內(nèi)充填防砂。由于旁通管的流通面積較小，攜砂液一般先充填篩管與井筒的環(huán)空，當(dāng)篩管與井筒的環(huán)空中充滿礫石時，旁通管成為阻力最小的攜砂液通道，攜砂液進(jìn)入旁通管，并從旁通管的噴嘴流出，逐點對下部未充填密實或虧空井段進(jìn)行二次充填，直到充填壓力上升到一定值及整個井段充填密實為止。充填時井筒環(huán)空和篩管的旁通管構(gòu)成一個整體通道，當(dāng)有井筒塌陷、黏土膨脹和砂堵等情況時，篩管的旁通管起橋接作用，構(gòu)成循環(huán)通道，保證整個井段得到有效充填。

多流道旁通篩管外護套采用沖孔方式，能夠有效保護內(nèi)部的輸送管、旁通管與過濾體，同時能夠便于礫石充填進(jìn)入到外護套與過濾體之間的空隙，提高防砂效果。

在旁通管安裝連接方面，上下接頭結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的緊固件，不需要額外應(yīng)用手工操作，連接快速簡單，沒有安裝風(fēng)險。在上接頭、下接頭、蓋板、旁通管及輸送管組成的旁通輸送充填流道中，每個接頭能使攜砂液得到混合，并將其重新分配到5條管路，提高攜砂液流動的可靠性。

多流道旁通篩管優(yōu)化了輸送與旁通設(shè)置，3根輸送管流通面積達(dá)到基管流通泄流面積的22.5%，2根旁通充填管在篩管連接時，保證有1根充填管的充填口不被井壁堵塞，從而大大提高充填效率。

1.2 結(jié)構(gòu)

新型多流道旁通篩管主要由基管、過濾體、外保護套、端環(huán)、轉(zhuǎn)換體、旁通管、噴嘴、輸送管、蓋板、上接頭、下接頭、接箍構(gòu)成。

新型多流道旁通篩管內(nèi)部為基管，其尺寸為127 mm。基管外側(cè)為過濾體，基管的兩端為上接頭與下接頭，其螺紋尺寸為168 mm。在過濾體外側(cè)為3根輸送管和2根旁通管，5根管均采用扁管的方式，既能增大過流面積，又能減小工具的外徑。旁通管整體由短管和噴嘴依次連接組成，噴嘴開口的后端為一個斜面，有利于攜砂液向外噴出。輸送管和旁通管通過兩端的轉(zhuǎn)換體固定于過濾體外側(cè)，上轉(zhuǎn)換體、下轉(zhuǎn)換體通過環(huán)焊的方式固定在基管的接箍上（見圖1）。多流道旁通篩管的外側(cè)為外保護套，外保護套上對應(yīng)旁通管的噴嘴位置開有兩排孔，便于旁通管噴嘴的安裝。

圖1　旁通管、輸送管示意圖

在外保護套的兩側(cè)為上蓋板和下蓋板，2個蓋板均插入到轉(zhuǎn)換體上，將5根管子蓋住，通過環(huán)焊的方式進(jìn)行固定。通過短節(jié)、上接頭、上蓋板、旁通管及輸送管、下蓋板、下接頭及短節(jié)的結(jié)構(gòu)，形成了礫石充填旁通的路徑，所設(shè)計的多流道旁通篩管總裝圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

1接箍；2上接頭；3上蓋板；4上轉(zhuǎn)換體；5噴嘴； 6外保護套；7輸送管；8過濾體；9旁通管；10基管； 11下轉(zhuǎn)換體；12下蓋板；13下接頭；14短節(jié)；15 O型圈

圖3　多流道旁通篩管實物圖

2 多流道旁通篩管測試實驗方案設(shè)計

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

多流道旁通篩管應(yīng)用于長水平段的充填，因此需要對多流道旁通篩管流動摩阻進(jìn)行驗證分析，驗證現(xiàn)有多流道旁通篩管結(jié)構(gòu)的適用性，為現(xiàn)場作業(yè)提供指導(dǎo)。通過實驗?zāi)M現(xiàn)場工況條件下多流道旁通篩管礫石充填效果，結(jié)合整體實驗分析多流道旁通篩管的5根輸送管及旁通管的流量分布，驗證旁通充填性能和輸送性能[11]。

2.2 實驗方案

2.2.1防砂參數(shù)及評價指標(biāo) 排量為0.9 m3/min，砂比為0.059 9 g/cm3，礫石采用普通陶粒，粒徑為20～40目，攜砂液使用清水。

評價指標(biāo)包括壓力（摩阻）的變化、返出流量（流量的分配）及充填效率。

2.2.2實驗設(shè)備及流程

（1）無砂橋?qū)嶒炘O(shè)備及流程。自研一套大型全尺寸水平井礫石充填實驗?zāi)M系統(tǒng)（見圖4），該系統(tǒng)包括主體模擬井筒、加砂裝置、泵、儲液罐、輸送玻璃管、控制面板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量計、壓力傳感器、管路與開關(guān)控制閥等。

圖4　無砂橋整體實驗設(shè)備

清水實驗：首先，關(guān)閉輸送玻璃管，以0.2 m3/min為1個階梯，逐漸增大排量至2.0 m3/min，待每個排量點壓力穩(wěn)定，記錄壓力、流量數(shù)據(jù)。然后排量歸零，打開輸送玻璃管，再次逐步增大排量至2.0 m3/min，每個排量點待壓力穩(wěn)定，記錄壓力、流量數(shù)據(jù)。

無砂橋多流道旁通篩管實驗：首先，關(guān)閉輸送玻璃管，用0.059 9 g/cm3的攜砂液、0.9 m3/min的排量充填至出現(xiàn)脫砂壓力，后打開輸送玻璃管，直至完成充填，出現(xiàn)脫砂壓力后結(jié)束實驗。在實驗過程中實時記錄壓力、流量數(shù)據(jù)，并計算充填效率。

（2）有砂橋?qū)嶒炘O(shè)備及流程。有砂橋?qū)嶒炘O(shè)備在多流道旁通篩管篩套的1/3及2/3處設(shè)置2個擋板，從而形成2個虧空段，有砂橋整體實驗設(shè)備如圖5所示，性能評價實驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖5　有砂橋整體實驗設(shè)備

圖6　有砂橋?qū)嶒炘O(shè)備性能評價實驗現(xiàn)場

有砂橋多流道旁通篩管實驗：首先，關(guān)閉輸送玻璃管，用0.059 9 g/cm3的攜砂液、0.9 m3/min的排量充填至出現(xiàn)脫砂壓力，后打開輸送玻璃管，觀察輸送玻璃管的充填情況，直至充填完全至脫砂壓力后結(jié)束實驗。實驗裝置整體耐壓2 MPa，因此實驗過程中的脫砂壓力均未進(jìn)行到實際的脫砂壓力。拆開工裝，觀察第一段及兩段虧空段的充填效果，實驗過程實時記錄壓力、流量數(shù)據(jù)，并計算各段的充填效率。

3 多流道旁通篩管實驗過程及結(jié)果分析

3.1 清水實驗

清水的流量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m3/min，記錄未連接輸送玻璃管與打開輸送玻璃管后各流量梯度下的實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1、2所示。由表1可知，對于未連接輸送玻璃管和連接輸送玻璃管的清水實驗，在流量階梯上升的過程中，注入口總壓力、遠(yuǎn)端旁通管壓力和近端旁通管壓力始終較小，流體從四通注入口進(jìn)入，經(jīng)過套管和篩管環(huán)空，最后從旁通管出口排出，整個過程壓力監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)值變化不大，說明清水在該排量下整個流動過程難以起壓。由表2可知，在連接輸送玻璃管的清水實驗中，從輸送玻璃管分流的流量隨著排量的增大呈階梯狀上升，輸送玻璃管返出流量較小，主要流量都是從基管出口處返出。

表1　未連接玻璃管時清水實驗的流量及壓力

表2　連接玻璃管時清水實驗的流量及壓力

3.2 多流道旁通篩管輸送能力測試

3.2.1多流道旁通篩管常規(guī)充填實驗 柱塞泵的變頻調(diào)節(jié)裝置設(shè)定頻率為45 Hz，流量為0.9 m3/min，關(guān)閉工裝主體末端輸送管閥門，即不連接輸送玻璃管的情況下進(jìn)行加砂循環(huán)注入，實時測量并記錄清水?dāng)y砂液壓力、流量與時間的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7　未連接玻璃管清水?dāng)y砂實驗壓力、流量變化

由圖7（a）可知，壓力在500 s之后上升，說明礫石充填已經(jīng)形成了一定的阻力，在注入口壓力達(dá)到399.852 kPa后上升趨勢變緩；當(dāng)實驗進(jìn)行到1 050 s時，注入口總壓力、遠(yuǎn)近旁通管壓力急劇上升，說明充填已經(jīng)完全完成，流道被堵死。由圖7（b）可知，在排量始終為0.9 m3/min的情況下，注入口流量和旁通管輸出流量在逐漸降低。

3.2.2多流道旁通篩管輸送能力測試實驗 打開工裝末端閥門，在流量、加砂速度不變的情況下，清水?dāng)y砂液壓力、流量隨時間的變化如圖8所示。由圖8可知，在400 s左右脫砂壓力迅速升高。

圖8　連接玻璃管清水?dāng)y砂實驗壓力、流量變化

玻璃管充填過程如圖9所示。由圖9可知，在玻璃管內(nèi)可以清晰地觀察到清水?dāng)y砂充填旁通篩管的過程，礫石最先在旁通篩管與玻璃管環(huán)空的末端產(chǎn)生堆積，接下來一段時間緩慢向篩管出口處推進(jìn)，直至將環(huán)空充填滿，出現(xiàn)脫砂現(xiàn)象。此時，玻璃管入口處壓力迅速升高，由于玻璃管承壓小，未進(jìn)行到高脫砂壓力。

圖9　玻璃管充填過程

工裝拆卸后，在四通入口處觀測到礫石已經(jīng)充填滿篩管與套管內(nèi)壁環(huán)空，充填狀況良好。工裝末端套管拆卸后發(fā)現(xiàn)，礫石已經(jīng)堆積充填滿環(huán)空，充填狀況良好，說明充填效果良好（見圖10）。拆卸后，測量礫石體積，計算出旁通段充填效率為100.0%，輸送玻璃管充填效率為100.0%。

圖10　內(nèi)部充填情況

3.3 多流道旁通篩管礫石充填旁通性能測試

使用內(nèi)徑相當(dāng)于篩管外徑、外徑相當(dāng)于套管內(nèi)徑的圓環(huán)形擋板，固定在多流道旁通篩管篩套的1/3與2/3處，中間段和末端段兩端不能充填，以此模擬篩管下入井內(nèi)形成的砂橋。有砂橋多流道旁通篩管充填實驗壓力、流量變化如圖11所示。

由圖11可知，在未連接輸送玻璃管時開啟柱塞泵，將排量設(shè)置為0.9 m3/min，直至觀察到注入口壓力、遠(yuǎn)端旁通管壓力、近端旁通管壓力迅速上升，與無砂橋多流道旁通篩管輸送能力測試階段實驗特征一致，說明脫砂現(xiàn)象出現(xiàn)，篩管和套管環(huán)空充填完成；在450 s時打開連接輸送玻璃管閥門，環(huán)空流體一部分從輸送玻璃管分流，三個壓力監(jiān)測點實時壓力下降，輸送玻璃管開始充填，直至玻璃管環(huán)空被礫石完全充填出現(xiàn)脫砂現(xiàn)象，玻璃管壓力開始迅速上升。由于實驗工裝承壓性不好，兩次脫砂都未設(shè)置較高的脫砂壓力。

圖11　有砂橋多流道旁通篩管充填實驗壓力、流量變化

實驗結(jié)束進(jìn)行工裝拆卸，在加擋板的套管中看到工裝起始端和末端充填狀況良好，噴嘴及外護套與過濾體之間的環(huán)空全部充填了礫石，說明在模擬砂橋的堵塞過程中旁通管的旁通性能良好，過流能力良好（見圖12）。

圖12　虧空段、噴嘴充填情況

拆卸后，通過測量礫石體積確定旁通段入口端第一段、中間段、末端段充填效率分別為106.0%、91.3%、90.0%，篩管整體充填效率為95.7%，輸送玻璃管充填效率為100.0%。若應(yīng)用普通篩管，中間虧空段及末端虧空段都不能被充填，充填效率僅為33.3%，與多流道旁通篩管相比，常規(guī)篩管充填效率提高62.5%。

4 結(jié) 論

（1）創(chuàng)新設(shè)計了新型多流道旁通篩管，通過自研的大型全尺寸水平井礫石充填實驗?zāi)M系統(tǒng)進(jìn)行了實驗性能分析。

（5）新型篩管的旁通性測試結(jié)果表明，該篩管的旁通性能和輸送性能表現(xiàn)良好，礫石充填效率高。

［1］ 付建民，韓雪銀，范白濤，等.海上平臺井槽高效利用關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國海上油氣，2016（2）：103?108.

Fu J M，Han X Y，F(xiàn)an B T，et al.Key technology for efficient utilization of offshore platform well slots［J］.China Offshore Oil and Gas，2016（2）：103?108.

［2］ 陳白雪.定向井井眼軌道優(yōu)化技術(shù)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2015.

［3］ 程大勇.組合井網(wǎng)水平井潛力評價指標(biāo)及挖潛對策［J］.特種油氣藏，2019，26（6）：88?92.

Cheng D Y.Recovery countermeasures and potential indicators of horizontal well in combination well pattern［J］.Special Oil and Gas Reservoirs，2019，26（6）：88?92.

［4］ 王彬，艾傳志，李濱，等.巴西鹽下碳酸鹽巖油藏裸眼智能完井技術(shù)分析［J］.石油礦場機械，2019，48（5）：64?68.

Wang B，Ai C Z，Li B，et al.Application of open hole intelligent completion technology in Brazilian pre?salt carbonate reservoir［J］.Oil Field Equipment，2019，48（5）：64?68.

［5］ 宋尹東，劉瑩，劉曉賓.裸眼水平井過泥巖充填防砂系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.石化技術(shù)，2018，25（8）：138?139.

Song Y D，Liu Y，Liu X B.Research and application of pack sand control system for open hole horizontal well with mudstone［J］.Petrochemical Industry Technology，2018，25（8）：138?139.

［6］ Li Y ，Wu N，Gao D，et al.Optimization and analysis of gravel packing parameters in horizontal wells for natural gas hydrate production［J］.Energy，2021，219：119585.

［7］ Fawcett A E.Hydraulic gravel packing for deep water wells［J］.Ground Water，2010，1（1）：16?24.

［8］ 孫永興，賈利春.國內(nèi)3 000 m長水平段水平井鉆井實例與認(rèn)識［J］.石油鉆采工藝，2020，42（4）：393?401.

Sun Y X，Jia L C.Cases and understandings on the drilling of horizontal well with horizontal section of 3 000 m long in China［J］.Oil Drilling & Production Technology，2020，42（4）：393?401.

［9］ 張萬棟，楊玉豪，楊前亮，等.海上氣田壓力衰竭儲層長水平段安全鉆井控制技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2019，36（4）：454?458.

Zhang W D，Yang Y H，Yang Q L，et al.Technology for safe drilling of an offshore well with long horizontal section through depleted gas reservoir［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2019，36（4）：454?458.

［10］ 董長銀，武龍，王愛萍，等.水平井及大斜度井礫石充填過程試驗［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，34（2）：74?77.

Dong C Y，Wu L，Wang A P，et al.Experimental simulation of gravel?packing in horizontal and highly deviated wells［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Sciences），2010，34（2）：74?77.

［11］ 董長銀，武龍，王愛萍，等.基于平衡流速的水平井礫石充填α波砂床平衡高度預(yù)測與試驗［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，33（5）：80?83.

Dong C Y，Wu L，Wang A P，et al.Prediction and experiment for α wave equilibrium sand bed height in horizontal well gavel?packing based on equilibrium velocity［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Sciences），2009，33（5）：80?83.

Experimental of Performance Evaluation of Multi Channel Bypass Screen

Man Zongtong， Zhou Huan， Pang Mingyue， Dong Yanbing， Wang Shenghong， Cai Puli

（Production Optimization of China Oilfield Services Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China）

Multi channel bypass screen； Gravel packing； Gap section； Conveying capacity； Bypass performance

TE358

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2022.02.003

1006?396X（2022）02?0015?07

2021?09?28

2021?11?02

中海油田服務(wù)股份有限公司科技項目“三種多功能篩管研制及性能評價技術(shù)研究”（YSB19YF004）。

滿宗通（1991?），男，工程師，從事完井防砂技術(shù)方面研究；E?mail：manzt@cosl.com.cn。

(編輯 王戩麗）