防砂用單向閥式流入控制裝置

趙洪山，李文飛，夏文安

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000）

防砂篩管無(wú)論是否安裝流入控制裝置（ICD），為順利通過(guò)縮徑井段，安裝過(guò)程中都要下入沖管，以提供循環(huán)沖洗通道[1-2]。當(dāng)篩管下至目標(biāo)深度時(shí)，利用沖管還可以進(jìn)行充分洗井，以將井筒內(nèi)的原有流體（如泥漿）頂替出井并泵入濾餅清除劑。然而，沖管租賃成本高，運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)大。在大位移井和長(zhǎng)水平段水平井中，下入沖管不僅極為耗時(shí)，且會(huì)增加完井管串重量，甚至?xí)^(guò)管串的拉伸極限，篩管很難下至目標(biāo)深度。另外，在篩管安裝完成后發(fā)生井漏的情況下，由于防漏失閥安裝在尾管懸掛頂部封隔器之下上部裸眼的位置，需要將沖管下部的防漏失閥開(kāi)關(guān)工具起至防漏失閥位置才能將其關(guān)閉，因此要時(shí)間長(zhǎng)連續(xù)注液補(bǔ)償漏失。

為了克服下入沖管的不足同時(shí)保持循環(huán)能力，研究人員進(jìn)行了大量研究，Al-Arji等人將ICD與滑套結(jié)合，入井時(shí)滑套關(guān)閉，當(dāng)篩管下至目標(biāo)深度并準(zhǔn)備投產(chǎn)時(shí)開(kāi)啟[3]?；椎拈_(kāi)啟可通過(guò)轉(zhuǎn)位工具[3]、射頻識(shí)別標(biāo)簽[2]或憋壓等多種方式，并且可以用裸眼液壓封隔器代替裸眼膨脹封隔器達(dá)到隔離的目的，缺點(diǎn)是會(huì)損失中心管內(nèi)徑，提高成本和復(fù)雜性[4]。Corona等人提出在油基液體中用可溶塞（遇酸溶解）密封ICD隔離裸眼的方法并進(jìn)行了試驗(yàn)[5-6]。

斯倫貝謝的研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)了單向閥式流入控制裝置（CV-ICD）[7]，可以直接安裝在現(xiàn)有的篩管中代替常規(guī)ICD 的噴嘴，而不需要對(duì)篩管進(jìn)行任何加工。因此，CV-ICD可完全代替沖管使用，具有足夠的沖洗能力。筆者介紹了單向閥式流入控制裝置的設(shè)計(jì)、技術(shù)原理和性能測(cè)試，分析了其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，以其推動(dòng)我國(guó)防砂篩管完井技術(shù)的發(fā)展。

1 CV-ICD設(shè)計(jì)

CV-ICD 的單向閥包括噴嘴、球和鋁合金背板組成，如圖1所示。噴嘴由陶瓷制成，固定在316L鋼或任何耐腐蝕合金外殼內(nèi)。球位于噴嘴之下，泵送流體過(guò)程中可密封住噴嘴。球由鋁合金或陶瓷兩種材料制成，鋁合金球可溶于酸，適用于循環(huán)沖洗、頂替鉆井液等低壓作業(yè)，而陶瓷球不會(huì)塑性變形，適于高壓差下坐封液壓封隔器。噴嘴和球之下是帶有開(kāi)口的鋁合金背板，可夾持球在預(yù)定位置。通過(guò)中心管（注入方向）泵送流體時(shí)，球密封住噴嘴，而當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中，球落在鋁合金背板上，井液通過(guò)篩管從環(huán)空進(jìn)入CV-ICD，然后通過(guò)噴嘴進(jìn)入中心管。鋁合金球和背板遇溶解劑（有機(jī)酸前體）溶解，而陶瓷球則在鋁合金背板被酸溶解或被產(chǎn)液沖蝕后隨產(chǎn)液返出井眼[7]。

圖1 CV-ICD結(jié)構(gòu)示意圖

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 功能性試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)M了26.67℃和148.89℃溫度下的沖洗作業(yè)（壓差3.45×10-2～6.895MPa）和封隔器坐封作業(yè)（壓差34.5MPa），測(cè)量了1.6mm、2.5mm 和4.0mm 三種孔徑噴嘴的泄漏速率。

3.45×10-2MPa為球密封住噴嘴并提供單向閥功能所需的最小壓差。使用鹽水進(jìn)行的摩擦壓力計(jì)算表明，在壓差小于3.45×10-2MPa的區(qū)域，至少有90%的流體繼續(xù)流向趾部，也就是說(shuō)，在如此低的壓差下，噴嘴不具有單向閥功能。這些計(jì)算過(guò)于保守，這是因?yàn)闆](méi)有量化沖管鞋壓降。

在3.45×10-2～6.895MPa的壓差下1000個(gè)不同噴嘴的試驗(yàn)結(jié)果表明，1.6mm、2.5mm和4.0mm三種孔徑噴嘴的最大泄漏速率分別為0.15m3/h、0.19m3/h和1.2m3/h。

隨后進(jìn)行了100個(gè)不同噴嘴的400次壓力試驗(yàn)，其中一些試驗(yàn)是在148.89℃的溫度下的常用鹽水中進(jìn)行的。2.5mm 孔徑噴嘴在148.89℃的溫度下進(jìn)行的四次重復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果如圖2 所示，可以看出，壓力在38.6～39.99MPa之間穩(wěn)定了大約6min。

圖2 2.5mm孔徑噴嘴在148.89℃溫度下的四次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 流體相容性/溶解試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是研究CV-ICD與油基鉆井液配方的相容性，并通過(guò)與有機(jī)溶劑、表面活性劑和溶解液（如有機(jī)酸前體）接觸來(lái)驗(yàn)證溶解過(guò)程。噴嘴孔徑為1.6mm、2.5mm和4mm，采用鋁合金球的CV-ICD樣品的試驗(yàn)結(jié)果表明，與油基鉆井液接觸后，CV-ICD樣品的任何部件都沒(méi)有溶解的跡象，而在與溶解液接觸后，單向閥功能完全消失。

2.3 噴嘴密封/開(kāi)啟試驗(yàn)

試驗(yàn)步驟：①泵入油基鉆井液，確認(rèn)球密封住噴嘴并提供單向閥功能所需的壓差；②增壓1.03MPa、6.895MPa和34.375MPa后，確認(rèn)球離開(kāi)噴嘴座所需的壓差。

測(cè)試結(jié)果表明，密封噴嘴所需壓差的范圍為（4.8～24）×10-3MPa，而噴嘴—開(kāi)啟所需的壓差小于6.895×10-3MPa[7]。

2.4 流動(dòng)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中記錄了壓差1.03×10-1MPa和1.1×10-1MPa之間的流速。在給定壓差下，所有無(wú)球和背板的CVICD和常規(guī)ICD的流動(dòng)性能非常接近，同樣，噴嘴孔徑1.6mm和2.5mm有球和背板的CV-ICD和常規(guī)ICD的流動(dòng)性能差在5%以內(nèi)，而噴嘴孔徑4mm有球和背板的CV-ICD和常規(guī)ICD的流動(dòng)性能差高達(dá)40%。

2.5 背板耐蝕試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是確定未泵入濾餅清除劑情況下采出液沖蝕背板使單向閥功能完全消失所需的時(shí)間。試驗(yàn)中使用了陶瓷球，壓差范圍為0.2～1.0MPa，流速范圍為0.12～1.2m3/h。沖蝕背板所需的時(shí)間與噴嘴孔徑和壓差成函數(shù)關(guān)系。部分沖蝕時(shí)間如表1所示。

表1 不同噴嘴孔徑CV-ICD背板不同壓差下的沖蝕時(shí)間

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

迄今為止，CV-ICD 防砂篩管已成功安裝在全球各地的35口井中（見(jiàn)表2），縮短了鉆機(jī)時(shí)間，降低了沖管租賃和施工成本。

表2 不同地區(qū)CV-ICD安裝總結(jié)

3.1 頂替鉆井液

里海北部某油田為具有一個(gè)大天然氣頂?shù)纳皫r儲(chǔ)層，為盡可能減少氣竄的影響，作業(yè)者選擇了旋轉(zhuǎn)篩管裸眼完井技術(shù)，裸眼段長(zhǎng)5000m。而且，為降扭減阻，解決頁(yè)巖不穩(wěn)定問(wèn)題，鉆完井過(guò)程中使用了油基鉆井液。

在最初的6口井中，完井作業(yè)前鉆井液一直留在裸眼段，直到生產(chǎn)過(guò)程中才隨井液排出一部分。淡水、原油、鉆井液和鹽水混合物中的固相顆粒會(huì)對(duì)泵及其他地面設(shè)備造成傷害。此外，鉆井液不能完全排出還會(huì)極大影響生產(chǎn)效率。因此，投產(chǎn)前必須將鉆井液頂替出井。

為克服下入沖管的不足，作業(yè)者用CV-ICD 代替沖管，以防止洗井過(guò)程中井筒液體通過(guò)噴嘴漏失至環(huán)空中。應(yīng)用CV-ICD 共順利完成了5 口井，避免了沖管的使用，平均每口井縮短作業(yè)時(shí)間48h，節(jié)約成本200萬(wàn)美元[9]。

3.2 沖洗解除阻卡

挪威北海某油田滲透率分布不均勻，砂巖中存在頁(yè)巖夾層。作業(yè)者計(jì)劃鉆一口長(zhǎng)水平段水平井，設(shè)計(jì)井深4475m，垂深1974m，最大井斜90°，裸眼段長(zhǎng)1500m。

由于該油田地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，之前的幾口井采用防砂篩管和常規(guī)噴嘴式ICD進(jìn)行裸眼完井。這些ICD通常與沖管一起下入，在篩管下入過(guò)程中可進(jìn)行沖洗解除阻卡，以確保完井管柱順利下至井底。此外，篩管下至井底后，利用沖管還可在整個(gè)裸眼段注入濾餅清除劑。

由于使用沖管成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，作業(yè)者在該水平井中使用了CV-ICD。應(yīng)用CV-ICD代替沖管成功進(jìn)行了防砂完井作業(yè)，沒(méi)有產(chǎn)生額外的非生產(chǎn)時(shí)間，縮短作業(yè)時(shí)間24h，節(jié)約成本約80萬(wàn)美元。

3.3 防止井液漏失

如果防砂井發(fā)生井液漏失，需要連續(xù)注液補(bǔ)償漏失，因此防漏失閥關(guān)閉之前的時(shí)間極為關(guān)鍵。該時(shí)間長(zhǎng)短與裸眼長(zhǎng)度密切相關(guān)，近似為將沖管底部的防漏失閥開(kāi)關(guān)工具起至防漏失閥位置將其關(guān)閉所需的時(shí)間。

某油田地層為砂巖，存在幾個(gè)頁(yè)巖夾層。為提高井眼質(zhì)量，需泵入濾餅清除劑。而且，為便于防砂完井管柱順利下至井底，還需要下入馬達(dá)和鉆頭，因此完井作業(yè)需要下入帶有沖管和常規(guī)ICD的防砂篩管。沖管回收極為耗時(shí)，在防漏失閥關(guān)閉之前，由于濾餅清除劑存在漏失風(fēng)險(xiǎn)。

為縮短鉆機(jī)時(shí)間，及時(shí)關(guān)閉防漏失閥以避免井液漏失，作業(yè)者在一口新井中用CV-ICD 代替了沖管。CV-ICD 防砂篩管完井管柱成功安裝，由于沒(méi)有使用沖管，及時(shí)關(guān)閉了防漏失閥，降低了井液漏失風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有產(chǎn)生額外的非生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省鉆機(jī)時(shí)間24h。

3.4 坐封封隔器

加拿大海上某井計(jì)劃采用LineSlot*優(yōu)質(zhì)繞絲篩管完成1260m裸眼段的完井作業(yè)，完井管柱需配備ICD，并用兩個(gè)裸眼液壓封隔器實(shí)現(xiàn)層位封隔。在準(zhǔn)備坐封封隔器時(shí)，必須在每個(gè)封隔器上下安裝拋光座圈。隨后，封隔器坐封和隔離需要專門(mén)下入模制密封組件和沖管。

考慮到下入沖管存在的高成本及高風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)者決定使用CV-ICD 代替常規(guī)ICD，這樣就無(wú)需下入沖管循環(huán)沖洗并坐封封隔器。

完井管柱總長(zhǎng)1427m，共下入31根篩管，每根篩管配備有4 個(gè)CV-ICD，憋壓34MPa 成功坐封封隔器。由于CV-ICD 代替了沖管，為作業(yè)者縮短鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)間20h，節(jié)約成本100萬(wàn)美元。

4 結(jié)論建議

（1）CV-ICD 設(shè)計(jì)新穎，可完全代替沖管，克服傳統(tǒng)防砂篩管+ICD+沖管組合的不足。單向閥可以直接安裝在現(xiàn)有的篩管中代替常規(guī)ICD 的噴嘴，而不需要對(duì)篩管進(jìn)行任何加工，具有足夠的沖洗能力。與下入沖管相比，CV-ICD可極大縮短鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)間，提高施工效率，降低成本；

（2）目前，CV-ICD 已在全球35 口井的防砂完井施工中成功應(yīng)用。每口井都沒(méi)有使用沖管，循環(huán)沖洗或憋壓坐封封隔器時(shí)，泵入液體使球密封住噴嘴防止液體漏失至環(huán)空中，從而確保完井管柱的液壓完整性；

（3）CV-ICD 的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)確定，而礫石充填I(lǐng)CD在業(yè)內(nèi)還不常見(jiàn)，隨著CV-ICD的發(fā)展，建議將其引入到礫石充填防砂完井作業(yè)中；

（4）建議將CV- ICD 的承壓極限提高至34.475MPa以上，并研發(fā)一種永久式CV-ICD，以防止儲(chǔ)層之間橫流污染。