海上水平井過泥巖充填新工具的研究與應用

萬 祥， 和鵬飛， 李君寶， 王允海， 邊 杰， 袁則名， 董瀟琳

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

海上水平井過泥巖充填新工具的研究與應用

萬 祥， 和鵬飛， 李君寶， 王允海， 邊 杰， 袁則名， 董瀟琳

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

水平井裸眼井礫石充填技術是開發常規油氣藏的有效手段,但受到泥巖垮塌等因素的影響,裸眼井礫石充填存在較高的失敗率。為了解決海上非均質水平井鉆遇大段泥巖而導致充填防砂失敗的問題,通過對現有技術調研分析、對比優選可行性處理方案，研究并應用了過泥巖充填新工具。在新工具設計中，回插定位密封及底部旁通總成構成了整個工具的底部液流通道;內外177.8mm盲管與127mm盲管及其底端插入密封的環空構成了整個工具的中部液流通道;上部旁通快接總成連接兩層盲管,并且提供了頂部的液流通道。在完成新工具加工后，采用弱點強度理論計算校核和實際試驗的方式驗證了其可靠性和功能性，最后在QHD油田某井實施了現場應用，結果表明新式裸眼分段壓裂完井工具性能優越、安全穩定。

海上油田；水平井；非均質；充填防砂；工具

0 引 言

在渤海油田油氣開發過程中，水平井應用十分廣泛。近年來隨著開發的深入進行,水平井水平段鉆遇非均質儲層即大段泥巖的情況頻繁發生，而面對泥巖垮塌導致充填失敗的問題[1—3]，多年來也進行過不同的嘗試，比如在泥巖段下入篩管或下入盲管，但都無法避免泥巖垮塌所帶來的影響，嚴重時會導致一口井無產量，例如埕北油田海17H1井[4]。為了根本解決此問題，經過總結國內外的經驗[5—7]，通過多次論證、計算，研制了過泥巖充填工具，當泥巖垮塌時也能提供一個液流通道保證充填的順利進行，以此來解決水平裸眼井礫石充填過程中泥巖垮塌所帶來的一系列問題。

1 技術現狀

1.1 現有技術基本情況

目前渤海油田水平裸眼井防砂方式分為兩種： 優質篩管簡易防砂(見圖1)和礫石充填防砂。對于優質篩管簡易防砂井來說，當遇到裸眼內含有大段泥巖的情況時，一般在泥巖段下入盲管來支撐井壁，或者在泥巖兩端加入遇油遇水膨脹封隔器來封隔泥巖，防止泥質顆粒的運移。對于礫石充填防砂井來說，當遇到大段泥巖時，一般在泥巖段仍下入篩管來完成礫石充填作業，以砂擋泥，或者在泥巖段下入盲管來完成礫石充填作業，盡量減少泥質顆粒的運移。

圖1 渤海油田常規篩管充填防砂方式Fig.1 Sand control method of conventional screen pipe filling in Bohai Oilfield

1.2 現有技術局限性

渤海油田水平裸眼井井段的鉆井一般使用無固相鉆井液，此鉆井液對儲層保護具有明顯的優點，最大幅度地降低對表皮系數的影響，因此在井壁上形成的泥餅較薄，當受到外界機械作用時，極易遭到破壞，從而降低對泥巖的封堵性及抑制性。而下入防砂管柱的過程，以及礫石充填過程中陶粒的沖刷，都會造成對泥餅的破壞，因此在完井礫石充填之前或者充填過程中，都有出現泥巖垮塌的可能。

對于含泥巖的裸眼礫石充填井來說，不論泥巖段下入的是篩管還是盲管，泥巖垮塌后，僅能充填泥巖以上的部分。如果管鞋以下就是大段泥巖，那么現有技術的局限性就更明顯，下入篩管會出現泥巖垮塌時無法通過憋壓的方式重新建立通道的情況，下入盲管會出現脫砂壓力作用在泥巖層并壓漏地層，無法達到標準脫砂壓力值的情況。

2 過泥巖充填系統技術方案

通過分析泥巖對裸眼井礫石充填的影響，解決此問題，可以有以下幾個方案： (1)改變鉆井液體系，增厚泥餅，減少機械因素對泥餅的損傷；(2)改變防砂方式，含大段泥巖的礫石充填井改為簡易防砂井；(3)通過改變工具，來保證當泥巖垮塌時仍具有足夠的液流通道。前兩種方案都需要犧牲油井產能或壽命來達到目的，而第三種方案有望解決泥巖垮塌給礫石充填帶來的影響。

據此，圍繞如何建立足夠的液流通道考慮含泥巖裸眼井礫石充填配套工具，具體方法為將在泥巖段由礫石充填的常規兩層管柱創造性開發成外、中、內三層管柱。外層管柱由上部復合循環工具、盲管、下部復合循環密封筒等構成；中層由限位密封短節和盲管等構成；內層由沖管構成(內層與原技術相同)。泥巖段上、下部儲層段仍保持常規的兩層管柱，即防砂管柱和服務管柱。

3 過泥巖充填關鍵工具研制

3.1 關鍵工具

上部復合循環工具如圖2所示，將外層管柱和中層管柱連接在一起，上端可與上部儲層段的篩管相連，下端有外扣、內扣，外扣可與外層管柱(盲管)相連，內扣與中層的盲管相連，其作用是連接防砂管柱的兩層結構，并提供外層與中層之間液體的上部流道。設計時考慮液體進入夾層時保持原有液流方向進入，不對上部復合循環工具內管產生直接沖蝕，同時也減少液體流向的改變，消除流道上的死角，減少陶粒堆積的可能性。其外徑為194mm，不超過177.8mm盲管節箍外徑；內徑為124mm，與139.7mm盲管內徑相當，以滿足充填要求。同時旁通外套為快速連接，集成了快速接頭的功能(并不影響流道)，以便外扣和外層管柱緊扣時無需旋轉管柱。

圖2 上部復合循環工具Fig.2 Upper composite cycle tool

復合循環密封筒由底部旁通工具(見圖3)與密封筒總成連接而成，復合循環密封筒一端與外層盲管連接，另一端與下部篩管相連，密封筒總成部分內部可與限位密封短節(中層管柱)配合實現密封。設計時考慮液體流出底部旁通工具時的流向，開孔具有向下的一定角度，并在旁通孔外增加旁通外罩，保證液流不對地層沖刷，避免對地層的傷害。其外徑為194mm，不超過177.8mm盲管節箍外徑。

圖3 底部旁通工具Fig.3 Bottom bypass tool

限位密封短節連接在中層管柱的最下端，以便與密封筒相配合形成密封，使得液體只能通過底部旁通工具流出，提供外層與中層之間液體的下部流道。密封筒總成由密封筒以及定位延伸筒組成，限位密封短節插入密封筒后繼續下行至定位延伸筒底部縮徑遇阻，同時限位密封短節下部有負荷顯示彈性爪，遇阻之后上提時與密封筒下端面配合產生有過提顯示，方便判斷是否插入到位。

3.2 工具參數計算

根據管柱強度計算公式[8]，計算整套工具(含薄節箍盲管)的最薄位置(底部旁通工具)抗拉強度≥1.628MN，抗內壓≥53.3MPa；負荷顯示彈性爪彎曲應力≤620MPa。

在泥巖段坍塌后且充填排量6bpm(桶/分，1bpm≈0.159m2/min)、砂比0.5ppg(磅/加侖，1ppg≈0.12g/cm3)工況下，上部和底部大通徑旁通工具的循環壓耗≤116psi(1psi≈6.89kPa)，流速≤5.2m/s，對工具平均沖蝕量為0.018mm/d，故該管柱的壓耗和抗沖蝕能力滿足使用要求。圖4～6給出了該工具流速、壓耗和沖蝕模擬結果。

圖4 工具流速模擬Fig.4 Tool flow simulation

圖5 工具壓耗模擬Fig.5 Tool pressure loss simulation

圖6 工具沖蝕模擬Fig.6 Tool erosion simulation

4 工具地面試驗

4.1 工具部件試驗

對旁通總成分別打內、外壓35MPa，穩壓10min，壓降分別為0.5MPa和0.2MPa，試驗合格。

負荷顯示彈性爪工具通過在密封筒內多次壓過和上提，獲得穩定的上提載荷為2～3t，下壓載荷為1～2t。

對薄接箍油管進行交變應力測試，拉力882.6kN(90t)、壓力294.2kN(30t)反復測試10次，套管無損傷，壓力測試35MPa，壓降0.3MPa。

4.2 工具整體試驗

φ215.9mm裸眼井泥巖段礫石充填工具鉆采試驗井進行入井模擬試驗，測試含泥巖段裸眼充填工具井口連接的配合性和含泥巖段外層管柱導流通道的摩阻。

攜砂液在井筒內為固液兩相流，將試驗簡化為在井口關防噴器模擬含泥巖段地層垮塌，使用清水測試含泥巖段外層管柱導流通道的摩阻，測得導流通道暢通。根據雷諾數的定義式，在礫石充填排量為8bpm的情況下，計算導流通道雷諾數7068.7>4000，為紊流狀態。

紊流流體在環空中的壓耗公式為

(1)

式中： ΔP為壓耗，psi；dh為外層盲管內徑，mm；dp為內層盲管外徑，mm；L為盲管長度，m；Q為排量，L/min；ρ為洗井液密度，g/cm3。根據式(1)，計算流體在導流通道中的壓耗ΔP為147.93psi。

試驗中選取礫石充填最大排量8bpm下的泵壓為0，忽略讀數誤差，試驗結果與計算壓耗一致。流體在含泥巖段外層導流通道的摩阻不影響礫石充填作業正常進行，導流通道滿足礫石充填作業要求。

5 現場應用

渤海油田秦皇島區塊海15H1井2017年5月完鉆，裸眼長度為267.76m，管鞋以下65.76m為泥巖。過泥巖充填工具首次應用于此井，按照防砂管柱下入表下入防砂管柱，其中過泥巖充填工具下入過程如下。

(1) 下入復合循環密封筒+φ177.8mm盲管，將最后一根盲管坐于井口并打好安全卡瓦。

(2) 下入φ152.4mm插入密封+φ139.7mm薄壁盲管，每根盲管通徑，緩慢下放管柱探底插入，重復兩次確認深度無誤，井口配長。

(3) 下入上部復合循環工具，與φ177.8mm盲管相連。

(4) 防砂管柱下入到位后，進行礫石充填作業： 砂比0.5ppg，泵速7.0bpm，α波鉆桿壓力290～370psi，β波鉆桿壓力370～500psi，累計泵入20/40目陶粒15513lbs(約7.037t)，計算充填效率102.19%，以9.2英寸(1英寸≈25.4mm)井眼計算。

現場應用結果表明，該過泥巖充填工具達到預期效果。

6 結 語

通過過泥巖充填工具研制技術的攻關，開發出了上部復合工具、底部旁通工具等具有獨特設計的關鍵工具。通過理論計算及計算機模擬，過泥巖充填工具各方面參數達到要求，滿足海洋石油完井手冊里關于礫石充填的各方面要求。通過車間實驗以及實驗井的入井試驗，過泥巖充填工具滿足設計要求，具備裸眼井過泥巖充填的能力。水平裸眼井充填過程中泥巖垮塌導致無循環通道而引起充填失敗的問題，可以通過使用此工具完美解決。根據現場的實際需求，后續研究應重點在φ152.4mm工具的設計與測試。

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ResearchandApplicationofNewSandControlFillingToolforOffshoreHorizontalWell

WAN Xiang, HE Peng-fei, LI Jun-bao,WANG Yun-hai, BIAN Jie, YUAN Ze-ming, DONG Xiao-lin

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Tianjin300452,China)

Sand filling control in horizontal wells is widely used in oil and gas development, but if mudstone exists, the possibility of sand filling failure will increase. In order to solve the failure of filling sand control when drilling a large section of mudstone in horizontal wells in offshore oilfields, through the research and analysis on existing technology, we compare and optimize the feasible treatment programs, and develop and apply a new filling tool. In the new tool design, the back plug, the positioning seal and the bottom bypass assembly form the bottom flow passage of the tool; the 177.8 mm blind tube, the 127 mm blind tube, and the corresponding bottom end are inserted into the sealed annulus to form the middle liquid flow passage; the upper bypass quick connection assembly is connected to the two layers of blind tubes and provides a liquid flow passage at the top. After the completion of the new tool, the reliability and functionality of the method are verified by means of weak point strength theory calculation and actual test. Finally, a field application is carried out in a well in QHD Oilfield. The results show that the new type of open hole fracturing completion tool is superior in performance and safe and stable.

offshore oilfield; horizontal well; heterogeneous; filling sand control; tool

TE53

A

2095-7297(2017)04-0227-05

2017-06-14

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司“含泥巖裸眼井礫石充填配套系統”項目(GCJSLZBG-1626)

萬祥(1986—)，男，學士，工程師，主要從事海洋石油完井技術工作。