細分層系一次多層壓裂充填防砂技術研究

，，， ， ，嚴孟，，

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

1 問題的提出

隨著海上油氣田不斷開發，油氣田基礎產量逐年遞減，部分主力油田進入高含水階段，綜合含水有的已經達到80%。“十三五”期間，蓬萊油田群和曹妃甸油田群將聚焦綜合調整和剩余油挖潛，預計實施調整井千余井次。針對儲層穩產增產和細分層系的需求，目前海上常用?244.5 mm生產套管完井，主要采用的一次多層防砂技術大多適用于高速水充填防砂[1-2]，難以滿足大排量和高壓力壓裂充填防砂的需要[3]。渤海現有一次多層防砂管柱和工具的復雜性，其可實現最多1次6層防砂作業，無法滿足蓬萊油田群精密調整1次7層及以上的細分層系配注和開發的需要。本文在調研蓬萊油田采用1次2層高速水充填和單層逐級壓裂充填完井方式的9井次產量對比(圖1)發現，采用高速水充填作業的投產初期產量只達到油藏配產的66%，而采用壓裂充填作業的投產初期產量可達到油藏配產的108%。事實證明，一次多層壓裂充填防砂技術將成為油氣井穩產和增產的必要手段。

a 高速水充填

自20世紀末引進國外一次多層防砂技術以來，國內外各大石油公司和專業技術服務公司均根據目標油田的開發需要，通過消化吸收和量身定制，完成了適用技術的自主研究和產品配套。目前，國際市場上應用較多和水平相對較高的有貝克休斯Mine-Beta、哈里伯頓STMZ[4-5]、中海油、東營瑞豐和勝利鉆采等一次多層充填防砂技術，而具備細分層系一次多層大排量壓裂充填防砂能力的貝克休斯MST和哈里伯頓ESTMZ 等新技術一直面臨推廣應用難度大等瓶頸。

1) 貝克休斯Mine-Beta、哈里伯頓STMZ和中海油等一次多層常規充填防砂技術在施工排量、壓力和適用層數上無法滿足細分層系大排量壓裂充填防砂以增注增產的需要。由于同類技術均采用雙層中心管和近百套密封組合聯動的管柱結構，其較大的循環摩阻制約了施工排量和耐壓級別的提升空間，且增加了海上配管作業的難度和施工風險。例如貝克休斯Mine-Beta和哈里伯頓STMZ技術，可滿足最多1次6層、最大施工排量4.8 m3/min、最大耐壓級別41.4 MPa和最大服務工具長度300 m的極限工況；國內以中海油為代表的現有一次多層防砂工具[6](如圖2)可滿足最多1次6層、最大施工排量3.5 m3/min，最大耐壓級別35 MPa和最大服務工具長度300 m的作業需要。國內外相關技術均無法滿足1次7層及以上細分層系的防砂要求。

2) 貝克休斯MST(如圖3)和哈里伯頓ESTMZ技術的工具和篩管成本相對較高，現場施工作業時效較低，以及后期存在大修作業難度大和生產滑套易砂堵的難題，且這2項新技術的應用業績較少，至今缺乏足夠的應用經驗，未形成產業化。由于采用帶滑套的雙層篩管和單層沖管組合，基本不受層數和服務工具長度的限制，其可滿足1次7層及以上細分層系、最大施工排量6.3 m3/min和最大耐壓級別69 MPa的極限工況，但其需要專用井口工具進行防砂工具和篩管的井口連接和逐級試壓，其復雜性和時效差嚴重制約了其在海上高效需求下的應用推廣。面對篩管內置生產滑套易出現細粉砂堆積堵塞風險和后期大修難度大等難題，均缺乏配套的修井處理措施和后期可不動管柱選擇性作業的提效解決手段，故這2種技術仍無法滿足海上細分層系防砂和配注開發的技術和產業化建設需要。

1—地層；2—頂部封隔器；3—服務工具中心管；4—套管；5—隔離封隔器；6—滑套；7—充填礫石；8—篩管；9—沉砂封隔器；10—頂部封隔器坐封及脫手工具；11—內層服務管柱；12—密封短節；13—充填短節；14—關閉工具；15—開關工具；16—單流閥。

1—頂部封隔器；2—滑套；3—內置生產滑套的雙層篩管；4—隔離封隔器；5—內層服務管柱；6—套管及射孔段；7—沉砂封隔器。

3) 針對海上完井技術中普遍存在的儲層保護難度大和施工復雜風險高等特點，以及無法實現層間分隔的高效調整和薄油層精細分防砂的難題，當前應用技術均未能有效地配套解決。

針對上述問題，本文設計了一種細分層系一次多層壓裂充填防砂工藝管柱，以解決現有技術的應用局限性，并進行了關鍵工具的改進和創新。通過施工參數模擬分析和對比國內外同類技術的特征參數，探討了細分層系一次多層壓裂充填防砂技術研究的必要性和適用性。

2 細分層系一次多層壓裂充填防砂管柱及關鍵工具

2.1 工藝管柱設計

為了實現一次多層細分層系壓裂充填防砂的目的，筆者在中海油一次多層成熟防砂工具的基礎上，采用雙層篩管防砂機理，設計了一種適合海上一次多層細分層系和可承受壓差69 MPa的壓裂充填防砂工藝管柱。外層管柱包括頂部總成、篩管總成、隔離總成和底部總成，如圖4；服務管柱包括頂部轉換工具、沖管、充填轉換工具和生產滑套開關服務工具總成，如圖5。外層管柱的篩管總成采用不開孔基管設計，服務管柱的沖管內部采用無中心管設計，可最大化降低循環摩阻和現場配管服務的作業風險，滿足細分層系大排量壓裂充填和儲層保護的需要，同時通過預置多段長度≤6 m的隔離總成，可實現分層開采中后期的高效調整。

該管柱的主要工藝流程：①管柱下入。通過將服務管柱的充填短節和反循環閥放置外層管柱的充填滑套與底部密封筒之間，可實現管柱下入到位前的實時反循環洗井和到位后正循環免投球坐封壓裂頂部封隔器；②服務工具脫手和坐封全部隔離封隔器。正打壓脫手服務工具后，上提服務管柱使充填短節與上部所有隔離封隔器的傳壓孔連通，可實現一次打壓坐封所有隔離封隔器；③開關滑套和檢驗隔離封隔器的密封性。通過上提和下放服務工具使開關、關閉工具選擇性地打開作業層段的充填滑套和循環滑套，然后通過正循環觀察環空返出和漏失對比以判斷隔離封隔器是否完全坐封；④循環測試和充填作業。首先下放服務管柱使機械定位工具與外層管柱定位接箍的精確定位，然后下壓一定載荷進行大排量循環測試和充填作業；⑤反循環洗井作業。首先上提服務管柱使反循環閥和充填短節同時處于充填滑套的延伸筒內，同時充填滑套關閉工具

圖4 外層管柱示意

圖5 服務管柱示意

可完全關閉充填滑套，然后反循環沖洗充填滑套和鉆桿內部多余的砂礫，直至返出干凈；⑥驗充填和驗滑套密封性作業。首先下放服務管柱至充填作業位置，當打開充填滑套時進行正循環測試以檢驗充填埋高深度，當關閉充填滑套時進行正循環測試以檢驗滑套關閉后的密封可靠性；⑦重復步驟③～⑥。由下至上逐層完成充填，同時關閉所有滑套可實現儲層保護，最后起出服務工具；⑧不動管柱選擇性開關生產滑套作業。首先使用連續油管或電纜攜帶擴張式開關工具和井下輔助動力裝置通過生產管柱并到達預定滑套位置，然后通過管內打壓或電力控制驅動開關工具徑向擴張以滿足開關滑套需要，最后上提開關工具，實現目標滑套的選擇性開關。

2.2 可快速連接雙層篩管設計

雙層篩管主要由篩管過濾層、基管、上連接套、復合擋砂墊圈、雙層接箍、座掛接頭和下連接套組成，如圖6所示。上、下連接套和篩管過濾層與基管之間均采用內部筋板一體式焊接以加強支撐，且滿足基管與過濾層之間足夠的生產過流面積。在井口連接雙層篩管時，首先使用井口卡瓦將下部篩管座掛在井口，再使用吊卡將上部篩管的上連接套插入下部篩管的雙層接箍內，直至扶正API套管公母螺紋順利對扣，最后使用常規套管鉗一次夾持完成雙層篩管內外的同步連接，保證了雙層篩管連接的時效性和安全性。

圖6 雙層篩管結構示意

2.3 防砂管預置井口快速試壓工具

為了滿足雙層篩管管柱結構進行壓裂充填防砂和分層配采配注的功能需要，研制了一種高效的井口試壓工具，以檢驗整體防砂管柱連接后的密封可靠性。該工具主要由常閉式錨定密封和回插中心管組成，如圖7所示。常閉式錨定密封內部預設有單向密封引鞋和帶復位彈簧的解鎖機構。首先在防砂外層管柱底部安裝常閉式錨定密封，可在井口連接防砂管時不間斷地連接試壓接頭，即可快速完成下部防砂管柱試壓。同時可在下入防砂管時實現免灌漿作業，然后在全部外層管柱下入試壓合格后下入回插中心管及服務管柱，當回插中心管插入試壓工具內，并通過自鎖卡簧連接為一體時，最后上提服務工具解鎖釋放爪，可實現單向密封引鞋的剪切回收和防砂管柱的全通徑需要。

圖7 井口快速試壓工具

2.4 防砂管內置一體式生產滑套

為了建立雙層篩管管柱進行充填和分層配采配注的流動通道，研制了與篩管集成一體下入的內置生產滑套。該工具主要由雙層接箍、上接頭、V組密封、滑動襯套、外筒、下接頭、連接套和復合擋砂墊圈組成，如圖8。滑動襯套與配套開關工具設計采用M形專用溝槽，可實現系列生產滑套的選擇性開關，同時通過外筒與上、下接頭間隙的過流通道最大化設計；采用與雙層篩管互換的連接方式，可進行多級生產滑套的簇式布置以滿足后續雙層篩管層間沖砂洗井的作業需要。

圖8 一體式生產滑套

3 可行性研究

3.1 施工參數模擬分析

為了驗證細分層系一次多層壓裂充填防砂管柱的參數適應范圍，以KL10-1平臺B54井1次6層防砂作業井況為例，基于泵入流體的質量和能量守恒，以及U形管壓力平衡規律[7]，進行壓裂充填模擬和反循環模擬分析，如圖9～10。該井井深1 500 m，生產套管內徑?220.5 mm，篩管外徑?162.5 mm，沖管外徑?101.6 mm，密封筒內徑?120.65 mm，采用?139.7 mm鉆桿下入。分析使用20/40目陶粒，最大砂含量為1 200 kg/m3；同時考慮渤海常見一次多層用服務工具的中心管長度為100～400 m。

圖9 壓裂充填模擬

經壓裂正循環充填和反循環施工模擬分析發現，該管柱在400 m服務工具長度下可滿足最大充填排量7 m3/min的泵壓為58.6 MPa，小于壓裂防砂管柱和井口設備的許用壓力級別69 MPa；在400 m服務工具長度下可滿足最大反循環排量1.2 m3/min的泵壓為10.3 MPa，小于環空井筒和井口設備的安全壓力級別13.8 MPa。該技術采用雙層篩管和單層沖管組合，基本不受層數和服務工具長度的限制。優選高黏度的交聯膠，提高攜砂能力。與常規一次多層充填防砂技術和國外同類ESTMZ技術相比，該技術還可以進一步滿足最大1 200 m服務工具長度、最大充填排量7 m3/min、最大耐壓級別69 MPa、1次7層及以上細分層系壓裂充填防砂的作業需要。

圖10 反循環模擬

3.2 技術對比分析

為了深入論證適合海上常用?244.5 mm生產套管細分層系一次多層壓裂充填防砂技術的適用性，對國內外同類技術進行了技術參數、經濟性、優勢和風險的調研和評估，如表1～3[8-11]。

表1 國內外一次多層壓裂充填防砂的參數對比

表2 國內外一次多層壓裂充填防砂的優勢和風險對比

表3 國內外1次5層壓裂充填防砂的經濟性對比

經國內外對比分析發現，該技術可適用于1次7層及以上細分層系一次多層壓裂防砂的需要，可滿足最大服務工具長度1 200 m，最大壓裂充填施工排量7 m3/min和最大工作壓差69 MPa的技術要求，且雙層篩管結構具備了防止完井液漏失以保護儲層的功能優勢。通過可快速連接的雙層篩管、防砂管預置井口快速試壓工具和防砂管內置一體式生產滑套等創新設計，保證了其較高的技術時效性和先進性。除此之外，以渤海某井1次5層300 m射孔段進行壓裂充填防砂為例，該技術在扣除篩管額外增加成本后，可節省人員成本、鉆井船日費、設備租賃等費用近20萬元。

4 結論

1) 通過對國內外一次多層充填防砂技術的調研發現，采用雙層篩管原理進行一次多層細分層系大排量壓裂充填防砂的完井方式相對可行。鑒于國外MST和ESTMZ同類技術的諸多適用局限性，研究了一種適合海上一次多層細分層系壓裂充填防砂技術。

2) 對細分層系一次多層壓裂充填防砂管柱及可快速連接的雙層篩管、防砂管預置井口快速試壓工具和防砂管內置一體式生產滑套等關鍵工具的創新設計，解決了國內外同類技術不能滿足海上高效1次7層及以上細分層系大排量壓裂充填防砂作業的局限性，為實現細分層系防砂與配采配注目標給出了具體可行的解決方案。

3) 壓裂充填和反循環模擬分析發現，該技術在400 m服務工具長度下可滿足最大充填排量7 m3/min的泵壓為58.6 MPa，且可滿足最大反循環排量1.2 m3/min的泵壓為10.3 MPa；與國內外同類技術相比，還可進一步滿足最大1 200 m服務工具長度、最大充填排量7 m3/min、最大耐壓級別69 MPa、1次7層及以上細分層系壓裂充填防砂的作業需要。

4) 一次多層細分層系壓裂充填防砂技術具有作業時效性高、功能優勢多等先進技術，同時在扣除篩管額外增加成本后，節省了人員工時、鉆井船日費、設備租賃等費用。具有明顯的技術、經濟和產業拓展價值。