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 257000）

防砂篩管無論是否安裝流入控制裝置（ICD），為順利通過縮徑井段，安裝過程中都要下入沖管，以提供循環沖洗通道[1-2]。當篩管下至目標深度時，利用沖管還可以進行充分洗井，以將井筒內的原有流體（如泥漿）頂替出井并泵入濾餅清除劑。然而，沖管租賃成本高，運輸風險大。在大位移井和長水平段水平井中，下入沖管不僅極為耗時，且會增加完井管串重量，甚至會超過管串的拉伸極限，篩管很難下至目標深度。另外，在篩管安裝完成后發生井漏的情況下，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關工具起至防漏失閥位置才能將其關閉，因此要時間長連續注液補償漏失。

為了克服下入沖管的不足同時保持循環能力，研究人員進行了大量研究，Al-Arji等人將ICD與滑套結合，入井時滑套關閉，當篩管下至目標深度并準備投產時開啟[3]?；椎拈_啟可通過轉位工具[3]、射頻識別標簽[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到隔離的目的，缺點是會損失中心管內徑，提高成本和復雜性[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行了試驗[5-6]。

斯倫貝謝的研究人員設計研發了單向閥式流入控制裝置（CV-ICD）[7]，可以直接安裝在現有的篩管中代替常規ICD 的噴嘴，而不需要對篩管進行任何加工。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計、技術原理和性能測試，分析了其現場應用情況，以其推動我國防砂篩管完井技術的發展。

1 CV-ICD設計

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。球位于噴嘴之下，泵送流體過程中可密封住噴嘴。球由鋁合金或陶瓷兩種材料制成，鋁合金球可溶于酸，適用于循環沖洗、頂替鉆井液等低壓作業，而陶瓷球不會塑性變形，適于高壓差下坐封液壓封隔器。噴嘴和球之下是帶有開口的鋁合金背板，可夾持球在預定位置。通過中心管（注入方向）泵送流體時，球密封住噴嘴，而當生產過程中，球落在鋁合金背板上，井液通過篩管從環空進入CV-ICD，然后通過噴嘴進入中心管。鋁合金球和背板遇溶解劑（有機酸前體）溶解，而陶瓷球則在鋁合金背板被酸溶解或被產液沖蝕后隨產液返出井眼[7]。

圖1 CV-ICD結構示意圖

2 室內試驗

2.1 功能性試驗

試驗模擬了26.67℃和148.89℃溫度下的沖洗作業（壓差3.45×10-2～6.895MPa）和封隔器坐封作業（壓差34.5MPa），測量了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。使用鹽水進行的摩擦壓力計算表明，在壓差小于3.45×10-2MPa的區域，至少有90%的流體繼續流向趾部，也就是說，在如此低的壓差下，噴嘴不具有單向閥功能。這些計算過于保守，這是因為沒有量化沖管鞋壓降。

在3.45×10-2～6.895MPa的壓差下1000個不同噴嘴的試驗結果表明，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。

隨后進行了100個不同噴嘴的400次壓力試驗，其中一些試驗是在148.89℃的溫度下的常用鹽水中進行的。2.5mm 孔徑噴嘴在148.89℃的溫度下進行的四次重復試驗的結果如圖2 所示，可以看出，壓力在38.6～39.99MPa之間穩定了大約6min。

圖2 2.5mm孔徑噴嘴在148.89℃溫度下的四次重復試驗結果

2.2 流體相容性/溶解試驗

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

2.3 噴嘴密封/開啟試驗

試驗步驟：①泵入油基鉆井液，確認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，確認球離開噴嘴座所需的壓差。

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

2.4 流動性能試驗

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

2.5 背板耐蝕試驗

該試驗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間。試驗中使用了陶瓷球，壓差范圍為0.2～1.0MPa，流速范圍為0.12～1.2m3/h。沖蝕背板所需的時間與噴嘴孔徑和壓差成函數關系。部分沖蝕時間如表1所示。

表1 不同噴嘴孔徑CV-ICD背板不同壓差下的沖蝕時間

3 現場應用

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（見表2），縮短了鉆機時間，降低了沖管租賃和施工成本。

表2 不同地區CV-ICD安裝總結

3.1 頂替鉆井液

里海北部某油田為具有一個大天然氣頂的砂巖儲層，為盡可能減少氣竄的影響，作業者選擇了旋轉篩管裸眼完井技術，裸眼段長5000m。而且，為降扭減阻，解決頁巖不穩定問題，鉆完井過程中使用了油基鉆井液。

在最初的6口井中，完井作業前鉆井液一直留在裸眼段，直到生產過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對泵及其他地面設備造成傷害。此外，鉆井液不能完全排出還會極大影響生產效率。因此，投產前必須將鉆井液頂替出井。

為克服下入沖管的不足，作業者用CV-ICD 代替沖管，以防止洗井過程中井筒液體通過噴嘴漏失至環空中。應用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時間48h，節約成本200萬美元[9]。

3.2 沖洗解除阻卡

挪威北海某油田滲透率分布不均勻，砂巖中存在頁巖夾層。作業者計劃鉆一口長水平段水平井，設計井深4475m，垂深1974m，最大井斜90°，裸眼段長1500m。

由于該油田地質結構復雜，之前的幾口井采用防砂篩管和常規噴嘴式ICD進行裸眼完井。這些ICD通常與沖管一起下入，在篩管下入過程中可進行沖洗解除阻卡，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裸眼段注入濾餅清除劑。

由于使用沖管成本高、風險大，作業者在該水平井中使用了CV-ICD。應用CV-ICD代替沖管成功進行了防砂完井作業，沒有產生額外的非生產時間，縮短作業時間24h，節約成本約80萬美元。

3.3 防止井液漏失

如果防砂井發生井液漏失，需要連續注液補償漏失，因此防漏失閥關閉之前的時間極為關鍵。該時間長短與裸眼長度密切相關，近似為將沖管底部的防漏失閥開關工具起至防漏失閥位置將其關閉所需的時間。

某油田地層為砂巖，存在幾個頁巖夾層。為提高井眼質量，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，還需要下入馬達和鉆頭，因此完井作業需要下入帶有沖管和常規ICD的防砂篩管。沖管回收極為耗時，在防漏失閥關閉之前，由于濾餅清除劑存在漏失風險。

為縮短鉆機時間，及時關閉防漏失閥以避免井液漏失，作業者在一口新井中用CV-ICD 代替了沖管。CV-ICD 防砂篩管完井管柱成功安裝，由于沒有使用沖管，及時關閉了防漏失閥，降低了井液漏失風險，沒有產生額外的非生產時間，節省鉆機時間24h。

3.4 坐封封隔器

加拿大海上某井計劃采用LineSlot*優質繞絲篩管完成1260m裸眼段的完井作業，完井管柱需配備ICD，并用兩個裸眼液壓封隔器實現層位封隔。在準備坐封封隔器時，必須在每個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險，作業者決定使用CV-ICD 代替常規ICD，這樣就無需下入沖管循環沖洗并坐封封隔器。

完井管柱總長1427m，共下入31根篩管，每根篩管配備有4 個CV-ICD，憋壓34MPa 成功坐封封隔器。由于CV-ICD 代替了沖管，為作業者縮短鉆機運行時間20h，節約成本100萬美元。

4 結論建議

（1）CV-ICD 設計新穎，可完全代替沖管，克服傳統防砂篩管+ICD+沖管組合的不足。單向閥可以直接安裝在現有的篩管中代替常規ICD 的噴嘴，而不需要對篩管進行任何加工，具有足夠的沖洗能力。與下入沖管相比，CV-ICD可極大縮短鉆機運行時間，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用。每口井都沒有使用沖管，循環沖洗或憋壓坐封封隔器時，泵入液體使球密封住噴嘴防止液體漏失至環空中，從而確保完井管柱的液壓完整性；

（3）CV-ICD 的應用領域已經確定，而礫石充填ICD在業內還不常見，隨著CV-ICD的發展，建議將其引入到礫石充填防砂完井作業中；

（4）建議將CV- ICD 的承壓極限提高至34.475MPa以上，并研發一種永久式CV-ICD，以防止儲層之間橫流污染。