超深層高壓氣井可溶篩管清潔完井新工藝研究與應用

魏 波， 彭永洪， 熊茂縣， 張安治， 陳 飛， 申川峽, 馬天羽

1中國石油塔里木油田分公司 2新疆格瑞迪斯石油技術股份有限公司

0 引言

塔里木油田庫車山前超深層裂縫型砂巖儲層具有埋藏深(6 000～8 098 m)、地層壓力高(105～136 MPa)、氣產量高(20×104m3以上)等特點[1- 4]，建井時具有高井控風險，需采用高密度壓井液(1.68～2.20 g/cm3)平衡地層壓力[5- 7]。為滿足作業井況和工況，完井管柱兼具替液—改造—完井投產一體化功能[8]，針對油管柱下深存在雙重矛盾，具體表現為：①油管管鞋下深至射孔段中、上部，射孔段下部的高密度壓井液替不出來，造成井筒不清潔，給完井放噴求產時地面流程帶來堵塞和刺漏的安全風險；②油管管鞋下深至射孔段下部，因地層出砂，高壓氣體攜帶著地層砂會因油管柱的阻隔，長時間生產會發生沉積而堵塞井筒。D304井因油管管鞋下深至射孔段底界以上11.7 m處，地層出砂、流體流動方向受到阻隔造成井筒堵塞，A環空壓力與油壓壓差超過油管抗內壓強度[9]，使油管被擠扁，失去生產能力。因此，研究超深層高壓氣井可溶篩管清潔完井新工藝對解決實際生產問題有重要意義。

1 可溶篩管清潔完井工藝原理

可溶篩管清潔完井新工藝的核心在于在產層段配置可溶篩管+丟手短節，以此來消除管鞋下深引起的替液不清潔和生產的矛盾。可溶篩管清潔完井管柱結構從下到上依次是：管鞋+打孔篩管+可溶篩管+丟手短節+球座+壓裂滑套+完井封隔器+井下安全閥+油管掛。下管柱、換裝采油樹、替液、坐封封隔器時可溶篩管可溶孔塞是完全密封的，可將可溶篩管作為油管使用，下深至射孔段底界，保證替液的井筒清潔。當需要儲層改造、放噴求產時，管柱中注入酸液溶解可溶篩管上的鎂鋁合金孔，將可溶篩管變成有規律布孔的篩管，提供井筒液體的流動通道。同時在6～7根可溶篩管之間設計一個直聯型提拉式丟手接頭，通過銷釘連接，便于后期修井分段打撈油管柱。該管柱工藝要求如下：

(1)對可溶篩管的工藝要求。為保證替液徹底，管鞋和打孔篩管下至射孔段以下。替液時要保證可溶篩管的可溶孔塞處于密封狀態，并滿足一定的承壓能力以應對替液流體流動阻力對可溶孔的強度影響。因可溶篩管要在油基壓井液和環空保護液中完成下入、替液等工序，因此要求可溶篩管的可溶孔塞與工作液介質具有一定的配伍性，同時可溶孔塞應在酸液規定時間內完全溶解，以滿足后期儲層改造和生產的需要。

(2)對丟手短節的工藝要求。丟手短節是為了方便后期快捷打撈而設計，銷釘能否在設計拉力下剪斷對工藝實施具有重要作用，需要對銷釘在設計拉力下的被剪切能力進行驗證。

2 可溶篩管清潔完井工具可靠性實驗

為滿足可溶篩管清潔完井工藝要求，設計了可溶篩管和丟手短節承壓實驗、可溶孔塞溶解實驗及丟手短節銷釘剪切實驗驗證工具的可靠性。

2.1 可溶篩管和丟手短節承壓實驗

模擬井下工況條件，驗證可溶篩管與丟手短節的密封性。地面組裝試壓接頭+變扣接頭+可溶篩管+丟手短節+雙極絲堵的試驗管串，連接試壓接頭打壓15.3 MPa，穩壓15 min，壓降0.1 MPa，試壓合格，驗證了可溶篩管與丟手短節本體的密封性，滿足替液條件。

2.2 可溶孔塞溶解實驗

該實驗為了驗證可溶孔塞在井筒液體中的溶解能力。實驗材料為6個鎂鋁合金材質可溶孔塞、4個同材質不同厚度的可溶孔塞試樣，實驗采用液體介質為庫車山前超深層高壓裂縫型砂巖儲層完井時常用油基壓井液、環空保護液、鮮酸,見表1。

表1 可溶孔塞材質在不同液體中的腐蝕實驗條件

可溶孔塞浸泡試驗結束后，采用精度0.1 mg的電子天平稱重計算其失重腐蝕速率：

(1)

式中：Fn—單片腐蝕速率，g/min；Δt—反應時間，min；Δm—試片腐蝕失量，g。

2.2.1 可溶孔塞在油基壓井液和環空保護液中的腐蝕結果

鎂鋁合金材質可溶孔塞每組分個3平行試樣，分別在油基壓井液和環空保護液中浸泡不同時間段，腐蝕速率計算結果如表2所示。

表2 可溶孔塞材質在油基壓井液和環空保護液中的腐蝕結果

實驗結果表明可溶孔塞在油基壓井液和環空保護液中浸泡后其質量略有增加，這是因為在高溫環境下試樣表面附著從兩種液體中析出的固體顆粒，同時也驗證了可溶孔塞材質不溶于油基壓井液和環空保護液，滿足在這兩種液體環境中下完井管柱、換采油樹、替液和坐封封隔器的作業要求。

2.2.2 同材質可溶孔塞試樣在酸液中的腐蝕結果

由相同材質制成厚度為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm的可溶孔塞試樣分別在70 ℃、90 ℃的鮮酸環境下浸泡30 min，表面均出現明顯腐蝕痕跡,見圖1。

圖1 4種不同厚度的可溶試樣在鮮酸環境下浸泡30 min后的宏觀形貌圖

在110 ℃、130 ℃、150 ℃的鮮酸環境下浸泡30 min后完全溶解，試驗所用鮮酸是根據現場常用酸液體系配置而成。試樣在鮮酸中的腐蝕速率隨溫度的變化曲線見圖2。

圖2 不同厚度的可溶孔塞試樣在鮮酸中厚度減薄量隨溫度的變化關系圖

實驗表明可溶孔塞在70 ℃、90 ℃鮮酸環境下浸泡30 min未完全溶解，但有效厚度已減薄，強度已降低，隨著作業時間延長和地層溫度恢復至110 ℃以上，可溶膠塞能夠完全溶解，滿足現場作業需要。

2.2.3 室內模擬可溶膠塞溶解實驗

為較真實的反映可溶孔塞在井下高溫高壓環境下的溶解狀態，模擬管柱在丟手短節的上端、下端分別設計了儲存酸液的上堵頭和下堵頭，當試驗井溫度升高至設定溫度時，管柱內加壓推動上下堵頭移動，釋放酸液進入可溶篩管，靜態反應35 min后，管柱內壓力突然下降，壓力竄入套管環空，說明此時可溶孔塞已溶解，起出模擬管柱檢查可溶孔塞已全部溶解(圖3)。

圖3 可溶孔塞溶解前后對比圖

2.3 丟手短節銷釘剪切實驗

為解決砂埋卡管柱打撈難題，在約30 m篩管之間設置一個直聯型提拉式丟手短節。丟手短節是通過銷釘固定，機械提拉剪切銷釘可分段打撈遇卡管柱。丟手短節能否在銷釘達到設定剪切值時剪斷，對這項工藝的應用至關重要。

丟手短節剪切實驗安裝12個銷釘，設計在140 kN條件下剪斷銷釘并順利丟手。試驗結果如圖4所示。

圖4 丟手短節拉伸試驗

實驗結果表明拉力載荷逐漸升高，當達到214 kN時發生突降，說明丟手短接銷釘在此拉力下發生剪切斷裂。該試驗系統摩阻為69 kN，實際作用在銷釘的拉力為145 kN，滿足試驗設計要求。

3 可溶篩管清潔完井工藝現場應用

3.1 D304井清潔完井施工設計

D304井可溶篩管清潔完井工藝管柱結構從下往上依次為：?88.9 mm管鞋×0.14 m+打孔篩管×2.44 m+?88.9 mm可溶篩管管柱×125.77 m(可溶篩管×30.73 m+丟手短節×1.81 m+可溶篩管×30.73 m+丟手短節×1.81 m+可溶篩管×30.73 m+丟手短節×1.81 m+可溶篩管×26.34 m+丟手短節×1.81 m)+變扣×0.28 m+坐封球座×0.43 m+變扣×1.05 m+?88.9 mm油管+變扣+?177.8 mm TNT封隔器+油管組合+?101.6 mm井下安全閥+油管掛。

3.1.1 可溶篩管管柱設計

D304井一次完井油管柱位于射孔底界以上11.7 m，二次完井優化配置油管柱管鞋，位于射孔底界以下2.7 m，其中射孔段(跨度118 m)全部配置可溶篩管管柱(管柱長125.77 m)。每6～7根可溶篩管設計一個直聯型提拉式丟手短節接頭，打孔篩管設計下深至射孔段底界以下，提供替液流動通道。采用反替液方式，從油套環空注入隔離液+環空保護液反替油基壓井液，經打孔篩管篩孔進入油管柱內流至地面回收，此時需要保證打孔篩管上部的可溶篩管可溶孔塞的密封性，若出現可溶孔塞不密封就會導致一部分流體分流，造成射孔段下部的高密度油基壓井液替出不徹底而污染井筒。為了滿足替液要求，可溶篩管送入井前要逐根試壓15 MPa，可溶孔塞密封圈滿足溫度180 ℃的工作環境，到井后再進行逐根檢查，確認可溶孔的完好性。同時，為了使可溶孔塞更好在酸液中完全溶解，可溶孔塞選擇具有酸腐蝕性的金屬螺栓(鎂鋁合金)+耐高溫橡膠密封件。可溶篩管設計為16孔/m，孔徑16 mm，每根84孔，每根泄流面積16 880 mm2，是一次完井油管+壓裂滑套泄流面積的2.3倍。射孔段共配置27根可溶篩管，每根孔數與射孔槍孔數一致，可有效降低后期儲層改造和生產時期的流體流動阻力。此外，可溶篩管管柱配置的丟手短節全長1.81 m，設計18個銷釘孔，每顆剪斷力11.7 kN，需上提拉力210 kN以上，方可提拉斷銷釘，實現可溶篩管管柱分段打撈。生產區塊地層中普遍含二氧化碳氣體，可溶篩管管柱材質設計為超級13鉻材質，滿足防腐要求。

3.1.2 坐封球座設計

因可溶篩管抗內壓低，需在可溶篩管上部配置封隔器坐封球座，以滿足封隔器坐封壓力。

3.2 D304井清潔完井施工過程

3.2.1 下可溶篩管管柱

可溶篩管入井前，對照其工具說明書逐一核實其尺寸、壁厚、抗內壓強度、抗外擠強度、可溶孔數、溶孔尺寸以及溶孔的完好性，以確保滿足后續替液、酸化作業的要求。采用?67 mm專用通井規逐根通徑，防止可溶篩管本體變形或殘留堵塞物而影響后續施工。可溶篩管屬無接箍的直連管，下入時現場執行雙安全卡瓦保障措施，合理控制上扣扭矩，確保施工安全。

3.2.2 替液、坐封封隔器

完井管柱在井口成功懸掛、換采油樹后，采用1.49 g/cm3過渡漿10 m3+ 1.05 g/cm3凝膠隔離液10 m3+1.15 g/cm3環空保護液反替出井內1.76 g/cm3油基壓井液，泵壓5 MPa↗48 MPa↘36.4 MPa，控制回壓0 MPa↗48 MPa↘36 MPa，排量80～250 L/min。通過循環液量、時間、壓力變化情況粗略推算循環深度為打孔篩管深度，說明可溶篩管替液時溶孔完好，實現了替液充分的目的，保證井筒清潔。替液完成后，從采油樹清蠟閘門上部投?42 mm鋼球，候球入座，逐級打壓坐封封隔器，并反驗封確認封隔器坐封合格，正打壓擊落球座，提供地層地面連通通道。

3.2.3 酸液溶蝕可溶篩管溶孔并進行酸壓改造

先采用滑溜水激活近井地帶的天然裂縫系統，提供地層進液孔道，后泵注能鋪滿可溶篩管管柱內外容積的前置酸液，前置酸液配方為：12%HCl+3% HCOOH+5.1%緩蝕劑(3.4%主劑，1.7%輔劑)+其他添加劑，停泵60 min使可溶篩管可溶孔塞充分溶解，溶解完成后繼續進行酸壓改造。

3.2.4 放噴求產

酸壓改造后關井6 h，使酸巖充分反應。開井放噴排液、放噴求產后轉為生產。

3.3 D304井清潔完井應用效果

D304井通過下可溶篩管管柱替出井內高密度油基壓井液并進行酸壓改造增產，經過?5 mm油嘴放噴求產，油壓83.6 MPa，日產氣29.5×104m3，較一次完井油壓增長了18.8 MPa，氣產量增加了1.27倍；較2014年開井時油壓增長了6.1 MPa，氣產量增加了2.34倍。自二次完井投產至今，油壓和氣產量穩定。該井的常規完井管柱和可溶篩管完井管柱應用對比見表3。

表3 D304井常規完井管柱與可溶篩管完井管柱應用對比表

該工藝先后在庫車山前超深層裂縫型砂巖儲層高壓氣井一次完井、二次完井中投入使用超8井次，應用效果顯著，工藝成功率100%。具體該工藝應用效果統計表見表4。

表4 可溶篩管清潔完井工藝應用效果統計表

4 結論

(1)室內實驗和現場應用均證明可溶篩管清潔完井新工藝技術的有效性與可行性，在射孔段下可溶篩管柱，有效解決了油管柱下至射孔段中、上部替液不徹底和下至射孔段下部提高流動阻力的矛盾。

(2)與射孔段下油管柱相比，可溶篩管柱設計為16孔/m，孔徑16 mm，顯著提高了流體的泄流面積，降低了酸化改造時液體流入地層的阻力和生產時地層流體的流動阻力，酸化后油壓、氣產量得到明顯的提高，同時投產后油壓、氣產量也更加穩定。

(3)相比常規完井工藝管柱結構，可溶篩管清潔完井工藝管柱主要變化在封隔器下部，對管柱承壓能力要求較小，帶可溶孔塞的可溶篩管能夠滿足替液等工藝要求，且工藝簡單，便于現場操作，先后投入應用8井次，工藝成功率達到100%，為該工藝的持續推廣奠定了良好基礎。