先期防砂篩管頂部固井一體化技術

田曉勇 張京華 白云飛 蔣本強 蔣立坤 宋劍鳴 茍旭東 古青

關鍵詞：固井；防砂；等離子割縫篩管；封隔器；分級箍

0 引言

目前，巴彥油田是華北油田建產主要區塊，其中LH 等區塊儲層多為疏松砂巖，間雜泥巖及局部膏巖，前期采用普通篩管完井，開發過程儲層出砂量大、粒徑小，導致試采不到1 個月篩管便發生嚴重堵塞，同時儲層上部及儲層段井壁失穩嚴重［1］，易垮塌填埋篩管，產出流體高含瀝青質及次生二氧化碳腐蝕介質，篩管腐蝕嚴重，局部膏巖對篩管造成擠壓變形。因此，完井時不僅要考慮對儲層及儲層上部井壁失穩層段進行封堵避免后期垮塌填埋篩管，還需采用高精度、高強度防腐篩管提高儲層防砂效果。倪華峰［2］針對井壁穩定性差，失穩垮塌嚴重問題提出了“尾管+篩管”分級半程固井技術。徐明會［3］等針對傳統篩管頂部注水泥工藝中，管內液柱振動易導致分級箍提前開孔，管外封隔器提前漲封等問題進行了相關研究。針對篩管頂部注水泥工藝中出現的鉆塞時間長、鉆穿套管及卡鉆等問題，李國峰等［4］研制了篩管頂部固井免鉆塞工具，楊旭等［5］發明了地層封隔式免鉆篩管頂部固井工具。上述學者采用的工藝基本相同，原理是通過篩管+盲板+封隔器+分級箍+套管的管串結構進行篩管頂部封隔固井，不同之處在于李國峰、楊旭等將封隔器與分級箍集成在一起，具有封隔、分級固井、免鉆功能。該技術僅能解決儲層上部的封固問題，無法解決儲層局部失穩層段的封堵，未對封隔器在井徑擴大環境的適用性、可靠性和沖蝕對分級箍關閉影響進行研究分析。且上述技術的缺陷在于封隔器需安放在重疊段，在裸眼段封隔效果差，特別是對于井徑擴大率普遍較大的區塊，封隔器無法封隔會造成上部疏松層段無法封堵、下部層段充滿水泥填埋篩管。此外，分級箍封隔器集成的一體式結構壓力系統復雜，易發生封隔器脹封失效，分級箍關孔不嚴等問題。為此，針對巴彥區塊存在的完井防砂問題，進行了相關技術難點分析，設計了篩管+篩管外封隔器先期防砂與分級箍+大膨脹比封隔器進行篩管頂部封隔的固完井一體化管柱，優化改進了封隔器、分級箍等固井關鍵工具、優選了等離子割縫篩管，并成功應用，取得了很好的完井防砂效果。

1 固完井技術難點

（1）LH 區塊儲層垂深3 350 m，膠結相對疏松，儲層不連續，層間夾雜局部膏巖和泥巖，后期出砂易引起垮塌填埋管柱，完井防砂的同時需要對風險層段進行先期封堵。

（2） 儲層上部裸眼井段井壁失穩較嚴重，坍塌系數1.2 左右，需要進行篩管頂部注水泥漿封固，但封堵層段最大井徑擴大率15% 左右，需要高膨脹比封隔器且封隔壓力需達到35 MPa 才能滿足生產施工要求，封隔器失效將導致儲層篩管填埋、上部層位無法封固。根據行業標準，常規封隔工具井徑擴大率10% 左右時，封隔壓力僅有20 MPa 左右，繼續膨脹膠筒易破裂。分級箍循環孔應具有很好的抗沖蝕性能，保障關孔后密封可靠。

（3） 儲層砂粒粒徑中值0.15～0.2 mm 左右，原油瀝青質含量高，存在次生二氧化碳，地層水總礦化度83.3 g/L， Cl?含量51 g/L，易造成篩管結垢、堵塞、腐蝕，且局部膏巖對篩管抗擠壓強度要求高。

2 先期防砂與篩管頂部固井一體化管柱設計

針對固井與防砂技術難題，首先考慮儲層段采用具備高強度、高擋砂精度、抗腐蝕的高性能篩管進行防砂，并利用篩管外封隔器+套管對疏松易垮塌風險層段進行先期封堵。同時采用密封可靠的封隔器+分級箍實現篩管頂部封隔固井，解決上部疏松層段及重疊段封固問題，整體實現先期防砂與固完井一體化施工，解決區塊存在的固完井難題。

固完井管柱如圖1 所示。管柱整體采用下部防砂+上部篩管頂部固井設計，其中下部防砂管柱采用篩管防砂，篩管外封隔器與套管組合封堵膏巖、泥巖夾層。上部篩管頂部固井管柱采用分級箍、封隔器、套管組成固井管柱，利用盲板將固井管柱與防砂管柱隔開，同時利用盲板進行憋壓脹封封隔器、開啟分級箍。

3 關鍵工具

篩管頂部封隔固井工具主要包括封隔器和分級箍，包括前文提到分級箍和封隔器分體結構，以及分級箍和封隔器組合在一起的免鉆式篩管頂部固井工具，兩種結構的封隔器均采用水力膨脹結構，其膠筒結構單一，封隔壓差35 MPa 左右，但在井眼擴大率10% 左右時封隔壓力還不足20 MPa，而研究區塊封堵層段最大井徑擴大率15% 左右，為防止固井后水泥漿竄流至篩管段以及防止地層油氣上返影響固井質量，封隔壓力需要達到35 MPa。因此，在井徑擴大率較大時，為了滿足封隔效果，需要膠筒具有更大的膨脹率和承壓能力。此外，免鉆式篩管頂部固井工具，雖不用鉆除內部附件，但需要打撈或將附件通過憋壓方式運移至井底，施工過程復雜、風險高，且篩管段無法憋壓運移，采用鉆除式分級箍更為可靠。另外，篩管頂部固井分級箍開啟后，循環孔及密封面會發生局部沖蝕，影響后期密封效果。為此，優化采用了分級箍+封隔器組合的分體式篩管頂部固井工具，并進行了局部優化改進。

3.1 分級箍

分級箍開啟方式主要有機械式和壓差式。巴彥區塊篩管頂部固井工具主要應用在水平段或井斜較大的井段，因此選用了壓差式結構（如圖2 所示），技術參數見表1。分級箍在管串到位后需要立即開啟，并循環至滿足固井要求。常規分級箍為了使密封件通過循環孔時不發生剪切破壞，本體與關閉套之間在循環孔位置進行了局部凹槽處理，使得關閉套與本體循環孔處形成一定空腔，大排量循環時該處存在渦流效應，一方面加劇沖蝕，使本體內表面密封面磨損，失去密封作用；另一方面高速流體使得沖蝕向兩側拓展，使密封圈脫離密封槽，導致關閉套動作困難、密封圈剪切失效，最終造成關閉密封不嚴或關閉失效，后期補救困難。碳化鎢噴涂技術可提高材料的耐沖蝕性能［6］，為此，對關閉套、本體循環孔及密封面采用了碳化鎢噴涂處理，但噴涂后表面較糙度，需進行拋光處理，同時關閉套與本體循環孔之間采用微間隙配合，本體循環孔進行圓角倒鈍，避免密封圈通過時發生剪切，避免空腔引起的渦流沖蝕影響。

對表面噴涂WC 的樣件和原始材料樣件進行沖蝕實驗對比，在150 ℃、0.3% 剛玉砂（74 μm） 水溶液中，以17.5 m/s 的速度進行沖蝕，按實際工況需求累計沖蝕3 h 并記錄質量損失量。從圖3 可看出，原始樣件沖蝕3 h 累計減重311 mg，減重趨勢遞增明顯。而經碳化鎢涂層處理的樣件沖蝕3 h 減重僅26 mg，累計質量損失為原始樣件的8% 左右，且沖蝕減重趨勢平緩，證明碳化鎢噴涂處理后的材料抗沖蝕效果可提高10 倍以上。

3.2 高擴張比固井封隔器

常規篩管頂部封隔固井封隔器或地層封隔式免鉆篩管頂部固井工具封隔膠筒均采用擴張式結構，密封膠筒為單層橡膠結構。高擴張比固井封隔器膠筒采用了三層結構，包括內膠筒、保護套、外膠筒，保護套采用了更加可靠的鋼帶結構（圖4）。

擴徑井段封隔器提高密封性關鍵在于封隔器膠筒在大膨脹比環境下不被脹破，純橡膠膠筒無法滿足要求。目前提高膠筒強度的方法主要有在膠筒中添加特殊材質，如尼龍、碳纖維等［7］，但在井徑擴大率達到15% 的環境下進行大膨脹比擴張時仍容易被破壞； 或采用金屬鋼帶結構對膠筒進行保護［8］，但鋼帶結構布局不合理也容易導致封隔器損壞。為此，考慮通過改進保護套金屬鋼帶骨架結構方式，提高封隔器在擴徑井段的可靠性和封隔能力。如圖5 所示，建立了直列割縫式、螺旋割縫式、疊加交錯式等3 種鋼帶骨架結構模型［9］，并利用有限元分析方法，分析3 種結構在20 MPa 內壓作用下的變形情況?？梢钥闯?，直列式結構鋼帶鼓脹后變形較大，兩列鋼帶間變形間距最大，螺旋式次之，疊加交錯式結構縫隙很小。鋼帶縫隙對膠筒密封性能有著至關重要的影響，鋼帶變形后膠筒不能完全保護于鋼帶內，鼓脹壓力通過縫隙作用于膠筒上，將導致膠筒擠壓破裂，縫隙越大對膠筒的保護效果越弱。而疊加交錯鋼帶縫隙很小，能最大程度保護膠筒，因此選擇疊加交錯式結構。根據井徑擴大率不同，高擴張比封隔器需要13～20 MPa 的壓力進行脹封，疊加交錯式結構可以有效保護內膠筒不破裂，同時支撐外膠筒不收縮。經過室內測試，改進后的封隔器在擴徑率15% 條件下，憋壓20 MPa，穩壓15min，壓降小于0.5 MPa ，封隔器膠筒不發生破壞，封隔能力達到35 MPa 以上（技術參數見表2）。

3.3 防砂篩管

巴彥區塊目的層膏巖相對發育、瀝青質含量高、次生二氧化碳等腐蝕介質，篩管必須具備強度高、耐沖蝕、抗堵塞、耐腐蝕能力和便于后期作業。如表3 所示，王地舉等［10］、夏宏南等［11］、施進等［12］學者從多方面對各種種篩管技術特點進行了分析，綜合各方面性能，等離子割縫篩管的性能要優于其他篩管且與研究區塊需求較為適應，因此優選等離子縫篩管作為研究區塊防砂完井篩管。

篩縫結構對篩管擋砂效果和過流效果起著至關重要的作用。張建喬等［13］為提高篩縫防砂效果和過流效果，在對現有防砂工藝評述的基礎上，研究開發出一種新型復合縫腔割縫防砂篩管。該防砂篩管采用雙梯形復合縫腔及過渡圓弧設計，無尖銳棱角，縫腔容積逐漸增大，使油流通道為逐漸加寬的縫腔，具有流阻小、防砂效果好、強度高、可自潔等特點。

研究區塊砂粒粒徑中值0.2 mm 左右，原油高含瀝青質，抗沖蝕、防腐要求高，局部膏鹽擠壓強度高，按上覆巖層壓力當量密度2.3 g/cm3、垂深3 350m 計算，抗擠載荷為75.59 MPa。采用防腐性能較好的壁厚10.54 mm 鋼級TP140V 鋼級套管，抗外擠強度可以達到120 MPa。在割縫后，套管的抗外擠強度降為原來的80%，即96 MPa，抗擠安全系數1.27，滿足套管設計要求?？p形選擇雙梯形復合縫，提高防砂、導流綜合性能。優化后篩管參數見表4。

4 現場試驗

針對巴彥區塊完井防砂難點，研究形成了水平井先期防砂固完井一體化工藝技術及配套關鍵工具，并在LH 區塊進行了3 口井的現場應用，對施工工藝、完井管串、關鍵工具性能進行了有效驗證，各階段施工順利完成，工具性能指標滿足現場施工要求，生產期間未發現明顯出砂情況，防砂效果顯著。

以LH1 平1 井為例。該井井深4 305 m，水平段長400 m，儲層位于古近系臨河組，以砂巖為主，在水平段末端和中下段存在局部膏泥巖，儲層膠結較疏松，坍塌系數1.25，井徑擴大率15% 左右，開發后期由于地層壓力降低、油層出水后儲層出砂可能性加大，結合鄰井防砂問題，儲層需采用4 套篩管外封隔器封隔局部膏泥巖，并結合高強度、高精度、防腐等離子割縫篩管防砂，儲層以上500 m 采用高擴張比封隔器加分級箍進行篩管頂部易垮塌層位封固。施工工藝流程如下。

（1） 井眼準備，根據下管串需求進行通井、電測、循環洗井等，確保井眼暢通；

（2） 根據電測結果準備工具并配管柱，其中儲層中存在的出砂量大、易垮塌層段使用管外封隔器配合套管將其封堵，2 段泥巖分別長12 m 和25 m，共使用4 組TWF-YS 壓縮式封隔器，封堵管串長度大于封堵的層段15 m 以上，提高封堵可靠性；

（3） 按照管串設計，下入如圖6 所示的先期防砂固完井一體化管柱；

（4） 管串內憋壓脹封篩管頂部固井封隔器，待封隔器脹封結束后，繼續憋壓打開分級箍，建立固井循環通道，循環1.5 h 至水泥漿性能滿足固井施工要求后開始固井；

（5） 替漿結束后，固井膠塞碰壓至24 MPa 關閉分級箍，固井結束；

（6） 候凝48 h，管內試壓合格后鉆除固井水泥塞、固井膠塞、盲板等附件，通井至洗井閥處，保障洗井管串順利入井；

（7） 下洗井管串，循環洗井至進出口液體性能一致；

（8） 下脹封管串至合適位置，脹封篩管外TWF-YS壓縮式封隔器。管串組合為引鞋+油管+K344 封隔器1+進液閥+油管+K344 封隔器2+油管串+泄流閥+油管串至井口。使TWF-YS 壓縮式封隔器位于脹封管串的兩個K344 封隔器之間，通過井口憋壓脹封K344 封隔器1 和2，繼續憋壓開啟進液閥，壓力傳遞至TWF-YS 壓縮式封隔器后完成脹封。完成第1 個TWF-YS 封隔器脹封后，泄壓上提管柱，進行下一個封隔器脹封；

（9） 起出脹封管串，施工結束。

篩管頂部固井封隔器脹封壓力15 MPa，壓差式分級箍開啟壓力20 MPa，固井過程無異常，分級箍關閉后試壓35 MPa 合格，高擴張比封隔器封隔效果可靠，篩管段未發現水泥漿。后續固井工具附件鉆除正常， 篩管外封隔器成功脹封。截至2023 年8 月，該井已生產14 個月，累計產油1.6 萬t，平均日產油40 t 左右，產量穩定，未發現明顯出砂，表明篩管過流和防砂效果好。

5 結論

（1） 先期防砂與篩管頂部固井一體化技術可有效解決儲層出砂嚴重，井壁穩定性差難封堵，井徑擴大率大、頂部封隔固井難度大，次生二氧化碳腐蝕介質，局部膏巖對篩管擠壓強度高等固井防砂難題，在完成篩管頂部封隔固井的同時，實現了儲層段風險層段先期封堵防砂。

（2） 采用疊加交錯式鋼帶結構可提高封隔器在擴徑井段的封堵效果，有效保護封隔器膠筒；對分級箍循環孔進行抗沖蝕性能改進，可有效避免分級箍循環孔沖蝕、砂卡造成的分級箍固井后關閉不嚴的風險。

（3） 篩管優選應結合區塊地質特點，并充分考慮篩縫縫形結構對擋砂精度、抗沖蝕性、原油流動性影響以及管材防腐、結構強度等因素。

（4） 篩管外封隔器采用壓縮式封隔器，后期需要專用管柱進行脹封，施工過程較為復雜，卡層難度大。建議后期研發具有膨脹時間可控、封隔能力可靠的自主激發膨脹功能的封隔器，在酸洗后進行自主膨脹，提高施工效率。