稠油热采水平井筛管完井防砂技术研究与应用

张 军

（中国石油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124010）

稠油热采水平井筛管完井防砂技术研究与应用

张 军

（中国石油辽河油田公司，辽宁 盘锦 124010）

分析了辽河油田稠油热采水平井存在的问题。通过水平井筛管防砂完井方式的比较，采用顶部注水泥高强度弹性筛管防砂完井技术，有效地解决了热采水平井中热力和地应力造成套管、筛管损坏及封隔器的坐封和密封困难。现场应用效果表明，弹性筛管的强度高、防砂效果好，油井能够保持长期稳产。

热采；水平井；顶部注水泥；弹性筛管；防砂

辽河油田稠油资源丰富，稠油产量占原油总产量的60%以上，水平井热采是稠油油藏开发的有效途径。由于油层埋藏浅，储层胶结疏松，出砂成为热采水平井的一大难题，因此需要考虑采用合适的先期防砂完井技术。筛管完井具有施工程序简单、作业成本低、施工成功率高等优点，是辽河油田水平井的主要完井方式。但是，也存在套损、筛管损坏、封隔器损坏、出砂的现象，影响了水平井的开发效果。采用顶部注水泥筛管完井防砂技术，有效解决了稠油水平井热采的问题。

1 热采水平井存在的问题

1.1 套损

目前辽河油田水平井完井井身结构方式大多为三开，Φ244.5 mm套管内悬挂Φ177.8 mm套管及筛管，其中Φ244.5 mm套管材质采用N80钢级、壁厚为10.03 mm，Φ177.8 mm套管及筛管材质采用TP100H钢级、壁厚为9.19 mm。目前，该种套管具有损坏变形现象，主要表现为卡注汽隔热管[1]。

套管直径越大，厚度越小其抗挤毁强度越低。表1是2种规格套管的抗挤毁强度对比。

表1 2种规格套管的抗挤毁强度对比Table 1 The collapsing strength contrast of two kinds of specification casings

从表1可以看出，相同材质、相同壁厚的情况下，Φ244.5 mm套管抗挤毁强度远远低于Φ177.8 mm套管，这为完井结构尺寸设计提供了依据。

从热应力分析，热采井注蒸汽的平均温度在320 ℃左右，有的超过 350 ℃（一般注汽压力 15 MPa，有的高达20 MPa），超过了API N80套管允许最大温度值（204～220 ℃）。N80套管因高温屈服强度降低约18%，弹性模量降低约38%，抗拉强度降低 7%，同时蒸汽吞吐套管存在残余应力，使套管基本处于屈服状态。套管在持续高温和轴向拉应力的作用下，产生疲劳裂纹和压缩变形[2～4]。

1.2 封隔器坐封和密封问题

Φ244.5 mm悬挂封隔器是连接Φ177.8 mm套管、筛管，并密封筛套环空的重要工具。由于悬挂封隔器大多下至接近水平段，其井斜度在60～80°之间，因此密封可靠与否直接影响到防砂效果。

目前，国内外水平井悬挂器的坐封方式均采用液压坐封。国内应用的水平井悬挂器主要采用单向卡瓦锚定，提前投球或丝堵代替投球，坐封和丢手加压同时完成。另外，目前的悬挂器无法在施工过程中进行验封，不能确定悬挂封隔器胶筒密封情况。因此，施工时容易出现封隔器提前丢手，造成坐封情况不好，胶筒密封不可靠，在压力波动下使地层砂进入井筒成为可能。

1.3 筛管损坏

由于机械加工工艺的进步，割缝筛管加工成本降低，采用单层管结构，具有一定的强度，近几年在辽河油田水平井完井中得到了广泛的应用，主要适用于粗砂、分选性好泥质含量低，以及埋藏较浅的水平井。但在埋藏较深的水平井选用该筛管，在较高地层压力的作用下，筛管易损坏。例如：杜32-兴H217井，2007年06月13日，下Φ177.8 mm× 9.19 mm割缝筛管(材质TP100H)完井，挡砂粒径0.3 mm，筛管位置1 104.29～1 456.63 m，日产液107 m3。2007年6月16砂卡杆，冲砂，水平段有少许砂，Φ95 mm普通泵及泵上一根管内有砂；2007年06月21降排量，日产液64.3 m3，又卡井，出砂粒度中值0.138 mm，分选系数1.995 3。该水平井为油层内部挖潜，油层厚，采用长冲程抽油机大泵提液，油井出部分细砂，如果割缝管缝宽太小，挡住0.138 mm地层砂，势必会影响到油井的产能，何况目前割缝管缝宽最小只能割到0.25 mm。所以该井选择割缝筛管完井是不正确的。

2 水平井筛管防砂完井方式比较

a） 完井方式1（如图1） 该完井方式是一开后固井，二开至水平段后固井，然后三开水平段。水平段下入Φ177.8 mm防砂筛管，上部连接Φ177.8 mm套管，在稳斜段连接悬挂器，再连接套管至井口。投球加压使悬挂器丢手坐封完井，井身结构为Φ244.5 mm套管内悬挂Φ177.8 mm筛管。

b） 完井方式2（如图2） 该完井方式是一开后固井，二开到底，水平段下入Φ177.8 mm防砂筛管，上部连接管外封隔器和盲板，再连接Φ177.8 mm套管至井口，然后固井，同时使封隔器密封，钻穿盲板后完井，井身结构为7英寸通径。

c） 完井方式3（如图3） 该方式基本上同方式2，不同的是用水泥伞替代管外封隔器【5,6】。

3种筛管防砂完井方式比较：

a) 防砂完井方式1工序多，施工较复杂，但井底通径大，便于侧钻及换井底操作。存在问题是采用Φ244.5 mm套管，热采抗挤毁强度低，容易变形损坏；存在另一问题是应用了Φ244.5 mm悬挂器，因此又多了密封不严的危害因素。

图1 水平井筛管完井方式1Fig.1 No.1 completion method of horizontal wells

图2 水平井筛管完井方式2Fig.2 No.2 completion method of horizontal well

图3 水平井筛管完井方式3Fig.3 No.3 completion method of horizontal well

b) 防砂完井方式2和防砂完井方式3工序少，施工简单，与方式1悬挂器悬挂筛管完井相比不使用悬挂器，消除了密封隐患。完井后井口至井底全部使用同一种规格和材质的Φ177.8 mm TP100H筛套管。因此，Φ177.8 mm TP100HB筛套比Φ244.5 mm N80套管的抗热采抗挤毁强度高，且具有相同的通径，便于后期作业。

c) 防砂完井方式3同防砂完井方式2相比，用水泥伞替代管外封隔器，更为简便，并节省费用。

3 顶部注水泥筛管防砂完井技术

通过水平井先期筛管防砂完井问题分析及技术比较，选择第3种防砂完井方式，即顶部注水泥Φ177.8 mm通径筛管完井防砂技术。井眼尺寸及管柱结构如图4所示。

该完井方式一开下Φ276.2 mm表套，二开到井底，一次下入引鞋、Φ177.8 mm筛管、套管外水泥伞、盲板、旋流短节、浮箍、阻流环和Φ177.8 mm套管连接至井口。通过阻流环、浮箍、旋流短节将水泥循环到Φ177.8 mm套管外，水泥浆在套管外被水泥伞阻隔防止下行进入到油层，水泥浆在套管内被盲板阻隔。待水泥侯凝后，钻穿管内水泥和盲板，冲洗后即可完井。该种方式施工简单，周期短、消除套损和封隔器隐患，同时节约成本。

图4 水平井井眼尺寸及防砂完井管柱结构Fig.4 The borehole size and sand control completion string structure of horizontal well

4 高强度弹性筛管

针对常规筛管抗压强度低、细粉砂防治困难的问题，研制并应用了水平井高强度弹性防砂筛管。

4.1 筛管结构

高强度弹性筛管是一种具有独特结构的防砂专利筛管，它以单层厚壁API 标准的油管或套管做基管，基管上钻有若干个阶梯孔，将过滤介质经过特殊工艺组装成一个个过滤件，然后再将这些过滤件通过焊接安装到基管的阶梯孔里，形成单层管的整体防砂结构，特殊弹性纤维防砂材料具有自我解堵的能力，保证油井防砂后在较长的时间内获得较高产能。整体结构如图5。

图5 弹性筛管整体结构Fig.5 The overall structure of elasticity screen pipe

基管选用Φ177.8 mm、TP100HB材质、壁厚9.19 mm的套管。

理论研究结果表明，热采井套管在油层段上热应力达到760 MPa，超过了N80套管的强度极限值。国内外的室内实验结果与理论研究结果表明，N80套管在 300 ℃时钢材发生塑性变形，套管所受最大应力会达到700 MPa，而N80套管强度值只有552 MPa。因此普通 N80套管在高温下就会发生塑性变形损坏。在这以理论的支持下，筛管选用TP100H材质。TP100H钢材为合金钢，实验证明，TP100H套管能承受的载荷值明显高于N80套管。从实际承载能力来看，TP100H套管至少能承受731 MPa的热应力，而N80套管在570 MPa时已出现较大的变形，因此用TP100H套管做筛管更适用于热采井【7-11】。

过滤单元在基管上的固定方式采用内、外焊接工艺。利用CO2气体保护焊机，进行高电流、大面积的不锈钢丝内焊接，过滤单元外部进行环焊固定，提高过滤单元与筛管本体之间连接强度，通过弹性筛管拉伸、抗压、扭转、弯曲试验检验焊接强度。当拉力800 kN、弯曲22°、扭转130°/m、抗压40 MPa时焊口保持完好。

整体筛管采用螺旋布孔方式，筛管过滤单元达到200个/m，使过流面积达到904 cm2/m，为管体表面的 6%，筛管过流能力的提高减少流动阻力为防砂后油井产能发挥创造了有利条件。

4.2 防砂材料

良好的防砂材料必须满足以下5个条件：①防砂性能好；②防砂粒径易于控制；③不易堵塞；④具有一定的自洁能力；⑤耐高温。

通过试验选择三角形纤维过滤材料，因为三角形金属纤维材料在压制成形时，纤维与纤维之间交错迭加形成的孔道几何形状为不规则的三角形；三角形孔道与砂粒接触，孔道不易被堵死。然后进行材质、弹性大小、截面积选择，形成不同参数弹性防砂材料。

三角形不锈钢纤维材料在压制成形时留有一定的压缩余量，在生产压力发生变化时，弹性防砂材料发生一定的弹性压缩，使防砂材料的孔径发生微小变化，防止生产压力增高造成砂粒通过防砂过滤单元，在压力降回原来压力时，防砂材料又可恢复原来的孔隙和渗流能力，解决细粉砂防治的问题。

5 现场应用与效果分析

洼59块是洼60断块中的次级断块，位于盘锦市大洼县新建乡，距离大洼县城东约6 km处，其北部为冷家铺油田，西南为小洼油田洼38块，为边底水构造超稠油油藏。主要含油层位S3和S1+2，探明含油面积3.4 km2，探明石油地质储量851×104 t。油层埋深为1 420～1 630 m，有效厚度10～20 m，储层以不等粒砂岩和砾状砂岩为主，胶结物以泥质为主，原油粘度194 037 mPa•s （50 ℃ ），S3段岩性粗，粒度中值平均0.35 mm，S1+2粒度中值平均0.2 mm。

该块油井出砂比较严重，统计直井113口，出砂65口，占总井数的58%。自2005年在洼60块共部署水平井24口，S3段部署水平井9口，S1+2段部署水平井15口。S3段采用Φ244.5 mm套管内悬挂Φ177.8 mm割缝筛管完井，但H37发生割缝筛管变形。该井2007-03投产，2007-05出砂，最大直径50 mm，大修核实筛管于1730～1737 m发生变形，最小缩径149 mm。考虑到洼59块原油粘度高，携砂能力强，流动阻力大，油层埋藏深，地层压力高，加上泥岩蠕变、热采、砂细等综合影响，S3段全部采用了Φ177.8 mm通径高强度弹性筛管顶部注水泥防砂完井，取得了较好的开发效果。

2011年该技术在该块共应用10口井，分别是洼60-H3001、洼60-H2102、洼60-H2502、洼60-H27、洼60-H3201、60-H32、洼60-H30、洼60-H33、洼60H3002、洼60H66。目前投产3口井，洼60-H3001、洼60-H2102、洼60-H2502，平均日产液36.4 t，平均日产油11.7 t，保证该块的正常生产。

6 结 论

辽河油田的稠油占总产量的60%以上，近年来主要采用水平井热力开采方式开采，完井方式为Φ 244.5 mm套管内悬挂Φ177.8 mm防砂筛管。由于地应力和热应力大，易发生套损、封隔器坐封困难和密封不严、筛管损坏、细粉砂防治困难等。完井方式改为Φ177.8 mm套管下接Φ177.8 mm通径防砂筛管，顶部注水泥固井完井。完井防砂筛管改用高强度弹性筛管，强度高、防砂能力强，解决了细粉砂防治问题。现场应用证明，采用新的完井方式，应用高弹性防砂筛管，提高了筛管的抗挤毁强度，防砂效果好，值得在稠油油藏推广应用。

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Research and Application of Sand Control Completion With Screen Pipe in Heavy Oil Thermal Horizontal Well

ZHANG Jun
（Liaohe Oil Field Company, Liaoning Panjin 124010，China）

Some problems in Liaohe heavy oil thermal recovery horizontal well was analyzed. By comparing the sand control completion methods with screen pipe in horizontal well, the problems of liner failure, casing failure and packer sealing difficulty which caused by thermal power and ground stress in thermal horizontal well were solved by using sand control completion technology with cementing from the top and high strength and elasticity screen pipe. Field applications show that elastic screen is high strength and effective, it will help for long period stable production of the oilfield.

Thermal; Horizontal well; Cementing from the top; Elasticity screen pipe; Sand control

TE 355

A

1671-0460（2012）06-0594-04

2012-03-05

张军（1980-），男，辽宁盘锦人，工程师，硕士，2003年毕业于大庆石油学院勘察技术与工程专业，现从事采油工程及井下作业技术科研与管理工作。E-mail：zh_jun@petrochina.com.cn，电话：0427-7299955。