海上油田热采完井技术研究与应用

　(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

海上油田热采完井技术研究与应用

[摘要]海上油田首次应用热采完井技术，受平台空间、机采方式和地面砂处理等限制，热采井不仅要安全环保，而且要满足多轮次吞吐生产和长效防砂要求。热采完井技术主要在防砂、完井管柱设计和材质选择等方面进行优化研究，研究成果已成功应用于海上14口热采井中，作业成功率达100%，充填率超过110%。截至2014年6月，首口井稳产超过1500d，平均有效期超过650d，均经历了第一轮次热采，其中4口井已完成二轮次热采，均未发生出砂和管柱损坏现象。达到了设计要求，为海上热采井高效开发奠定了基础。

[关键词]热采； 完井； 出砂；筛管；管柱；海上油田

海上油田稠油黏度超过2300mPa·s，流动性差，单井产能低于10m3/d。为高效开发该类油藏，采用热力采油技术，降低原油黏度，增强其流动性，从而提高单井产能。但是，在热采过程中，井底温度超过300℃，高温对完井工艺技术提出了较高要求。首先，热应力加剧出砂风险，海上热采井必须采取防砂措施；其次，海上油田热采采用的是长段裸眼水平井，交变热应力易损坏防砂管柱，完井管柱需要改进和优化；最后，套管处于高温和腐蚀性环境中，要求材质具备耐高温和耐腐蚀的性能。

针对海上油田热采井生产特征，优化和改进完井工艺技术，以满足生产需要，保证海上油田安全环保生产，减小出砂风险和延长生产有效期。

1热采防砂设计

海上油田稠油储层胶结疏松，强度低，泥质含量高，为了增加泄油面积，采用裸眼水平井+优质筛管完井方式，在生产过程中，若防砂筛管精度选择不当，易造成出砂，影响油井产能。而部分砾石充填防砂井，由于砾石层的挡砂作用，防砂效果明显优于简易防砂井。表1统计了某油田49口生产井不同防砂方式生产效果：砾石充填防砂井18口，占总井数的37%；出砂井2口，占充填井的12%。优质筛管防砂井31口，占总井数的63%；出砂井8口，占防砂井的26%。因此，采用砾石充填防砂技术，降低出砂风险，生产效果好。

表1　海上某油田不同防砂下出砂井统计

根据文献[1]建立的疏松砂岩流固耦合出砂预测模型，分析井壁近井地带岩石应力场、渗流场分布状态，在热采时增加热力场，井底高温产生径向热应力，改变了岩石受力状态，造成岩石剪切破坏出砂，影响油井正常生产。

在海上热采井中利用砾石充填防砂技术，保证生产中不出砂，延长防砂有效期，提高油井产能。砾石充填防砂主要有以下优点：

1)防砂效果好改变储层内单一筛管的防砂方式，优选充填砾石尺寸，砾石层作为第一道防砂屏障，较大尺寸地层砂被阻挡；而筛管作为第二道防砂屏障，除了阻挡砾石层外，还兼顾阻挡流过砾石层的部分细粉砂。

2)可以支撑井壁充填密实的砾石层，在注热或放喷生产时，砾石层不会被冲散，不会造成井壁坍塌损坏筛管。

3)增产效果好根据地层特征，采用高速水微压裂充填技术，改善近井地带储层渗流，提高注入能力和产能。

2完井管柱设计

2.1热应力补偿器

图1　热应力补偿器结构示意图

热采井防砂管柱与井眼之间充满砾石，处于非自由状态，在井底高温300℃时，由温度变化产生的热应力高于筛管屈服强度，防砂管柱面临屈服破坏风险[2]。为了减小热应力对防砂管柱的影响，研制了筛管热应力补偿器，用于抵消管柱受热伸长量，减小管柱轴向应力，使其在筛管屈服强度之内，从而达到防止防砂管柱变形损坏[3]。

热应力补偿器结构主要由中心管、耐高温密封组件、安全销钉、外管、配合接头、限位接头、滑动内套、限位半圆键、内通径套、上接箍等组成，如图1所示。耐高温高压波纹管密封件上下端分别焊接在上端环和下端环上，密封原件装在中心管中部的抗拉力台阶上，在下井状态中处于原始状态，当筛管受热膨胀时，热应力推外管产生位移，波纹管即开始压缩，达到补偿效果[4]。

根据海上稠油热采井井底温度(300℃)和裸眼水平段筛管长度，建立热膨胀计算模型：

ΔL=αLΔt

式中：α为热膨胀系数，m/℃；L为筛管长度，m；Δt为井底温度差，℃。

由该模型计算出筛管膨胀量ΔL=910mm。根据补偿器补偿距离，确定在防砂管柱合理位置增加热应力补偿器，降低防砂管柱遭受热应力损坏的风险。

2.2充填密封筒

图2　充填转向阀工作原理图

单筒双井水平段采用∅152.4mm裸眼砾石充填完井，水平段长，在充填过程中井口压力高[8]，根据砾石充填设计软件，充填排量为0.56m3/min时，砂丘高度比为0.71，β波压力为8.56MPa，地层破裂压力为6.35MPa，α波压力为3.04MPa。此时，β波压力超过了地层破裂压力，为降低逆向充填β波压力，防砂管柱需增加充填密封筒，其工作原理如图3所示。

防砂管柱下入到位后，进行砾石充填作业，此时充填密封筒与冲管转向阀配合，处于关闭状态，密封筒前端压力p1<后端压力p2，携砂液流向水平段尾端，首先进行尾端充填(见图2(a))；当充填逐步向水平段前端推进至密封筒时，由于底部充满砾石，携砂液通过筛管使前端压力p1>后端压力p2，此时转向阀打开，携砂液继续逆向充填(见图2(b))，最终完成裸眼水平井砾石充填作业。

图3　海上热采井完井管柱结构图

根据软件计算结果，在防砂管柱中增加1个密封筒，可使充填压力低于地层破裂压力，避免压漏地层，导致充填失败，满足充填施工要求。

2.3完井管柱设计

由以上筛管膨胀模型，计算出单筒双井筛管受热膨胀量为910mm，若不消除膨胀量，产生的热应力会损坏防砂管柱，导致出砂风险。根据热应力补偿器的补偿距离，结合水平段井底温度和生产情况，优化采用2套热应力补偿器，1套安放在顶部筛管以下50～60m，在相距第1套以下100m安放另外1套热应力补偿器。小尺寸、长水平段裸眼砾石充填施工难度大，工艺复杂，施工压力高，为了提高充填效果，采用密封工具并逐段充填工艺，由充填模拟软件计算充填α波和β波压力，优化充填密封筒安放于防砂管柱中部，提高了充填效率。完井管柱如图3所示。

3材质优化

3.1耐高温性

在热采过程中，热应力对管柱的影响是显著的。因此，必须优选合适材质的管材，以适应井底高温恶劣环境影响。考虑井底温度300℃以上，由温度变化引起的热应力超过700MPa，远远超过N80屈服强度(565.7MPa)，通过室内不同材质的热应力试验，优化管材材质P110，该材质管材在温度300℃时，屈服强度达到740.98MPa[5]。

3.2耐蚀性能

在热采中，利用环空注氮隔热措施保证井底高温，减少井筒沿程热损失，不可避免含有O2腐蚀性气体，若油藏含有CO2气体，也会造成管材腐蚀影响。

为了降低热采中腐蚀和冲蚀对筛管的影响，根据腐蚀性O2与CO2气体腐蚀机理，优选金属网过滤层采用316L不锈钢。基管提高Cr含量，室内对3Cr材质进行试验，并对腐蚀产物膜的元素分布进行分析，表面Cr、Ni、Cu等耐蚀元素发生明显富集，其中Cr富集量高达20%以上，提高耐腐蚀性3倍以上，经过现场热采井应用实践，没有发现管材腐蚀损坏现象，延长了油井寿命。

4现场应用

A1井为海上油田一口热采井，用∅444.5mm钻头钻至369.0m，下∅339.7mm表层套管至367.3m。∅311.2mm钻头钻至1773.0m，下∅244.5mm套管至1768.4m。∅215.9mm钻头+旋转导向钻具钻至设计井深1949.0m完钻，水平段长度176.0m。

从实钻来看，储层岩石胶结疏松，泥质含量较高，防砂采用优质筛管+砾石充填方式，筛管挡砂精度120μm，充填20～40目陶粒。根据热采井底温度、筛管长度和膨胀量计算模型，计算筛管膨胀量为668mm，结合补偿器补偿距离为400～450mm，采用2套热应力补偿器，分别安放于1805.0m和1860.0m。水平井砾石充填时，充填β波压力达到8.35MPa，地层破裂压力6.12MPa，β波压力高于地层破裂压力，需要增加充填密封筒，由砾石充填防砂设计软件设计出充填密封筒安放于1867.0m。

在钻完井施工过程中，完井成功率100%，充填效率超过110%，提高了充填效果。截至2014年6月，稳产超过680d，累计产油超过18000m3，目前仍在继续稳产，经历了第一轮次热采的考验，在生产过程中没有发生井筒及防砂管柱损坏现象。

5结论

1)砾石充填满足了海上油田热采井防砂要求，延长了有效生产时间。

2)完井防砂管柱优化改进措施，减小热应力影响，提高充填效果。

3)优选的管材材质，不仅经受住高温考验，而且具有防腐性能，降低管材损坏风险。

该文属中海油田服务股份有限公司项目“海上稠油热采井钻完井技术研究”(C201103)基金产出论文。

[参考文献]

[1]刘正伟. 海上疏松砂岩油藏出砂预测模型及应用[J]. 特种油气藏，2012，19(3)：136～139.

[2]赵洪忠. 辽河油区细粉砂防砂工艺技术研究与应用[J]. 特种油气藏，2007，14(4)：85～87.

[3]于雷，薄岷. 辽河油田热采井套损防治新技术[J]. 石油勘探与开发，2005，32(1)：116～118.

[4]孙迎春，贾耀惠. 热应力补偿器在超稠油开发中的应用[J]. 特种油气藏，2002，9(6)：51～53.

[5]吴建平. 防砂筛管受热变形分析[J]．石油钻采工艺，2010，32(1)：45～ 49.

[6]李成军，邵先杰，胡景双，等. 浅层稠油油藏蒸汽吞吐出砂机理及影响因素分析[J]. 特种油气藏，2008，15(4)：90～93.

[编辑]黄鹂

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[引著格式]刘新锋，张海龙，朱春明，等.海上油田热采完井技术研究与应用[J].长江大学学报(自科版) ,2015,12(11):43～46.

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)11-0043-04

[中图分类号]TE25

[作者简介]刘新锋(1981-)，男，高级工程师，现从事海上完井防砂技术研究与应用工作，liuxf16@cosl.com.cn。

[收稿日期]2014-10-14