自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究与应用*

张 明 李 凡 刘光泽 王 鹏 赵 静

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452； 3.中国石油大学(北京) 北京 102249)

自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究与应用*

张 明1李 凡1刘光泽2王 鹏2赵 静3

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452； 3.中国石油大学(北京) 北京 102249)

渤海油田浅层砂岩弱胶结易出砂，应用一趟多层砾石充填防砂技术可有效防砂、提高油井产量，但该技术被国外公司垄断，并且国外封隔器的锚定机构存在提前座封、套管损伤严重等方面的不足；同时充填滑套在作业过程中存在误打开的风险。为了弥补国外工具的不足，提高海上的作业效率、安全性，同时节约成本，自主研发了φ244.5 mm一趟多层砾石充填工具及其配套工艺，并在绥中36-1油田的9口高难度井中进行了成功应用，取得了良好的经济效益和社会效益，具有可推广价值。

渤海油田；自主化一趟多层砾石充填防砂；充填工具；配套工艺；绥中36-1油田

渤海油田井深300～3 000 m浅层砂岩地层多属于弱胶结地层，地层强度低，生产时很容易出砂。为提高油井生命周期，渤海油田从20世纪80年代末引进一系列防砂、控砂工艺技术，并取得了较好的防砂效果[1]。渤海防砂工艺技术主要包括打孔管防砂、预充填筛管防砂、优质筛管防砂以及砾石充填防砂等[2-4]，其中一趟多层砾石充填防砂工艺技术由于可以有效防砂和极大提高油井产量而被广泛应用。然而，一趟多层防砂技术一直被国外公司所垄断，作业成本高、供货期长，无法满足渤海油田高速开发与发展的需要[5]。此外,一趟多层防砂技术在使用过程中还存在一定问题，如国外封隔器的锚定机构存在提前座封、套管损伤严重等方面的不足；同时充填滑套在作业过程中存在误打开的风险。为了弥补国外工具的不足，提高海上的作业效率、安全性，同时节约成本，自主研发了φ244.5 mm一趟多层砾石充填工具及其配套工艺，并在渤海SZ36-1M平台油田开发中取得了成功应用。本文主要阐述自主化一趟多层砾石充填防砂系列工具研发与配套工艺优化技术研究以及在绥中36-1油田的9口高难度井的应用效果，以期为同类油田开发提供借鉴。

1 自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究

砾石充填防砂技术是优选一定的缝隙尺寸、割缝筛管下入井内，正对出砂油层，在筛管周围及近井地带充填一定粒度(圆球度≥0.6)的砾石，形成一个具有较高渗透性的两级拦截过滤体系。地层砂粒在充填砂面上被阻留，而砾石本身又被阻隔在筛管周围，这种体系可阻止地层砂运动[6]，而地层液体或细小的游离砂可以通过渗透性较好的砾石充填层和流通面积较大的筛缝进入油井，使油井既能保证产量又能控制进一步出砂。因此，系列工具研发与配套工艺优化是自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究的关键。

1.1 系列工具研发

在自主研发防砂工具的过程中，学习国外先进防砂工具设计理念和经验[7]，结合我国海洋石油工作环境和实际操作中遇到的困难进行了设计改进和试验研究。

1) 封隔器卡瓦优化。

国外封隔器的锚定机构存在提前座封、套管损伤严重等方面的不足，主要面临2个问题：①携带封隔器防砂管柱下入过程中，管柱内液体与封隔器活塞腔连通，一旦封隔器座封工具和封隔器配合下井的过程中出现压力激动会造成销钉剪切，活塞向下移动时会出现卡瓦牙张开咬住套管壁，造成管柱遇阻、遇卡[8]；②国外封隔器锚定机构卡瓦牙设计比较粗大，座挂后卡瓦牙嵌入套管内壁较深，对套管产生一定伤害，尤其是在意外座封的情况下，上下活动管柱解卡时对套管产生伤害更大，往往造成油井二次作业中被咬伤的井段无法进行二次封隔[9]。因此，针对上述问题须开发出一种可以防止卡瓦提前座封的双向锚定机构，并对锚定机构卡瓦牙进行优化设计，使用对套管伤害更小的微牙痕卡瓦结构设计。首先对实现卡瓦微牙痕的重要几何参数进行分析和研究，然后基于ANSYS有限元分析得到的封隔器卡瓦牙与套管接触区域的应力情况优化卡瓦的结构尺寸，最终设计了一种双向锚定机构，并对套管损伤较小的微牙痕卡瓦结构进行了设计(图1)，并且研制出了防止提前座封顶部封隔器。

同时为防止封隔器卡瓦提前座挂，研发了封隔器配套的座封工具(图2)。与国外座封工具相比，该工具增加了防提前座封球座，未投球前传压孔2被屏蔽机构封住，管柱内液体无法进入活塞腔内，活塞腔内始终无压力变化，活塞无法移动，因此该工具和封隔器配合下井的过程中不会出现压力激动造成销钉剪切、卡瓦提前座封，可以保证作业安全[10]。封隔器下入到预订位预定置后进行投球，首先打压剪切球座，球座向下移动，带动屏蔽机构移动，最终屏蔽机构传压孔1与传压孔2连通，压力传递至活塞腔，活塞可以移动，座封封隔器。

图1 卡瓦力学分析及实物图

图2 封隔器座封工具

2) 充填滑套优化。

针对现有充填滑套在作业过程中存在误打开的难题，进行了自主化技术攻关。通过ANSYS软件分析，得到滑套开关屈服极限为346.2 MPa(图3)。根据其受力分析及工况要求[11]，成功设计出了充填滑套系列产品。自主研发的充填滑套通过上端加设扶正环，在大井斜下入油管过程中可有效防止油管接箍挂住滑套弹性爪台阶(图4),成功消除了充填滑套在后续作业中误打开的风险，提高了弹性爪的工作可靠性。

图3 滑套屈服受力分析

新式充填滑套上端增加扶正环，可扶正油管，且弹性爪台阶间距小于油管接箍长度，使油管在通过滑套过程可以保持居中。同时,增加O型圈数量，优化滑套外筒内表面与弹性爪外表面，也可增强O型圈密封性能。

图4 新式充填滑套设计

1.2 配套工艺优化

一趟多层砾石充填防砂管柱主要由顶部封隔器、充填总成、定位接箍及其相应座封工具、充填转换工具、移位工具、下压定位工具等服务工具组成。为了降低一趟多层砾石充填作业的风险，须对内外层管柱位置结构及下入工艺进行优化。

1) 保证防砂管柱内部畅通，满足正反洗压井需要，保证防砂管柱下入过程中作业安全。

2) 充填服务工具满足加压脱手和正转脱手方式，保证封隔器座封后顺利投手。

3) 中心服务管柱设置添加下压定位机构(液压锁定器)，用于定位充填位置，以确保充填位置准确。在充填过程中，给一定的下压力还可保证充填过程管柱不发生上窜，防止出现砂卡的风险。

2 在绥中36-1油田的应用

绥中36-1油田位于渤海辽东湾海域辽西低凸起中段，构造形态为北东走向的半背斜。该油田主力含油层段为古近系东营组下段，埋深1 300～1 600 m，在2002年达到日产量12 500 m3的高峰。随后，油田含水率上升，产量下降，至2006年一期综合含水69%，采油速度仅为0.99%，部分区块出砂严重,因此砾石充填防砂对提高油藏采收率具有不可替代的作用。自主化一趟多层砾石充填防砂技术在绥中36-1油田的9口高难度井中进行了应用，取得了良好效果。以该油田5层砾石充填套管井M4井为例，该井井深2 954 m，垂深1 722 m，底层防砂段长度8.6 m，最大井斜65°；设计下入绕丝筛管，采用20/40目人工陶粒，利用密度1.03 kg/m3的完井液作为携砂液，进行砾石充填完井。现场循环测试地面泵注排量0.97 m3/min，钻杆压力11.9 MPa，套管压力0.17 MPa；现场挤注测试地面泵注排量0.81 m3/min，钻杆压力13.3 MPa，套管压力10.9 MPa；混砂比59.92 kg/m3，反循环排量0.98 m3/min。充填质量评价结果显示：该井设计充填砂量765.9 kg，实际充填砂量768.2 kg，充填效率为100%，充填系数88.5 kg/m，盲管埋高3.4 m，各项指标均达到了作业要求(表1)。据估算，使用自主化一趟多层砾石充填防砂工具相比于国外工具可以节约费用20%～30%，防砂效果可以达到国外的专业水平，降本增效作用明显。

表1 绥中36-1油田M4井作业参数及产量

3 结论

1) 针对封隔器锚定机构存在提前座封的问题，研发了可以防止卡瓦提前座封的双向锚定机构，并对锚定机构卡瓦牙进行了优化设计，采用了对套管伤害更小的微牙痕卡瓦结构设计，研制出了防止提前座封的顶部封隔器。

2) 针对充填滑套作业中存在误打开的问题，通过在充填滑套上端加设扶正环消除了充填滑套误打开风险，并通过增加O型圈数量提高了密封性能。

3) 自主研发的一趟多层砾石充填防砂工具打破了国外技术垄断，已在绥中36-1油田成功应用，取得了良好的经济效益和社会效益，具有可推广意义。

[1] 《海上油气田完井手册》编写组.海上油气田完井手册[M].北京：石油工业出版社,1998:134-141.

[2] 马建民.可自适应膨胀防砂筛管防砂机理及其技术研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2011.

Ma Jianmin.Sand control mechanism and technology research of self-adapted expandable sand control screen[D].Qingdao:China University of Pertoleum,2011.

[3] 范白涛．我国海油防砂技术现状与发展趋势[J]．石油科技论坛，2010,29(5)：7-12．

Fan Baitao.Current situation and development of offshore sand control technology[J].Oil Forum,2010,29(5):7-12.

[4] 谭章龙，司念亭，李贵川，等．大斜度井压裂充填防砂工艺研究与实践：以南堡35-2油田Ax井为例[J]．中国海上油气，2011,23(1)：46-49．

Tan Zhanglong,Si Nianting,Li Guichuan,et al.Fracture packing sand control technology research and practice for high angle deviated wells:a case study of Ax well in NB35-2 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2011,23(1):46-49.

[5] 万仁溥，罗英俊．采油技术手册:第七分册．防砂技术[M].北京：石油工业出版社,1991:56-79.

[6] 高成元,张家营,徐强,等.一次砾石充填防砂工具的研制[J].石油机械,2003,31(10):37-38.

Gao Chengyuan,Zhang Jiaying,Xu Qiang,et al.Development of primary gravel pack tools[J].China Petroleum Machinery,2003,31(10):37-38.

[7] 王登庆.水平井砾石充填防砂工艺技术研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2008.

Wang Dengqing.Research on sand control technology of horizontal well gravel packing [D].Qingdao:China University of Pertoleum,2008.

[8] 吴建平.压裂防砂一体化技术研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2009.

Wu Jianping.Research on the integrative technology of fracturing and sand control[D].Qingdao:China University of Pertoleum,2009.

[9] 梁国杰，王栋，刁俊西，等．砾石充填防砂一次充填工具研制及应用[J]．特种油气藏，2004,11(1)：57-59．

Liang Guojie,Wang Dong,Diao Junxi,et al.Development and application of primary gravel pack tool[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2004,11(1):57-59.

[10] 王松，陈来平，陈广，等．封隔高压一次充填防砂技术及其应用[J]．石油钻采工艺，2001,23(5)：67-70．

Wang Song,Chen Laiping,Chen Guang,et al.Application of sand control technology filled only one time with pack and high pressure[J].Oil Drilling & Production Technology,2001,23(5):67-70.

[11] 郭美华，廖前华，巩永刚，等．大斜度长隔层套管射孔井砾石充填完井设计与应用[J]．石油钻采工艺，2011,33(2)：35-37．

Guo Meihua,Liao Qianhua,Gong Yonggang,et al.Design and application of multi-zone gravel-pack completion for high deviation and extra-long intervals[J].Oil Drilling & Production Technology,2011,33(2):35-37.

(编辑：孙丰成)

Technology of sand control with autonomous one-trip gravel packing and its application

Zhang Ming1Li Fan1Liu Guangze2Wang Peng2Zhao Jing3

(1.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China; 2.CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Ltd.,Tianjin300452,China; 3.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Shallow sandstones in Bohai oilfield is loosely consolidated and likely to release sand. The technology of sand control with one-trip gravel packing can effectively stop sand and improve oil production. However, the technology is monopolized by foreign companies; and even with their system, the anchoring mechanism of the packer has the deficiencies of premature setting and serious casing damage, etc. Meanwhile, there is a risk that the sliding sleeve would be opened at an improper time during operations. In order to make up for the shortcomings of foreign tools, improve the efficiency and safety of offshore operations, and reduce the cost, we developed a one-trip gravel packing tool with a diameter of 244.5 mm and the supporting technology on our own, which have been successfully used in 9 wells with harsh downhole conditions in SZ 36-1 oilfield, achieving remarkable economic and social benefits. So we believe the technology has high potential for dissemination.

Bohai oilfield; autonomous one-trip gravel packing; sand control tool; matching technology; SZ 36-1 oilfield

张明，男，工程师，2004年毕业于原大庆石油学院，现主要从事海洋石油钻完井技术研究及现场作业工作。地址：天津市塘沽区渤海石油路688号海洋石油大厦B座A306(邮编：300452)。E-mail：zhangming@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0111-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.017

TE257

A

2015-03-10 改回日期：2015-09-24

*“十二五”国家科技重大专项“海上稠油油田高效开发示范工程(编号：2011ZX05057)”部分研究成果。

张明,李凡,刘光泽，等.自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究与应用[J].中国海上油气，2016,28(3)：111-114.

Zhang Ming,Li Fan,Liu Guangze,et al.Technology of sand control with autonomous one-trip gravel packing and its application[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):111-114.