海上水平井过泥岩充填新工具的研究与应用

万 祥， 和鹏飞， 李君宝， 王允海， 边 杰， 袁则名， 董潇琳

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

海上水平井过泥岩充填新工具的研究与应用

万 祥， 和鹏飞， 李君宝， 王允海， 边 杰， 袁则名， 董潇琳

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

水平井裸眼井砾石充填技术是开发常规油气藏的有效手段,但受到泥岩垮塌等因素的影响,裸眼井砾石充填存在较高的失败率。为了解决海上非均质水平井钻遇大段泥岩而导致充填防砂失败的问题,通过对现有技术调研分析、对比优选可行性处理方案，研究并应用了过泥岩充填新工具。在新工具设计中，回插定位密封及底部旁通总成构成了整个工具的底部液流通道;内外177.8mm盲管与127mm盲管及其底端插入密封的环空构成了整个工具的中部液流通道;上部旁通快接总成连接两层盲管,并且提供了顶部的液流通道。在完成新工具加工后，采用弱点强度理论计算校核和实际试验的方式验证了其可靠性和功能性，最后在QHD油田某井实施了现场应用，结果表明新式裸眼分段压裂完井工具性能优越、安全稳定。

海上油田；水平井；非均质；充填防砂；工具

0 引 言

在渤海油田油气开发过程中，水平井应用十分广泛。近年来随着开发的深入进行,水平井水平段钻遇非均质储层即大段泥岩的情况频繁发生，而面对泥岩垮塌导致充填失败的问题[1—3]，多年来也进行过不同的尝试，比如在泥岩段下入筛管或下入盲管，但都无法避免泥岩垮塌所带来的影响，严重时会导致一口井无产量，例如埕北油田海17H1井[4]。为了根本解决此问题，经过总结国内外的经验[5—7]，通过多次论证、计算，研制了过泥岩充填工具，当泥岩垮塌时也能提供一个液流通道保证充填的顺利进行，以此来解决水平裸眼井砾石充填过程中泥岩垮塌所带来的一系列问题。

1 技术现状

1.1 现有技术基本情况

目前渤海油田水平裸眼井防砂方式分为两种： 优质筛管简易防砂(见图1)和砾石充填防砂。对于优质筛管简易防砂井来说，当遇到裸眼内含有大段泥岩的情况时，一般在泥岩段下入盲管来支撑井壁，或者在泥岩两端加入遇油遇水膨胀封隔器来封隔泥岩，防止泥质颗粒的运移。对于砾石充填防砂井来说，当遇到大段泥岩时，一般在泥岩段仍下入筛管来完成砾石充填作业，以砂挡泥，或者在泥岩段下入盲管来完成砾石充填作业，尽量减少泥质颗粒的运移。

图1 渤海油田常规筛管充填防砂方式Fig.1 Sand control method of conventional screen pipe filling in Bohai Oilfield

1.2 现有技术局限性

渤海油田水平裸眼井井段的钻井一般使用无固相钻井液，此钻井液对储层保护具有明显的优点，最大幅度地降低对表皮系数的影响，因此在井壁上形成的泥饼较薄，当受到外界机械作用时，极易遭到破坏，从而降低对泥岩的封堵性及抑制性。而下入防砂管柱的过程，以及砾石充填过程中陶粒的冲刷，都会造成对泥饼的破坏，因此在完井砾石充填之前或者充填过程中，都有出现泥岩垮塌的可能。

对于含泥岩的裸眼砾石充填井来说，不论泥岩段下入的是筛管还是盲管，泥岩垮塌后，仅能充填泥岩以上的部分。如果管鞋以下就是大段泥岩，那么现有技术的局限性就更明显，下入筛管会出现泥岩垮塌时无法通过憋压的方式重新建立通道的情况，下入盲管会出现脱砂压力作用在泥岩层并压漏地层，无法达到标准脱砂压力值的情况。

2 过泥岩充填系统技术方案

通过分析泥岩对裸眼井砾石充填的影响，解决此问题，可以有以下几个方案： (1)改变钻井液体系，增厚泥饼，减少机械因素对泥饼的损伤；(2)改变防砂方式，含大段泥岩的砾石充填井改为简易防砂井；(3)通过改变工具，来保证当泥岩垮塌时仍具有足够的液流通道。前两种方案都需要牺牲油井产能或寿命来达到目的，而第三种方案有望解决泥岩垮塌给砾石充填带来的影响。

据此，围绕如何建立足够的液流通道考虑含泥岩裸眼井砾石充填配套工具，具体方法为将在泥岩段由砾石充填的常规两层管柱创造性开发成外、中、内三层管柱。外层管柱由上部复合循环工具、盲管、下部复合循环密封筒等构成；中层由限位密封短节和盲管等构成；内层由冲管构成(内层与原技术相同)。泥岩段上、下部储层段仍保持常规的两层管柱，即防砂管柱和服务管柱。

3 过泥岩充填关键工具研制

3.1 关键工具

上部复合循环工具如图2所示，将外层管柱和中层管柱连接在一起，上端可与上部储层段的筛管相连，下端有外扣、内扣，外扣可与外层管柱(盲管)相连，内扣与中层的盲管相连，其作用是连接防砂管柱的两层结构，并提供外层与中层之间液体的上部流道。设计时考虑液体进入夹层时保持原有液流方向进入，不对上部复合循环工具内管产生直接冲蚀，同时也减少液体流向的改变，消除流道上的死角，减少陶粒堆积的可能性。其外径为194mm，不超过177.8mm盲管节箍外径；内径为124mm，与139.7mm盲管内径相当，以满足充填要求。同时旁通外套为快速连接，集成了快速接头的功能(并不影响流道)，以便外扣和外层管柱紧扣时无需旋转管柱。

图2 上部复合循环工具Fig.2 Upper composite cycle tool

复合循环密封筒由底部旁通工具(见图3)与密封筒总成连接而成，复合循环密封筒一端与外层盲管连接，另一端与下部筛管相连，密封筒总成部分内部可与限位密封短节(中层管柱)配合实现密封。设计时考虑液体流出底部旁通工具时的流向，开孔具有向下的一定角度，并在旁通孔外增加旁通外罩，保证液流不对地层冲刷，避免对地层的伤害。其外径为194mm，不超过177.8mm盲管节箍外径。

图3 底部旁通工具Fig.3 Bottom bypass tool

限位密封短节连接在中层管柱的最下端，以便与密封筒相配合形成密封，使得液体只能通过底部旁通工具流出，提供外层与中层之间液体的下部流道。密封筒总成由密封筒以及定位延伸筒组成，限位密封短节插入密封筒后继续下行至定位延伸筒底部缩径遇阻，同时限位密封短节下部有负荷显示弹性爪，遇阻之后上提时与密封筒下端面配合产生有过提显示，方便判断是否插入到位。

3.2 工具参数计算

根据管柱强度计算公式[8]，计算整套工具(含薄节箍盲管)的最薄位置(底部旁通工具)抗拉强度≥1.628MN，抗内压≥53.3MPa；负荷显示弹性爪弯曲应力≤620MPa。

在泥岩段坍塌后且充填排量6bpm(桶/分，1bpm≈0.159m2/min)、砂比0.5ppg(磅/加仑，1ppg≈0.12g/cm3)工况下，上部和底部大通径旁通工具的循环压耗≤116psi(1psi≈6.89kPa)，流速≤5.2m/s，对工具平均冲蚀量为0.018mm/d，故该管柱的压耗和抗冲蚀能力满足使用要求。图4～6给出了该工具流速、压耗和冲蚀模拟结果。

图4 工具流速模拟Fig.4 Tool flow simulation

图5 工具压耗模拟Fig.5 Tool pressure loss simulation

图6 工具冲蚀模拟Fig.6 Tool erosion simulation

4 工具地面试验

4.1 工具部件试验

对旁通总成分别打内、外压35MPa，稳压10min，压降分别为0.5MPa和0.2MPa，试验合格。

负荷显示弹性爪工具通过在密封筒内多次压过和上提，获得稳定的上提载荷为2～3t，下压载荷为1～2t。

对薄接箍油管进行交变应力测试，拉力882.6kN(90t)、压力294.2kN(30t)反复测试10次，套管无损伤，压力测试35MPa，压降0.3MPa。

4.2 工具整体试验

φ215.9mm裸眼井泥岩段砾石充填工具钻采试验井进行入井模拟试验，测试含泥岩段裸眼充填工具井口连接的配合性和含泥岩段外层管柱导流通道的摩阻。

携砂液在井筒内为固液两相流，将试验简化为在井口关防喷器模拟含泥岩段地层垮塌，使用清水测试含泥岩段外层管柱导流通道的摩阻，测得导流通道畅通。根据雷诺数的定义式，在砾石充填排量为8bpm的情况下，计算导流通道雷诺数7068.7>4000，为紊流状态。

紊流流体在环空中的压耗公式为

(1)

式中： ΔP为压耗，psi；dh为外层盲管内径，mm；dp为内层盲管外径，mm；L为盲管长度，m；Q为排量，L/min；ρ为洗井液密度，g/cm3。根据式(1)，计算流体在导流通道中的压耗ΔP为147.93psi。

试验中选取砾石充填最大排量8bpm下的泵压为0，忽略读数误差，试验结果与计算压耗一致。流体在含泥岩段外层导流通道的摩阻不影响砾石充填作业正常进行，导流通道满足砾石充填作业要求。

5 现场应用

渤海油田秦皇岛区块海15H1井2017年5月完钻，裸眼长度为267.76m，管鞋以下65.76m为泥岩。过泥岩充填工具首次应用于此井，按照防砂管柱下入表下入防砂管柱，其中过泥岩充填工具下入过程如下。

(1) 下入复合循环密封筒+φ177.8mm盲管，将最后一根盲管坐于井口并打好安全卡瓦。

(2) 下入φ152.4mm插入密封+φ139.7mm薄壁盲管，每根盲管通径，缓慢下放管柱探底插入，重复两次确认深度无误，井口配长。

(3) 下入上部复合循环工具，与φ177.8mm盲管相连。

(4) 防砂管柱下入到位后，进行砾石充填作业： 砂比0.5ppg，泵速7.0bpm，α波钻杆压力290～370psi，β波钻杆压力370～500psi，累计泵入20/40目陶粒15513lbs(约7.037t)，计算充填效率102.19%，以9.2英寸(1英寸≈25.4mm)井眼计算。

现场应用结果表明，该过泥岩充填工具达到预期效果。

6 结 语

通过过泥岩充填工具研制技术的攻关，开发出了上部复合工具、底部旁通工具等具有独特设计的关键工具。通过理论计算及计算机模拟，过泥岩充填工具各方面参数达到要求，满足海洋石油完井手册里关于砾石充填的各方面要求。通过车间实验以及实验井的入井试验，过泥岩充填工具满足设计要求，具备裸眼井过泥岩充填的能力。水平裸眼井充填过程中泥岩垮塌导致无循环通道而引起充填失败的问题，可以通过使用此工具完美解决。根据现场的实际需求，后续研究应重点在φ152.4mm工具的设计与测试。

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ResearchandApplicationofNewSandControlFillingToolforOffshoreHorizontalWell

WAN Xiang, HE Peng-fei, LI Jun-bao,WANG Yun-hai, BIAN Jie, YUAN Ze-ming, DONG Xiao-lin

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Tianjin300452,China)

Sand filling control in horizontal wells is widely used in oil and gas development, but if mudstone exists, the possibility of sand filling failure will increase. In order to solve the failure of filling sand control when drilling a large section of mudstone in horizontal wells in offshore oilfields, through the research and analysis on existing technology, we compare and optimize the feasible treatment programs, and develop and apply a new filling tool. In the new tool design, the back plug, the positioning seal and the bottom bypass assembly form the bottom flow passage of the tool; the 177.8 mm blind tube, the 127 mm blind tube, and the corresponding bottom end are inserted into the sealed annulus to form the middle liquid flow passage; the upper bypass quick connection assembly is connected to the two layers of blind tubes and provides a liquid flow passage at the top. After the completion of the new tool, the reliability and functionality of the method are verified by means of weak point strength theory calculation and actual test. Finally, a field application is carried out in a well in QHD Oilfield. The results show that the new type of open hole fracturing completion tool is superior in performance and safe and stable.

offshore oilfield; horizontal well; heterogeneous; filling sand control; tool

TE53

A

2095-7297(2017)04-0227-05

2017-06-14

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司“含泥岩裸眼井砾石充填配套系统”项目(GCJSLZBG-1626)

万祥(1986—)，男，学士，工程师，主要从事海洋石油完井技术工作。