水平井含泥岩段旁通充填防砂工具研发与应用*

包陈义 张 斌 李君宝 王 鹏 万 祥 严孟凯 李跃谦

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

近年来渤海湾秦皇岛32-6等油田为提高采收率和深化降本增效，多采用水平裸眼井砾石充填完井[1]。由于油藏非均质性和地层倾角变化，以及部分不可避免过泥岩段的储层开发需要，在裸眼井完井中管鞋位置经常钻遇大段泥岩[2-3]，而泥岩段井壁出现的掉块、缩径和垮塌不稳定风险，极易导致整个裸眼井砾石充填作业失败和油井防砂寿命明显降低[4-5]。目前，水平裸眼井钻遇较长的泥岩段时一般会重新侧钻分支井眼再完井或迫于选择优质筛管简易防砂完井，这样会大幅增加作业周期和费用，且影响油井的正常投产。现场作业表明，30%水平裸眼井砾石充填作业井因泥岩垮塌导致充填失败[6]，如QHD32-6-J6H井因其90 m泥岩段在砾石充填过程中发生井壁意外坍塌，导致在加砂过程中压力突然升高而无法继续充填，最终造成充填效率不到设计值的10%。根据调研，国外贝克休斯、斯伦贝谢分别采用MultiPath Screen和Alternate Path[7]2种专用旁通筛管技术，实现泥岩坍塌后携砂液继续通过旁通传输管充填全井筒环空，但这2种特殊旁通筛管相对复杂，风险高，成本高，井口连接作业时效差，存在较大的推广局限性。为了解决水平裸眼井在出管鞋位置和中部其他位置因钻遇泥岩段坍塌后无法继续充填的技术难题，笔者针对易坍塌位置创新采用双层旁通管架桥设计，研发了一套适合φ215.9 mm裸眼井含泥岩段用的双层旁通充填防砂工具，通过工具强度和充填模拟分析和实验评价了该工具可以保证目标层段具有较高的充填效率，并分析了工具的适用技术参数范围。现场应用表明，所研发的双层旁通充填防砂工具具有较高的工作可靠性、技术优越性和使用经济性，具有较好的推广应用价值。

1 旁通充填防砂工具研发

1.1 旁通充填防砂管柱设计

在中国海油裸眼井砾石充填防砂工具[8-9]的基础上，创新地采用双层旁通管架桥原理设计了带旁通充填工具的防砂管柱(图1)。该防砂管柱自上而下主要由顶部封隔器总成、双层旁通总成和循环引鞋总成组成，其中双层旁通总成主要包括上部旁通快接工具、旁通外管、旁通内管、下部旁通回插工具。双层旁通总成可针对目标泥岩段实施架桥跨接，其上下旁通孔均覆盖泥岩段5 m以上，当泥岩段出现垮塌后，携砂液可通过双层旁通管之间的夹层继续运送至下部井段，保证有效井筒的充填效果，最终解决由于水平井钻遇泥岩段而影响砾石充填作业的问题。

图1 本文设计的旁通充填防砂管柱

1.2 上部旁通快接和下部旁通回插工具设计

为了实现双层旁通总成与防砂管柱的高效连接，总成上端通过旁通快接工具实现与顶部封隔器总成的螺套式快速连接，总成下端通过旁通回插工具实现与筛管的快插式连接。上部旁通快接工具主要包括变扣接箍、快接内管、快接外套和快接外管(图2)，下部旁通回插工具主要包括旁通短节、保护罩、配长管、插入密封工具、密封筒、弹性负荷显示工具和筛管变扣(图3)。双层旁通总成的工作原理为：首先根据实际井眼的泥岩段分布位置进行配管，然后在井口从下至上依次下入循环引鞋总成、筛管、下部旁通回插工具的外层管柱工具、旁通外管和上部旁通快接工具的快接外管坐挂于井口，再从下至上依次下入下部旁通回插工具的弹性负荷显示工具、插入密封工具和旁通内管，同时通过弹性负荷显示工具与密封筒往复插拔的载荷变化判断到位情况，最后从内到外依次连接上部旁通快接工具的快接内管和快接外管并套入快接外套，即可完成每段双层旁通总成与整个防砂管柱的连接，当管柱下入到位后即可在目标泥岩段上下建立其坍塌后可继续充填的流通通道。

图2 本文设计的上部旁通快接工具

图3 本文设计的下部旁通回插工具

1.3 等壁厚薄接箍盲管及井口快接工具设计

考虑到双层旁通管的下入风险、充填摩阻和投入成本，针对φ215.9 mm裸眼井优选旁通外管φ177.8 mm的普通套管，优选旁通内管φ139.7 mm的低磅级管材进行特殊连接螺纹设计，以实现旁通过流当量面积的最大化。同时设计可逐级连接和悬挂的等壁厚薄接箍，以及与之尺寸配套的C形盘、碗形座和套管卡瓦组成的井口快接工具，实现较长或多段双层旁通管柱在井口快速、安全地依次下入，且旁通管柱与配套φ139.7 mm筛管实现全通径设计，满足φ124.3 mm大通径配产配注和后续大修时可使用φ114.3 mm割刀实现一趟钻割捞回收的作业需求。

2 工具强度分析与实验

2.1 旁通工具耐冲蚀性分析

为验证含泥岩段旁通工具的耐冲蚀能力，假定泥岩段发生坍塌的极限工况，携砂液以排量1.03 m3/min、砂比49.89 kg/m3全部通过旁通外管与旁通内管的环空流道进行充填。为了提高工具耐冲蚀能力，对工具表面进行了渗氮处理，其表面硬度可达800 HV，渗层平均厚度0.5 mm，利用ANSYS CFX流体分析模块和Finne冲蚀模型[10]对旁通工具及其出口的井壁保护罩进行冲蚀模拟分析，结果如图4所示。从图4可以看出，当泥岩段发生坍塌后，旁通工具的下旁通孔位置受冲蚀影响最大，其附近的局部循环流速≤5.9 m/s，工具的最大质量冲蚀速率8.1×10-5kg/(m2·s)，最大冲蚀速率75.7 mm/a，按连续充填12h极限工况计算的最大冲蚀表面深度为0.1 mm，小于0.5 mm的强化处理许用冲蚀表面厚度，故旁通工具的耐冲蚀能力可满足极限工况的需要。与此同时，观察发现下部旁通孔外设置的井壁保护罩将携砂液的出口流向调整为沿井眼轨迹的水平轴向流动，避免了出砂口沿径向冲刷裸眼井壁形成局部扩径的作业风险，有效地降低了携砂液对裸眼井壁的冲刷影响。

图4 本文设计的旁通工具冲蚀模拟云图

2.2 等壁厚薄接箍盲管连接强度分析与实验

整个旁通管柱在下井和打捞动管柱过程中的连接强度至关重要，本文研发的充填工具受结构和尺寸限制的强度风险点为研制的φ139.7 mm等壁厚薄接箍盲管及其特殊连接螺纹，管材钢级为P110，屈服强度为758 MPa。使用ANSYS Workbench Static Structural分析模块，分别按抗压600 kN和抗拉900 kN的极限工况对特殊螺纹连接进行受力分析(图5)。

图5 本文设计的等壁厚螺纹受压和受拉应力

由图5有限元分析结果可以看出，当旁通管柱下入遇阻600 kN时，该螺纹的最大应力出现在公扣后尾部，其应力值为325 MPa；当旁通管柱后期打捞过提遇阻900 kN时，该螺纹的最大应力出现在接箍母扣后尾部，其应力值为498 MPa，两者数值均小于管材取安全系数1.5的许用屈服强度505.7 MPa：因此，整个旁通管柱满足从井口下入到后期打捞回收的连接强度要求。

为进一步确保等壁厚薄接箍盲管的连接可靠性和安全性，在实验车间使用载荷测试机和高压泵对等壁厚薄接箍盲管进行逐级加载的往复拉压和外压测试，结果见表1。从表1测试结果可知，该等壁厚薄接箍盲管可以承受600 kN抗压载荷和1 200 kN抗拉载荷后的35 MPa抗外挤压力，且螺纹连接经往复拆卸未见明显破坏，表明等壁厚薄接箍盲管可在充填防砂作业条件下满足旁通管柱下入遇阻600 kN、打捞遇阻900 kN极限工况的强度需要。

表1 本文设计的等壁厚薄接箍盲管的连接强度测试

3 充填模拟分析与实验

3.1 充填模拟分析

为检验水平井含泥岩段旁通充填防砂工具的技术适用范围，笔者以QHD32-6-J6H井钻遇泥岩为例，该井井深1 743 m、井径233.68 mm，采用φ139.7 mm钻杆，筛管外径162.5 mm，裸眼段总长400 m，其中泥岩段长度100 m，陶粒20/40目[10-11]，陶粒颗粒密度2 601 kg/m3，基液密度1 078 kg/m3，砂比49.89 kg/m3，控制α波沙丘比的经验高度0.70～0.75[11]。首先模拟计算泥岩段未坍塌和坍塌2种工况下原防砂管柱的充填摩阻和新增旁通充填工具的附加摩阻(表2)，然后将循环摩阻值导入泵入流体的能量守恒和砾石沉降速度公式[12]，分别计算出2种工况下携砂液通过旁通充填工具以α波形式沿井眼轨迹从上至下完成井筒低边一侧充填的施工排量及泵压，再以β波形式沿井眼轨迹由下至上完成井筒高边一侧充填的施工排量及泵压，最后根据实测的地层破裂压力曲线和经验设定的沙丘比曲线与α波、β波的充填排量及泵压曲线进行对比分析(图6、7)，得到新增旁通充填工具的防砂管柱所能满足2种工况下的最大充填排量。

表2 本文设计的工具管柱循环摩阻计算结果

图6 采用本文研发的充填防砂工具进行泥岩段未坍塌时的充填模拟

图7 采用本文研发的充填防砂工具进行泥岩段坍塌后的充填模拟

由表2、图6、7可以看出，在泥岩段未发生坍塌时携砂液主要通过旁通外管与裸眼井壁的环空流道完成目标层段的充填，当泵入排量为1.2 m3/min时整个防砂管柱的摩阻为3.6 MPa，计算得到β波充填曲线与地层实测破裂压力曲线的交点为其可满足的最大充填排量1.16 m3/min和β波结束压力9.6 MPa，同时α波充填的沙丘比高度0.73，符合α波充填沙丘比0.70～0.75的经验高度。当泥岩段发生坍塌并堵塞裸眼井壁与旁通外管通道后，携砂液则完全通过旁通内管与旁通外管的环空流道进行目标层段的充填，当泵入排量为1.2 m3/min时整个防砂管柱的摩阻4.3 MPa，计算得到β波充填曲线与地层实测破裂压力曲线的交点为其可满足的最大充填排量1.03 m3/min和β波结束压力9.7 MPa，同时α波充填的沙丘比高度为0.75，亦符合α波充填沙丘比0.70～0.75的经验高度。因此，本文研发的旁通充填防砂工具均可保证未坍塌和坍塌2种工况时目标层段的充填效率。

3.2 充填模拟实验

在试验井JJSY-2H水平井段进行φ215.9 mm规格工具整机下井试验以验证含泥岩段旁通工具充填模拟和管柱摩阻分析的准确性。工具下入井深1 660 m，双层旁通管长度90 m，下部φ139.7 mm筛管长度50 m，使用水介质测得工具管柱在不同工况、排量下的充填泵压见表3。由表3可以得出，当泥岩段未发生坍塌时工具管柱在1.2 m3/min排量下的循环摩阻为3.4 MPa，当泥岩段发生坍塌时工具管柱在1.2 m3/min排量下的循环摩阻为4 MPa，2种工况下的实测摩阻与计算得到充填摩阻3.6、4.3 MPa基本吻合，因此含泥岩段旁通充填防砂工具的最大充填排量等适用参数范围准确可靠。

表3 本文研发的充填防砂工具模拟充填的泵压记录

4 现场应用

2017年5月，QHD32-6-J15H1井完钻裸眼井明下段西区N1mLⅡ2目的层位途经近百米泥岩和砂岩不等厚互层井段。该井裸眼段顶斜深2 080 m，垂深1 172.17 m，裸眼段底斜深2 353 m，其中泥岩段从管鞋位置开始往下延伸71 m，地层压力梯度0.008 MPa/m，地层破裂压力梯度0.015 MPa/m。考虑疏松砂岩高孔高渗地层的生产需要和邻井J6H井因泥岩坍塌而充填失败的作业风险，采用本文研发的双层旁通充填工具来保证有效井筒的充填效率。现场使用大小为20/40目陶粒，陶粒体积密度1 560 kg/m3，陶粒颗粒密度2 601 kg/m3，基液密度1 078 kg/m3，砂比49.89 kg/m3，QHD32-6-J15H1井现场作业充填曲线如图8所示。

图8 本文研发的充填防砂工具在QHD32-6-J15H1井充填作业曲线

由图8可以看出，QHD32-6-J15H1井充填作业时循环充填泵入排量0.8～1.1 m3/min、α波充填泵压2.3～2.6 MPa、β波充填泵压2.6～3.5 MPa，实际泵入砂量7 037 kg，相比φ233.68 mm 设计砂量6 886 kg[12]，充填效率达到了102.19%。同时，综合分析曲线213～237 min施工区间的压力波动和邻井J6H井较长泥岩段出现的坍塌情况，推测QHD32-6-J15H1泥岩段已经出现局部坍塌，但采用本文研发的双层旁通充填工具成功实现了该井有效井筒完全充填，进而验证了该工具的可靠性及泥岩段出现坍塌后继续完成充填作业的有效性。

5 结束语

采用双层旁通管架桥原理研发了一套适合φ215.9 mm水平裸眼井含泥岩段双层旁通充填防砂工具，并进行了数值模拟与实验分析，结果表明所研发的水平裸眼井含泥岩段双层旁通充填防砂工具具有优良的连接强度和抗冲蚀性能，可满足充填防砂作业需要。该工具在QHD32-6-J15H1井充填防砂作业中取得成功应用，具有较好的推广应用价值。

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