先期防砂筛管顶部固井一体化技术

田晓勇 张京华 白云飞 蒋本强 蒋立坤 宋剑鸣 苟旭东 古青

关键词：固井；防砂；等离子割缝筛管；封隔器；分级箍

0 引言

目前，巴彦油田是华北油田建产主要区块，其中LH 等区块储层多为疏松砂岩，间杂泥岩及局部膏岩，前期采用普通筛管完井，开发过程储层出砂量大、粒径小，导致试采不到1 个月筛管便发生严重堵塞，同时储层上部及储层段井壁失稳严重［1］，易垮塌填埋筛管，产出流体高含沥青质及次生二氧化碳腐蚀介质，筛管腐蚀严重，局部膏岩对筛管造成挤压变形。因此，完井时不仅要考虑对储层及储层上部井壁失稳层段进行封堵避免后期垮塌填埋筛管，还需采用高精度、高强度防腐筛管提高储层防砂效果。倪华峰［2］针对井壁稳定性差，失稳垮塌严重问题提出了“尾管+筛管”分级半程固井技术。徐明会［3］等针对传统筛管顶部注水泥工艺中，管内液柱振动易导致分级箍提前开孔，管外封隔器提前涨封等问题进行了相关研究。针对筛管顶部注水泥工艺中出现的钻塞时间长、钻穿套管及卡钻等问题，李国峰等［4］研制了筛管顶部固井免钻塞工具，杨旭等［5］发明了地层封隔式免钻筛管顶部固井工具。上述学者采用的工艺基本相同，原理是通过筛管+盲板+封隔器+分级箍+套管的管串结构进行筛管顶部封隔固井，不同之处在于李国峰、杨旭等将封隔器与分级箍集成在一起，具有封隔、分级固井、免钻功能。该技术仅能解决储层上部的封固问题，无法解决储层局部失稳层段的封堵，未对封隔器在井径扩大环境的适用性、可靠性和冲蚀对分级箍关闭影响进行研究分析。且上述技术的缺陷在于封隔器需安放在重叠段，在裸眼段封隔效果差，特别是对于井径扩大率普遍较大的区块，封隔器无法封隔会造成上部疏松层段无法封堵、下部层段充满水泥填埋筛管。此外，分级箍封隔器集成的一体式结构压力系统复杂，易发生封隔器胀封失效，分级箍关孔不严等问题。为此，针对巴彦区块存在的完井防砂问题，进行了相关技术难点分析，设计了筛管+筛管外封隔器先期防砂与分级箍+大膨胀比封隔器进行筛管顶部封隔的固完井一体化管柱，优化改进了封隔器、分级箍等固井关键工具、优选了等离子割缝筛管，并成功应用，取得了很好的完井防砂效果。

1 固完井技术难点

（1）LH 区块储层垂深3 350 m，胶结相对疏松，储层不连续，层间夹杂局部膏岩和泥岩，后期出砂易引起垮塌填埋管柱，完井防砂的同时需要对风险层段进行先期封堵。

（2） 储层上部裸眼井段井壁失稳较严重，坍塌系数1.2 左右，需要进行筛管顶部注水泥浆封固，但封堵层段最大井径扩大率15% 左右，需要高膨胀比封隔器且封隔压力需达到35 MPa 才能满足生产施工要求，封隔器失效将导致储层筛管填埋、上部层位无法封固。根据行业标准，常规封隔工具井径扩大率10% 左右时，封隔压力仅有20 MPa 左右，继续膨胀胶筒易破裂。分级箍循环孔应具有很好的抗冲蚀性能，保障关孔后密封可靠。

（3） 储层砂粒粒径中值0.15～0.2 mm 左右，原油沥青质含量高，存在次生二氧化碳，地层水总矿化度83.3 g/L， Cl?含量51 g/L，易造成筛管结垢、堵塞、腐蚀，且局部膏岩对筛管抗挤压强度要求高。

2 先期防砂与筛管顶部固井一体化管柱设计

针对固井与防砂技术难题，首先考虑储层段采用具备高强度、高擋砂精度、抗腐蚀的高性能筛管进行防砂，并利用筛管外封隔器+套管对疏松易垮塌风险层段进行先期封堵。同时采用密封可靠的封隔器+分级箍实现筛管顶部封隔固井，解决上部疏松层段及重叠段封固问题，整体实现先期防砂与固完井一体化施工，解决区块存在的固完井难题。

固完井管柱如图1 所示。管柱整体采用下部防砂+上部筛管顶部固井设计，其中下部防砂管柱采用筛管防砂，筛管外封隔器与套管组合封堵膏岩、泥岩夹层。上部筛管顶部固井管柱采用分级箍、封隔器、套管组成固井管柱，利用盲板将固井管柱与防砂管柱隔开，同时利用盲板进行憋压胀封封隔器、开启分级箍。

3 关键工具

筛管顶部封隔固井工具主要包括封隔器和分级箍，包括前文提到分级箍和封隔器分体结构，以及分级箍和封隔器组合在一起的免钻式筛管顶部固井工具，两种结构的封隔器均采用水力膨胀结构，其胶筒结构单一，封隔压差35 MPa 左右，但在井眼扩大率10% 左右时封隔压力还不足20 MPa，而研究区块封堵层段最大井径扩大率15% 左右，为防止固井后水泥浆窜流至筛管段以及防止地层油气上返影响固井质量，封隔压力需要达到35 MPa。因此，在井径扩大率较大时，为了满足封隔效果，需要胶筒具有更大的膨胀率和承压能力。此外，免钻式筛管顶部固井工具，虽不用钻除内部附件，但需要打捞或将附件通过憋压方式运移至井底，施工过程复杂、风险高，且筛管段无法憋压运移，采用钻除式分级箍更为可靠。另外，筛管顶部固井分级箍开启后，循环孔及密封面会发生局部冲蚀，影响后期密封效果。为此，优化采用了分级箍+封隔器组合的分体式筛管顶部固井工具，并进行了局部优化改进。

3.1 分级箍

分级箍开启方式主要有机械式和压差式。巴彦区块筛管顶部固井工具主要应用在水平段或井斜较大的井段，因此选用了压差式结构（如图2 所示），技术参数见表1。分级箍在管串到位后需要立即开启，并循环至满足固井要求。常规分级箍为了使密封件通过循环孔时不发生剪切破坏，本体与关闭套之间在循环孔位置进行了局部凹槽处理，使得关闭套与本体循环孔处形成一定空腔，大排量循环时该处存在涡流效应，一方面加剧冲蚀，使本体内表面密封面磨损，失去密封作用；另一方面高速流体使得冲蚀向两侧拓展，使密封圈脱离密封槽，导致关闭套动作困难、密封圈剪切失效，最终造成关闭密封不严或关闭失效，后期补救困难。碳化钨喷涂技术可提高材料的耐冲蚀性能［6］，为此，对关闭套、本体循环孔及密封面采用了碳化钨喷涂处理，但喷涂后表面较糙度，需进行抛光处理，同时关闭套与本体循环孔之间采用微间隙配合，本体循环孔进行圆角倒钝，避免密封圈通过时发生剪切，避免空腔引起的涡流冲蚀影响。

对表面喷涂WC 的样件和原始材料样件进行冲蚀实验对比，在150 ℃、0.3% 刚玉砂（74 μm） 水溶液中，以17.5 m/s 的速度进行冲蚀，按实际工况需求累计冲蚀3 h 并记录质量损失量。从图3 可看出，原始样件冲蚀3 h 累计减重311 mg，减重趋势递增明显。而经碳化钨涂层处理的样件冲蚀3 h 减重仅26 mg，累计质量损失为原始样件的8% 左右，且冲蚀减重趋势平缓，证明碳化钨喷涂处理后的材料抗冲蚀效果可提高10 倍以上。

3.2 高扩张比固井封隔器

常规筛管顶部封隔固井封隔器或地层封隔式免钻筛管顶部固井工具封隔胶筒均采用扩张式结构，密封胶筒为单层橡胶结构。高扩张比固井封隔器胶筒采用了三层结构，包括内胶筒、保护套、外胶筒，保护套采用了更加可靠的钢带结构（图4）。

扩径井段封隔器提高密封性关键在于封隔器胶筒在大膨胀比环境下不被胀破，纯橡胶胶筒无法满足要求。目前提高胶筒强度的方法主要有在胶筒中添加特殊材质，如尼龙、碳纤维等［7］，但在井径扩大率达到15% 的环境下进行大膨胀比扩张时仍容易被破坏； 或采用金属钢带结构对胶筒进行保护［8］，但钢带结构布局不合理也容易导致封隔器损坏。为此，考虑通过改进保护套金属钢带骨架结构方式，提高封隔器在扩径井段的可靠性和封隔能力。如图5 所示，建立了直列割缝式、螺旋割缝式、叠加交错式等3 种钢带骨架结构模型［9］，并利用有限元分析方法，分析3 种结构在20 MPa 内压作用下的变形情况。可以看出，直列式结构钢带鼓胀后变形较大，两列钢带间变形间距最大，螺旋式次之，叠加交错式结构缝隙很小。钢带缝隙对胶筒密封性能有着至关重要的影响，钢带变形后胶筒不能完全保护于钢带内，鼓胀压力通过缝隙作用于胶筒上，将导致胶筒挤压破裂，缝隙越大对胶筒的保护效果越弱。而叠加交错钢带缝隙很小，能最大程度保护胶筒，因此选择叠加交错式结构。根据井径扩大率不同，高扩张比封隔器需要13～20 MPa 的压力进行胀封，叠加交错式结构可以有效保护内胶筒不破裂，同时支撑外胶筒不收缩。经过室内测试，改进后的封隔器在扩径率15% 条件下，憋压20 MPa，稳压15min，压降小于0.5 MPa ，封隔器胶筒不发生破坏，封隔能力达到35 MPa 以上（技术参数见表2）。

3.3 防砂筛管

巴彦区块目的层膏岩相对发育、沥青质含量高、次生二氧化碳等腐蚀介质，筛管必须具备强度高、耐冲蚀、抗堵塞、耐腐蚀能力和便于后期作业。如表3 所示，王地举等［10］、夏宏南等［11］、施进等［12］学者从多方面对各种种筛管技术特点进行了分析，综合各方面性能，等离子割缝筛管的性能要优于其他筛管且与研究区块需求较为适应，因此优选等离子缝筛管作为研究区块防砂完井筛管。

筛缝结构对筛管挡砂效果和过流效果起着至关重要的作用。张建乔等［13］为提高筛缝防砂效果和过流效果，在对现有防砂工艺评述的基础上，研究开发出一种新型复合缝腔割缝防砂筛管。该防砂筛管采用双梯形复合缝腔及过渡圆弧设计，无尖锐棱角，缝腔容积逐渐增大，使油流通道为逐渐加宽的缝腔，具有流阻小、防砂效果好、强度高、可自洁等特点。

研究区块砂粒粒径中值0.2 mm 左右，原油高含沥青质，抗冲蚀、防腐要求高，局部膏盐挤压强度高，按上覆岩层压力当量密度2.3 g/cm3、垂深3 350m 计算，抗挤载荷为75.59 MPa。采用防腐性能较好的壁厚10.54 mm 钢级TP140V 钢级套管，抗外挤强度可以达到120 MPa。在割缝后，套管的抗外挤强度降为原来的80%，即96 MPa，抗挤安全系数1.27，满足套管设计要求。缝形选择双梯形复合缝，提高防砂、导流综合性能。优化后筛管参数见表4。

4 现场试验

针对巴彦区块完井防砂难点，研究形成了水平井先期防砂固完井一体化工艺技术及配套关键工具，并在LH 区块进行了3 口井的现场应用，对施工工艺、完井管串、关键工具性能进行了有效验证，各阶段施工顺利完成，工具性能指标满足现场施工要求，生产期间未发现明显出砂情况，防砂效果显著。

以LH1 平1 井为例。该井井深4 305 m，水平段长400 m，储层位于古近系临河组，以砂岩为主，在水平段末端和中下段存在局部膏泥岩，储层胶结较疏松，坍塌系数1.25，井径扩大率15% 左右，开发后期由于地层压力降低、油层出水后储层出砂可能性加大，结合邻井防砂问题，储层需采用4 套筛管外封隔器封隔局部膏泥岩，并结合高强度、高精度、防腐等离子割缝筛管防砂，储层以上500 m 采用高扩张比封隔器加分级箍进行筛管顶部易垮塌层位封固。施工工艺流程如下。

（1） 井眼准备，根据下管串需求进行通井、电测、循环洗井等，确保井眼畅通；

（2） 根据电测结果准备工具并配管柱，其中储层中存在的出砂量大、易垮塌层段使用管外封隔器配合套管将其封堵，2 段泥岩分别长12 m 和25 m，共使用4 组TWF-YS 压缩式封隔器，封堵管串长度大于封堵的层段15 m 以上，提高封堵可靠性；

（3） 按照管串设计，下入如图6 所示的先期防砂固完井一体化管柱；

（4） 管串内憋压胀封筛管顶部固井封隔器，待封隔器胀封结束后，继续憋压打开分级箍，建立固井循环通道，循环1.5 h 至水泥浆性能满足固井施工要求后开始固井；

（5） 替浆结束后，固井胶塞碰压至24 MPa 关闭分级箍，固井结束；

（6） 候凝48 h，管内试压合格后钻除固井水泥塞、固井胶塞、盲板等附件，通井至洗井阀处，保障洗井管串顺利入井；

（7） 下洗井管串，循环洗井至进出口液体性能一致；

（8） 下胀封管串至合适位置，胀封筛管外TWF-YS压缩式封隔器。管串组合为引鞋+油管+K344 封隔器1+进液阀+油管+K344 封隔器2+油管串+泄流阀+油管串至井口。使TWF-YS 压缩式封隔器位于胀封管串的两个K344 封隔器之间，通过井口憋压胀封K344 封隔器1 和2，继续憋压开启进液阀，压力传递至TWF-YS 压缩式封隔器后完成胀封。完成第1 个TWF-YS 封隔器胀封后，泄压上提管柱，进行下一个封隔器胀封；

（9） 起出胀封管串，施工结束。

筛管顶部固井封隔器胀封压力15 MPa，压差式分级箍开启压力20 MPa，固井过程无异常，分级箍关闭后试压35 MPa 合格，高扩张比封隔器封隔效果可靠，筛管段未发现水泥浆。后续固井工具附件钻除正常， 筛管外封隔器成功胀封。截至2023 年8 月，该井已生产14 个月，累计产油1.6 万t，平均日产油40 t 左右，产量稳定，未发现明显出砂，表明筛管过流和防砂效果好。

5 结论

（1） 先期防砂与筛管顶部固井一体化技术可有效解决储层出砂严重，井壁稳定性差难封堵，井径扩大率大、顶部封隔固井难度大，次生二氧化碳腐蚀介质，局部膏岩对筛管挤压强度高等固井防砂难题，在完成筛管顶部封隔固井的同時，实现了储层段风险层段先期封堵防砂。

（2） 采用叠加交错式钢带结构可提高封隔器在扩径井段的封堵效果，有效保护封隔器胶筒；对分级箍循环孔进行抗冲蚀性能改进，可有效避免分级箍循环孔冲蚀、砂卡造成的分级箍固井后关闭不严的风险。

（3） 筛管优选应结合区块地质特点，并充分考虑筛缝缝形结构对挡砂精度、抗冲蚀性、原油流动性影响以及管材防腐、结构强度等因素。

（4） 筛管外封隔器采用压缩式封隔器，后期需要专用管柱进行胀封，施工过程较为复杂，卡层难度大。建议后期研发具有膨胀时间可控、封隔能力可靠的自主激发膨胀功能的封隔器，在酸洗后进行自主膨胀，提高施工效率。