自主化一趟多層礫石充填防砂技術研究與應用*

張 明 李 凡 劉光澤 王 鵬 趙 靜

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452； 3.中國石油大學(北京) 北京 102249)

自主化一趟多層礫石充填防砂技術研究與應用*

張 明1李 凡1劉光澤2王 鵬2趙 靜3

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452； 3.中國石油大學(北京) 北京 102249)

渤海油田淺層砂巖弱膠結易出砂，應用一趟多層礫石充填防砂技術可有效防砂、提高油井產量，但該技術被國外公司壟斷，并且國外封隔器的錨定機構存在提前座封、套管損傷嚴重等方面的不足；同時充填滑套在作業過程中存在誤打開的風險。為了彌補國外工具的不足，提高海上的作業效率、安全性，同時節約成本，自主研發了φ244.5 mm一趟多層礫石充填工具及其配套工藝，并在綏中36-1油田的9口高難度井中進行了成功應用，取得了良好的經濟效益和社會效益，具有可推廣價值。

渤海油田；自主化一趟多層礫石充填防砂；充填工具；配套工藝；綏中36-1油田

渤海油田井深300～3 000 m淺層砂巖地層多屬于弱膠結地層，地層強度低，生產時很容易出砂。為提高油井生命周期，渤海油田從20世紀80年代末引進一系列防砂、控砂工藝技術，并取得了較好的防砂效果[1]。渤海防砂工藝技術主要包括打孔管防砂、預充填篩管防砂、優質篩管防砂以及礫石充填防砂等[2-4]，其中一趟多層礫石充填防砂工藝技術由于可以有效防砂和極大提高油井產量而被廣泛應用。然而，一趟多層防砂技術一直被國外公司所壟斷，作業成本高、供貨期長，無法滿足渤海油田高速開發與發展的需要[5]。此外,一趟多層防砂技術在使用過程中還存在一定問題，如國外封隔器的錨定機構存在提前座封、套管損傷嚴重等方面的不足；同時充填滑套在作業過程中存在誤打開的風險。為了彌補國外工具的不足，提高海上的作業效率、安全性，同時節約成本，自主研發了φ244.5 mm一趟多層礫石充填工具及其配套工藝，并在渤海SZ36-1M平臺油田開發中取得了成功應用。本文主要闡述自主化一趟多層礫石充填防砂系列工具研發與配套工藝優化技術研究以及在綏中36-1油田的9口高難度井的應用效果，以期為同類油田開發提供借鑒。

1 自主化一趟多層礫石充填防砂技術研究

礫石充填防砂技術是優選一定的縫隙尺寸、割縫篩管下入井內，正對出砂油層，在篩管周圍及近井地帶充填一定粒度(圓球度≥0.6)的礫石，形成一個具有較高滲透性的兩級攔截過濾體系。地層砂粒在充填砂面上被阻留，而礫石本身又被阻隔在篩管周圍，這種體系可阻止地層砂運動[6]，而地層液體或細小的游離砂可以通過滲透性較好的礫石充填層和流通面積較大的篩縫進入油井，使油井既能保證產量又能控制進一步出砂。因此，系列工具研發與配套工藝優化是自主化一趟多層礫石充填防砂技術研究的關鍵。

1.1 系列工具研發

在自主研發防砂工具的過程中，學習國外先進防砂工具設計理念和經驗[7]，結合我國海洋石油工作環境和實際操作中遇到的困難進行了設計改進和試驗研究。

1) 封隔器卡瓦優化。

國外封隔器的錨定機構存在提前座封、套管損傷嚴重等方面的不足，主要面臨2個問題：①攜帶封隔器防砂管柱下入過程中，管柱內液體與封隔器活塞腔連通，一旦封隔器座封工具和封隔器配合下井的過程中出現壓力激動會造成銷釘剪切，活塞向下移動時會出現卡瓦牙張開咬住套管壁，造成管柱遇阻、遇卡[8]；②國外封隔器錨定機構卡瓦牙設計比較粗大，座掛后卡瓦牙嵌入套管內壁較深，對套管產生一定傷害，尤其是在意外座封的情況下，上下活動管柱解卡時對套管產生傷害更大，往往造成油井二次作業中被咬傷的井段無法進行二次封隔[9]。因此，針對上述問題須開發出一種可以防止卡瓦提前座封的雙向錨定機構，并對錨定機構卡瓦牙進行優化設計，使用對套管傷害更小的微牙痕卡瓦結構設計。首先對實現卡瓦微牙痕的重要幾何參數進行分析和研究，然后基于ANSYS有限元分析得到的封隔器卡瓦牙與套管接觸區域的應力情況優化卡瓦的結構尺寸，最終設計了一種雙向錨定機構，并對套管損傷較小的微牙痕卡瓦結構進行了設計(圖1)，并且研制出了防止提前座封頂部封隔器。

同時為防止封隔器卡瓦提前座掛，研發了封隔器配套的座封工具(圖2)。與國外座封工具相比，該工具增加了防提前座封球座，未投球前傳壓孔2被屏蔽機構封住，管柱內液體無法進入活塞腔內，活塞腔內始終無壓力變化，活塞無法移動，因此該工具和封隔器配合下井的過程中不會出現壓力激動造成銷釘剪切、卡瓦提前座封，可以保證作業安全[10]。封隔器下入到預訂位預定置后進行投球，首先打壓剪切球座，球座向下移動，帶動屏蔽機構移動，最終屏蔽機構傳壓孔1與傳壓孔2連通，壓力傳遞至活塞腔，活塞可以移動，座封封隔器。

圖1 卡瓦力學分析及實物圖

圖2 封隔器座封工具

2) 充填滑套優化。

針對現有充填滑套在作業過程中存在誤打開的難題，進行了自主化技術攻關。通過ANSYS軟件分析，得到滑套開關屈服極限為346.2 MPa(圖3)。根據其受力分析及工況要求[11]，成功設計出了充填滑套系列產品。自主研發的充填滑套通過上端加設扶正環，在大井斜下入油管過程中可有效防止油管接箍掛住滑套彈性爪臺階(圖4),成功消除了充填滑套在后續作業中誤打開的風險，提高了彈性爪的工作可靠性。

圖3 滑套屈服受力分析

新式充填滑套上端增加扶正環，可扶正油管，且彈性爪臺階間距小于油管接箍長度，使油管在通過滑套過程可以保持居中。同時,增加O型圈數量，優化滑套外筒內表面與彈性爪外表面，也可增強O型圈密封性能。

圖4 新式充填滑套設計

1.2 配套工藝優化

一趟多層礫石充填防砂管柱主要由頂部封隔器、充填總成、定位接箍及其相應座封工具、充填轉換工具、移位工具、下壓定位工具等服務工具組成。為了降低一趟多層礫石充填作業的風險，須對內外層管柱位置結構及下入工藝進行優化。

1) 保證防砂管柱內部暢通，滿足正反洗壓井需要，保證防砂管柱下入過程中作業安全。

2) 充填服務工具滿足加壓脫手和正轉脫手方式，保證封隔器座封后順利投手。

3) 中心服務管柱設置添加下壓定位機構(液壓鎖定器)，用于定位充填位置，以確保充填位置準確。在充填過程中，給一定的下壓力還可保證充填過程管柱不發生上竄，防止出現砂卡的風險。

2 在綏中36-1油田的應用

綏中36-1油田位于渤海遼東灣海域遼西低凸起中段，構造形態為北東走向的半背斜。該油田主力含油層段為古近系東營組下段，埋深1 300～1 600 m，在2002年達到日產量12 500 m3的高峰。隨后，油田含水率上升，產量下降，至2006年一期綜合含水69%，采油速度僅為0.99%，部分區塊出砂嚴重,因此礫石充填防砂對提高油藏采收率具有不可替代的作用。自主化一趟多層礫石充填防砂技術在綏中36-1油田的9口高難度井中進行了應用，取得了良好效果。以該油田5層礫石充填套管井M4井為例，該井井深2 954 m，垂深1 722 m，底層防砂段長度8.6 m，最大井斜65°；設計下入繞絲篩管，采用20/40目人工陶粒，利用密度1.03 kg/m3的完井液作為攜砂液，進行礫石充填完井。現場循環測試地面泵注排量0.97 m3/min，鉆桿壓力11.9 MPa，套管壓力0.17 MPa；現場擠注測試地面泵注排量0.81 m3/min，鉆桿壓力13.3 MPa，套管壓力10.9 MPa；混砂比59.92 kg/m3，反循環排量0.98 m3/min。充填質量評價結果顯示：該井設計充填砂量765.9 kg，實際充填砂量768.2 kg，充填效率為100%，充填系數88.5 kg/m，盲管埋高3.4 m，各項指標均達到了作業要求(表1)。據估算，使用自主化一趟多層礫石充填防砂工具相比于國外工具可以節約費用20%～30%，防砂效果可以達到國外的專業水平，降本增效作用明顯。

表1 綏中36-1油田M4井作業參數及產量

3 結論

1) 針對封隔器錨定機構存在提前座封的問題，研發了可以防止卡瓦提前座封的雙向錨定機構，并對錨定機構卡瓦牙進行了優化設計，采用了對套管傷害更小的微牙痕卡瓦結構設計，研制出了防止提前座封的頂部封隔器。

2) 針對充填滑套作業中存在誤打開的問題，通過在充填滑套上端加設扶正環消除了充填滑套誤打開風險，并通過增加O型圈數量提高了密封性能。

3) 自主研發的一趟多層礫石充填防砂工具打破了國外技術壟斷，已在綏中36-1油田成功應用，取得了良好的經濟效益和社會效益，具有可推廣意義。

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(編輯：孫豐成)

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

張明，男，工程師，2004年畢業于原大慶石油學院，現主要從事海洋石油鉆完井技術研究及現場作業工作。地址：天津市塘沽區渤海石油路688號海洋石油大廈B座A306(郵編：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”國家科技重大專項“海上稠油油田高效開發示范工程(編號：2011ZX05057)”部分研究成果。

張明,李凡,劉光澤，等.自主化一趟多層礫石充填防砂技術研究與應用[J].中國海上油氣，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.