海上油田固井防砂一體化技術

魏愛拴 陳勝宏 許杰 左凱 郝宙正 王明杰

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司；2.中海油有限公司天津分公司

海上油田固井防砂一體化技術

魏愛拴1陳勝宏1許杰2左凱1郝宙正1王明杰1

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司；2.中海油有限公司天津分公司

為了解決老井開窗后固井與防砂問題。根據海上油田層系復雜、出砂嚴重、作業(yè)日費高等特點，研究了一種適用于海上油田的新型固井防砂一體化工藝技術，該技術一趟鉆將防砂管柱與固井管柱下入井內，然后通過在不同位置的操作，可實現(xiàn)上部問題井段的固井作業(yè)和下部油層段的防砂作業(yè)，作業(yè)過程中可控制防砂段的靜液柱壓力，防止地層坍塌，作業(yè)結束后無需鉆塞，避免了水泥對儲層的污染，完井后管柱通徑較大，利于后期開采或修井作業(yè)。該技術解決了長期困擾海上油田老井改造的技術難題，同時該技術在降低完井成本和后期作業(yè)難度等方面起到了積極作用。

固井；防砂；一體化；老井側鉆；海上油田

海上油田部分在生產油田年遞減率達到8%～10%，并存在生產井控制儲層面積有限的問題。如何既能進一步挖潛剩余油，提高油田的產能，又能降低開發(fā)成本是渤海油田開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)。隨著渤海油田石油勘探開發(fā)的不斷深入，老井的改造與重修勢在必行。根據海上油田井網不規(guī)則、層系復雜、出砂嚴重、作業(yè)日費高等特點，研究了適合海上油田低效井治理的固井防砂一體化技術，該技術可實現(xiàn)一趟鉆將防砂管柱與固井管柱送入井內，通過在不同位置的操作，實現(xiàn)上部問題井段的封固和油層的防砂，作業(yè)結束后無需鉆塞，避免了水泥對地層的污染，完井后管柱保留了較大通徑，利于后期的開采和修井作業(yè)。

1 固井防砂技術現(xiàn)狀

Status of cementing and sand control technologies

目前常用固井防砂一體化工藝有2種：一種是不鉆塞篩管頂部注水泥防砂完井工藝（見圖1）。該工藝是在裸眼內下入篩管，不固井，對油層以上井段采用內管法通過分接箍實施注水泥固井，封固裸眼段復雜層位。另一種是需要鉆塞的篩管頂部注水泥防砂完井工藝，防砂篩管與生產套管一體下入，下部連接篩管，上部連接套管，套管與篩管之間需要下入固井分接箍，分接箍與防砂篩管間用管外封隔器封隔固井段與防砂段。篩管與套管下入到設計深度后，套管內投固井刮塞，通過分接箍進行固井作業(yè)，固井候凝結束需要進行鉆塞作業(yè)。上述兩項技術只能進行獨立篩管防砂，不能進行礫石充填防砂，且作業(yè)時間較長，不適用于海上油井。

圖1 固井防砂管柱Fig. 1 Cementing and sand control string

2 固井防砂一體化工藝原理

Principle of integrated cementing and sand control technology

固井防砂一體化技術是結合分級固井技術與裸眼井礫石充填技術基礎上研究的一種新型完井工藝技術。固井防砂一體化工藝技術管柱主要由外層管柱與內層管柱組成，外層管柱結構如圖2所示，主要由頂部封隔器、循環(huán)滑套總成、固井滑套總成、管外封隔器、充填滑套總成、篩管、裸眼循環(huán)閥總成等組成。內層管柱主要由封隔器坐封工具、脫手工具、沖管、轉換工具、滑套開關工具、插入管等組成。內外層管柱在井口連接好，一起下入到設計深度后，首先完成頂部封隔器的坐封驗封，然后再坐封管外封隔器。管外封隔器坐封完成后再進行礫石充填作業(yè)，礫石充填作業(yè)時防砂車組開始從油管泵注砂漿進行充填，砂漿通過充填轉換工具的充填孔、再經過充填滑套流向篩管與裸眼環(huán)空，砂漿根據水平井充填α波與β波的規(guī)律完成防砂段的礫石充填作業(yè)。充填結束后上提管柱到反循環(huán)沖砂位置，反循環(huán)沖洗鉆桿內的多余礫石。反循環(huán)沖砂結束后，上提管柱到注水泥位置，進行注水泥作業(yè)，注水泥時水泥由固井滑套進去裸眼段鉆井液從上部循環(huán)滑套返出，建立注水泥通道。注水泥結束后上提管柱到洗水泥位置，清洗鉆桿內的殘余水泥。內管柱在上提過程中，內管柱上的滑套關閉工具會關閉充填滑套、循環(huán)滑套、固井滑套，保證外管柱的密封性。

圖2 固井防砂一體化工藝管柱Fig. 2 Integrated cementing and sand control string

3 管柱井眼通過性分析

Analysis on the running capacity of string through the borehole

以 ?215.9mm裸眼井固砂一體化管柱為模擬基礎，采用LANDMARK進行模擬計算。完井液密度1.03 g/cm3，鉤載 250 kN，套管內摩擦因數(shù) 0.1～0.3，裸眼段摩擦因數(shù)0.2～0.3，管柱組合如圖2。管柱受力分析結果表明管柱在下入過程中沒有出現(xiàn)螺旋彎曲和正弦彎曲，可順利下入到設計井段。

4 關鍵工具的設計

Design of key tools

頂部封隔器采用專用坐封工具與脫手工具通過液壓壓力完成坐封。頂部封隔器采用雙向可承載的卡瓦結構，膠筒采用壓縮式膠筒結構，提高了封隔器的密封可靠性與承載能力。

中心管的抗滑扣計算，與油管的抗滑扣計算相同。計算公式為

平式油管

加厚油管

式中，P為絲扣的抗滑扣載荷，N；D為油管外徑，mm；d為油管內徑，mm；t為牙高，mm；σs為材料的屈服強度，MPa。

中心管設計兩處螺紋，分別與釋放接頭和解封環(huán)聯(lián)接，螺紋為 168.275 mm–8–Stub Acme特種矮牙梯形螺紋（牙高t=0.375p，p為螺距）；中心管材料為40CrMnMo，調質后屈服強度不低于780 MPa，D=168.275 mm，t=0.375p=0.375×25.4/8=1.19 mm；d=152.4 mm 。

由公式（1）計算可得中心管的最大軸向拉伸載荷2 620 kN。

5 實例應用

Case application

固井防砂一體化技術于2016年10月在渤海進行了現(xiàn)場應用。固井防砂一體化工藝作業(yè)程序為：將固井防砂一體化管柱用鉆桿送入到目標井段，用鹽水正循環(huán)頂替裸眼段鉆井液，將裸眼段鉆井液頂替到頂部封隔器以上100 m，投球坐封頂部封隔器，然后脫手服務工具上提0.8 m驗封頂部封隔器，同時坐封管外封隔器。確認反循環(huán)位置和充填位置，在反循環(huán)位置做反循環(huán)測試，在充填位置做正循環(huán)測試，然后進行充填作業(yè)。充填作業(yè)結束后反循環(huán)清洗鉆桿內多余的礫石，上提管柱確認注水泥位置與洗水泥位置，然后進行注水泥作業(yè)，注水泥結束后，上提到洗水泥位置清洗鉆桿內多余的水泥。

5.1 反循環(huán)測試

Reverse circulation testing

從充填位置上提管柱到反循環(huán)位置，在此位置導通反循環(huán)流程，關閉萬能防噴器，進行反循環(huán)測試，測試結果見表1。

表1 反循環(huán)測試結果Table 1 Reverse circulation testing result

5.2 充填位置正循環(huán)測試

Normal circulation testing of packing location

從下入位置上提管柱1.3 m，然后下放管柱，下壓150 kN，標記為充填位置，做關防噴器正循環(huán)測試，正循環(huán)測試見表2。

5.3 充填作業(yè)

Packing operation

正循環(huán)測試結束后，開始加砂進行充填作業(yè)。礫石充填排量1 m3/min，壓力3.5 MPa，脫砂壓力13.5 MPa。防砂充填曲線見圖3。

表2 正循環(huán)測試結果Table 2 Results of positive cycle test

圖3 防砂充填施工曲線Fig. 3 Construction curve of packing for sand control

5.4 注水泥作業(yè)

Cementing operation

將管柱定位在注水泥位置，下壓管柱150 kN，進行注水泥作業(yè)，排量0.56 m3/min時泵壓4.8 MPa，排量0.755 m3/min時泵壓5.5 MPa，排量1.129 m3/min時泵壓6.5 MPa。

5.5 洗水泥作業(yè)

Cement washing operation

注水泥結束后，投鉆桿膠塞，以2 m3/min排量快速頂替16 m3后降低頂替排量，頂替到19 m3時出現(xiàn)碰壓顯示，碰壓5 MPa后，帶壓上提管柱1.5 m，然后打壓到9 MPa打通洗水泥通道，進行洗水泥作業(yè)。洗水泥排量1.48 m3/min時泵壓5.3 MPa，排量2.02 m3/min時泵壓7 MPa。

6 結論

Conclusions

（1）固井防砂一體化技術通過一趟鉆完成固井作業(yè)和礫石充填防砂作業(yè)，提高了作業(yè)效率，實現(xiàn)了降本增效。

（2）固井防砂一體化技術完井后管柱大通徑，有利于后期的油田開采和修井作業(yè)。

（3）固井防砂一體化技術在低效井治理方面起到了關鍵作用，為今后同類油田開采提供了經驗。

［1］杜丙國. 水平井裸眼分段擠壓充填防砂完井工藝［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：47-50.DU Bingguo. Sand control completion technology by staged squeeze packing in openhole horizontal wells［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2015, 3（72）∶ 47-50.

［2］杜長全. 側鉆水平井不固井防砂完井工藝實踐［J］.石化技術，2015，22（3）：187.DU Changquan. The practice of sand control completion not well cementing technology［J］. Petrochemical Industry Technology, 2015, 22（3）∶ 187.

［3］朱駿蒙. 水平井裸眼礫石充填防砂完井工藝在勝利海上油田的應用［J］. 石油鉆采工藝，2010，32（2）：106-108.ZHU Junmeng. Application of horizontal wells openhole gravel pack sand-control completion technology［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32（2）∶ 106-108.

［4］馬代鑫. 高壓礫石充填防砂工藝參數(shù)優(yōu)化設計［J］. 石油鉆采工藝，2007，29（3）：52-55.MA Daixin. Optimization design of the parameters of high-rate gravel-packing sand-preventing technology［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2007, 29（3）∶ 52-55.

［5］彭漢修，田啟忠，李海濤. 側鉆水平井完井技術研究與應用［J］. 石油天然氣學報，2011，33（2）：135-137.PENG Hanxiu, TIAN Qizhong, LI Haitao. Sidetracking horizontal well completion technology research and application［J］. Journal of Oil and Gas, 2011, 33（2）∶135-137.

［6］李曉江，張文飛. 固井施工中注入排量的優(yōu)化設計［J］.石油鉆采工藝，1991，13（5）：37-40.LI Xiaojiang, ZHANGWenfei. For the optimization design of the injection displacement in cementing operation［J］.Oil Drilling & Production Technology, 1991, 1（35）∶ 37-40.

［7］付志勝 . 無膠塞固井［J］. 石油鉆采工藝，1991，13（5）：32.FU Zhisheng. No plastic plug cementing［J］. Oil Drilling& Production Technology, 1991, 13（5）∶ 32.

［8］陸長青. AT21X井177. 8mm尾管固井技術研究［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2011，3（34）：169-172.LU Changqing. AT21X 177. 8 mm liner cementing technology research［J］. Journal of Southwest Petroleum University（Natural Science Edition）, 2011, 33（4）∶ 169-172.

［9］馬林虎. 尾管固井的幾點經驗［J］. 石油鉆采工藝，1990，12（1）：37-40.MA Linhu. The experience of tailpipe cementing［J］.Oil Drilling & Production Technology, 1990, 1（21）∶ 37-40.

［10］蔣海濤，王益山，韓振強，劉永峰. 小井眼開窗側鉆井固井工藝技術［J］. 石油鉆采工藝，2003，25（2）：29-31.JIANG Haitao, WANG Yishan, HAN Zhenqiang,LIU Yongfeng . Cementing technology for window milled and sidetracked slim hole［J］. Oil Drilling &Production Technology, 2003, 25（2）∶ 29-31.

［11］陳宇，鄧金根，何寶生，周建良，朱春明，齊鑫.礫石充填井工業(yè)礫石尺寸優(yōu)選［J］.石油鉆探技術，2011，39（3）：92-95.CHEN Yu, DENG Jingen, HE Baosheng, ZHOU Jianliang, ZHU Chunming, QI Xin. Status and prospect of multi-well pad drilling technology in shale gas［J］.Petroleum Drilling Techniques, 2011, 39 (3)∶ 92-95.

［12］關月，袁照永. 水平井防倒流礫石充填工具的改進與應用［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（6）：117-118.GUANG Yue, YUAN Zhaoyun. Improving and applying of anti-back flow gravel packing tools in horizontal wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（6）∶117-118.

［13］劉傳剛，包陳義，左凱，鞠少棟，董健.礫石充填服務管柱防竄力學分析及解決方案［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：176-180 LIU Chuangang, BAO Chenyi, ZUO Kai, JU Shaodong,DONG Jian. Mechanical analyses on and solutions to anti-channeling for gravel-packing completion string［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2016,38(2)∶ 176-180.

［14］馬明新.水平井分段礫石充填技術及現(xiàn)場應用［J］.石油機械，2014，42(7)：55-59.MA Mingxin. Horizontal segmented gravel pack technology and field application［J］. China Petroleum Machinery, 2014, 42(7)∶ 55-59.

［15］董長銀，張琪. 水平井礫石充填過程實時數(shù)值模擬研究［J］. 石油學報，2004，25（6）：96-100.DONG Changyin, ZHANG Qi. Gravel packing of horizontal process real-time numerical simulation research［J］. Acta Petrolei Sinica, 2004, 25（6）∶ 96-100.

［16］殷鵬，谷亞妮，蔣鴻，樊天朝，任嘉偉，王正源. 封隔尾管懸掛器的研究與應用［J］. 石油地質與工程，2011，25（增刊）：124-125.YIN Peng, GU Ya’ni, JIANG Hong, FAN Tianchao,REN Jiawei, WANG Zhengyuan. The research and application of the packer liner hanger［J］. Journal of Petroleum Geology and Engineering, 2011, 25（S0）∶ 124-125.

（修改稿收到日期 2017-06-27）

〔編輯 薛改珍〕

Integrated cementing and sand control technology in offshore oil fields

WEI Aishuan1, CHEN Shenghong1, XU Jie2, ZUO Kai1, HAO Zhouzheng1, WANG Mingjie1

1. Drilling & Production Company,CNOOC Energy Technology & Services Limited,Tianjin300452,China;
2. CNOOC Tianjin Branch Company,Tianjin300452,China

In order to deal with cementing and sand control in old wells after window cutting, a new type of integrated cementing and sand control technology suitable for offshore oil fields was developed based on the characteristics of offshore oil fields, e.g. complex formation, serious sand production and high daily operation cost. By virtue of this technology, both sand control string and cementing string are run in the hole by one trip. Then, the cementing operation in the upper troubled section and the sand control in the lower oil layer can be realized by carrying out the operation in different locations. During the operation, the hydrostatic column pressure of sand control interval can be controlled to prevent formation collapse. After the operation, plug drilling is not needed, so reservoir contamination is avoided. The string size after the completion is larger, and it is conducive to the late production or workover. This technology solves the technical difficulties that have hindered the stimulation of old wells in offshore oil fields for a long time, and also plays an active role in reducing the completion cost and alleviating the operation difficulty in the late stage.

cementing; sand control; integration; old well sidetracking; offshore oil field

∶

魏愛拴，陳勝宏，許杰，左凱，郝宙正，王明杰.海上油田固井防砂一體化技術［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：570-573.

TE52

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0570 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.007

中國海洋石油總公司項目“完井防砂系列工具研制Ⅲ期”（編號：CNOOC-KJ135KJXMNFGJ2016-01）。

魏愛拴（1983-），2008年畢業(yè)于中北大學機械設計及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事鉆完井工具研發(fā)工作。通訊地址：（300452）天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號中海油能源發(fā)展工程技術分公司201室。E-mail：weiash@cnooc.com.cn

: WEI Aishuan, CHEN Shenghong, XU Jie, ZUO Kai, HAO Zhouzheng, WANG Mingjie. Integrated cementing and sand control technology in offshore oil fields［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 570-573.