遼河油田稠油油藏全膨脹篩管防砂技術研究及其應用

趙吉成

中國石油遼河油田分公司 （遼寧 盤錦 124010）

由于稠油油藏原油黏度大,加之中國石油遼河油田分公司部分油藏膠結程度差,油井出砂問題十分普遍。油井出砂不僅影響油井開井時率和單井產量，造成油井作業頻繁，甚至會引發油井套管變形，嚴重制約著油田的正常生產。在防砂方法中，機械防砂因其防砂成本相對較低、施工作業簡單、有效期長而被廣泛采用，是目前解決油氣井出砂的主要方法之一。但目前現場廣泛采用的割縫篩管和繞絲篩管等傳統防砂篩管完井后不能緊貼井壁或套管內壁，沉砂或井壁垮塌容易破壞井筒穩定性，縮短了油井防砂周期，且管柱內徑尺寸小，限制了篩管的過流面積，影響油井產能，也增加了后期施工作業的難度。膨脹篩管防砂技術是一項新型的機械防砂技術，膨脹篩管防砂完井后，篩管緊貼套管內壁或井壁，內徑較大，有利于增加泄油面積，同時可以增加套管抗外壓強度，防止砂粒的運移和沉積，從而達到提高油氣井產能和延長防砂有效期的目的[1]。

1 膨脹篩管技術

膨脹篩管技術是將篩管下入到油氣井防砂層段并懸掛后，采用機械和液壓膨脹工具將篩管脹貼在套管壁（井壁）上，實現防砂功能的一種新型防砂技術[2-5]。

1.1 膨脹篩管結構設計

1）結構組成。膨脹篩管由上接頭、中間防砂段和下接頭組成，上接頭與過度套管或懸掛器下端相連，下接頭與下部盲管連接，中間段與上下接頭之間采用螺紋連接。每個組成部分從內向外依次是割縫基管、防砂濾網和保護套，如圖1所示。篩管膨脹時，基管和保護套徑向膨脹，防砂過濾網沿基管周向滑移，膨脹完成后，過濾網完全覆蓋基管表面，達到防砂的目的。

圖1 膨脹篩管結構組成

2）基管割縫結構優化。割縫基管是篩管的支撐骨架，其膨脹性能取決于基管材料和割縫結構。對比平行縫、交錯縫和螺旋縫結構，從功能和加工角度考慮，選擇了軸向平行交錯布縫方式。采用有限元優化設計，考慮不同割縫結構基管的膨脹力、應力和制造的可行性，優選出縫長為110mm、縫寬為1mm、縫間夾角為30°作為基管的割縫結構?；懿牧蠟?16L時的仿真結果顯示：篩管基管定徑膨脹時最大軸向力49.57 kN；完全膨脹后最大應力出現在割縫的端部，最大應力達到509.37MPa，但沒有達到材料極限強度565MPa，其他部位相對較小。

1.2 大通徑懸掛器的研制

常規懸掛器坐封后，只能承受單向的拉力，且內通徑較小，不能滿足篩管膨脹工藝的要求，為此研制了大通徑懸掛器。該懸掛器由送入工具、密封總成和雙向卡瓦坐封機構等組成，如圖2所示。

圖2 大通徑懸掛器結構組成

將懸掛器下放到預定位置，向中心管內加液壓實現懸掛器的坐封，然后旋轉送入管柱，使送入工具從中心管釋放，即可將送入管柱提出井口。懸掛器坐封后，內通徑為Φ124mm，雙向懸掛力588 kN。并可以實現懸掛器和套管環空的密封，密封壓力30MPa。

1.3 液壓變徑脹錐設計

膨脹篩管膨脹作業過程中，由于井壁（套管內壁）凹凸不平，利用定徑的脹錐不能使篩管完全脹貼在井壁上，因而設計了可變徑的液壓脹錐，該液壓脹錐由基體和滾子等組成，如圖3所示。在液壓力和外力的作用下，滾子在基體表面可以伸縮，滾子伸出前外徑Φ114mm，伸出后外徑Φ141mm，膨脹額定工作壓力24MPa。篩管膨脹時，在基體中心孔施加液壓，使滾子伸出，如遇井眼擴大或縮頸，滾子可自動伸縮，保證膨脹后的篩管貼緊在井壁上。

圖3 液壓變徑脹錐結構組成

2 室內試驗

在Φ177.8mm套管試驗井中進行了試驗，試驗件包括：101.6mm（4"）膨脹篩管3m，膨脹接頭2個，懸掛器1套，變徑脹錐1套及其他配套輔助工具。按照先定徑脹管后變徑的工藝開展試驗。

1）篩管管串下入及懸掛作業。將盲堵、篩管、連接套管、懸掛器和送入工具依次連接并下入到19m的試驗井，投球后采用高壓泵打壓到28.5MPa，憋壓3min，使懸掛器坐封，經30MPa驗封和588 kN提拉驗封成功后，旋轉送入管柱實現丟手。

2）篩管管串下入及脹管作用。依次連接定徑脹錐、扶正器、變徑脹錐和送入工具，下入到預定位置后，施加軸向壓力約53.2 kN，實施定徑脹管，將篩管內徑從Φ88mm膨脹到Φ118mm，然后上提膨脹管管串到預脹位置，采用高壓泵打壓約10MPa，使變徑脹錐滾子伸出，同時施加軸向壓力實施二次脹管，完成了篩管膨脹并將脹管管串順利提出。篩管膨脹過程中，定徑脹管軸向推力和變徑脹管液壓隨篩管軸向長度變化(圖4）。

圖4 定徑脹管軸向推力和變徑脹管壓力隨篩管軸向長度的變化

3）膨脹后的篩管內徑Φ138mm，表面與Φ177.8 mm套管內壁緊密貼合。

4）將篩管提出試驗井，進行了軸向拉力試驗和軸向壓力試驗。篩管膨脹后軸向抗拉421.4 kN，軸向抗壓215.6 kN，拉斷和壓斷位置均為螺紋連接處。

室內試驗表明：膨脹篩管工藝可行，膨脹篩管、懸掛器和變徑脹錐性能參數滿足設計的要求。

3 現場試驗

應用膨脹篩管技術的井需要直井或井斜小于12°/30m的套管內，選擇J8-31-35井進行全膨脹篩管技術試驗。

3.1 試驗井基本情況

錦8斷塊屬興隆臺油層，平均滲透率為1.65μm2，平均孔隙度33.1%，儲集層膠結類型以空隙膠結為主。主力油層分布在5個砂巖組，區塊出砂嚴重，防砂難度大。J8-31-35井防砂層段為1 028.7~1 050.1 m，套管外徑為177.8mm，內徑為159.42mm，套管狀況良好，該井出砂嚴重，撈出大量地層砂，防砂前日產油0.1 t。

3.2 施工管柱及生產情況

試驗井采用Y445懸掛器，下入膨脹管4根共計44m。施工過程中，懸掛器丟手壓力為15MPa，在設計壓力范圍內。膨脹篩管懸掛后下入膨脹管柱，管柱懸重減少6~8 t時管柱下行，開始第一次膨脹，后上提管柱至設計位置；開始打壓至6~7MPa，管柱懸重減少7~8 t時管柱下行，開始第二次膨脹作業。膨脹過程中安全順利，共計5組螺紋。膨脹后篩管內徑為137mm。達到了預期完井效果。

該井完井后下泵正常生產，日產油0.2 t，井口含砂量小于0.03%，生產效果良好。

4 結束語

1）全膨脹篩管防砂技術與傳統的篩管防砂技術相比，完井后篩管緊貼井壁，兩者之間沒有砂環，地層原有滲透率及過流能力不變，對油氣井產量沒有影響。而且篩管過流面積大，地層產出液流程阻力小，可以降低地層砂對篩管的沖蝕，延長篩管的使用壽命。

2）雙向卡瓦懸掛器內通徑大，而且能夠實現雙向懸掛，解封打撈方便，不需鉆銑，避免大修作業，節約修井費用。

3）可變徑液壓膨脹錐在膨脹作業完成后，滾輪在彈簧作用力下可實現回收，避免了卡井等事故發生的可能性。

4）膨脹篩管現場試驗效果較好，但是需要一定的管柱自重才可實現篩管的膨脹，當井段較淺時，不能滿足施工條件，下一步可以改進篩管的膨脹方式或降低篩管所需要的膨脹力，擴大該技術的應用范圍。