深層氣井壓裂后防砂工藝技術應用研究

葛玉波

（中國石油大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113）

某油田深層天然氣探明儲量豐富，但巖性及構造復雜，儲層低孔、低滲，非均質性強，單井產能低，多需大砂量大排量壓裂后才能投產，大規模壓裂也帶來了氣井出砂問題，給氣田生產帶來嚴重的安全隱患，從現場砂樣分析主要為壓裂砂，可通過井下防砂工藝來解決。徐深氣田深層氣壓裂主要兩種工藝，直井采用壓裂完井一體化工藝，水平井多采用壓裂后更換管柱工藝，兩種工藝對防砂管柱要求不同，需分別考慮。本文從直井和水平井防砂工藝兩方面進行闡述。

1 深層氣直井壓裂后防砂工藝

目前，深層氣直井主要采用壓裂完井一體化工藝，即壓裂后直接投產，該工藝施工簡單高效，可顯著節約成本，同時避免更換管柱導致的儲層二次污染。管柱結構主要由3-1/2″（或2-7/8″）氣密封防腐油管、直井壓裂完井一體化封隔器、多層壓裂封隔器、壓裂滑套及球座等組成。受工藝管柱限制，防砂工具無法下至產層部位（壓裂完井一體化封隔器以下部位）；同時，上部壓裂油管不更換，直接作為生產油管使用，防砂工具必須坐掛在油管內部適當位置，受上述條件限制，直井必須采用油管內防砂工藝。

圖1 直井壓裂完井一體化管柱示意圖

1.1 防砂工藝管柱優選

根據上述分析，在壓裂完井一體化工藝管柱基礎上進行防砂必須采用油管內防砂方式，且受限于壓裂工具的內徑，防砂工具只能下至壓裂完井一體化封隔器以上部位。目前防砂工藝管柱主要包括防砂篩管和篩管懸掛定位工具兩大部分組成，進一步分析篩管懸掛定位工具也可以分為兩種，一種是油管任意位置懸掛裝置，一種是工作筒定位懸掛方式，兩種懸掛方式對比表如下所示：

表1 直井油管內防砂篩管兩種懸掛方式對比表

通過表1 對比可知，預置工作筒定位懸掛方式具有簡單高效的特點，可作為防砂工藝的首選，如果因管柱出現變形等原有導致該方式不適應，還可以啟用油管任意位置懸掛，因此，把預置工作筒式定位懸掛工藝重點攻關研究。

1.2 核心防砂工具研究

預置工作筒式定位懸掛工藝主要包括工作筒和機械式定位密封工具。定位密封工具上有兩片鎖鍵，可以與工作筒內部配合，利用配套的的投撈工具下入和回收，整體工具指標可耐溫150℃、承壓50MPa。

工作筒作為完井工具使用，需要長期在含CO2氣體介質條件下工作，首先需要具備防腐功能；另外，該工具需要和壓裂管柱一起下入，在壓裂過程中需要承受大規模壓裂砂的沖蝕，為了保證后期工具的定位，內部結構需與鎖芯定位工具配套，耐沖蝕能力也是考慮的重點。

為了確保工作筒和機械式定位密封工具的配合，在定位結構設計方面，采用了止過式結構，定位密封工具下部外徑大于工作筒的最小內徑，定位密封工具無法通過工作筒，提高了定位可靠性，防止工具脫落至井底。

為了確保工具沖蝕后仍然可以可靠定位，通過數值模擬方法和物理模擬試驗方法進行沖蝕對比分析。

常規壓裂工藝管柱在加砂規模超過80m3以上時會出現比較嚴重的磨蝕問題。通過數值模擬和室內實驗，分析壓裂施工參數對管柱沖蝕及沖蝕后腐蝕的影響因素，掌握了壓裂規模對材質沖蝕的規律，建立了沖蝕速率計算模型。

圖2 工作筒和機械式定位密封工具配合示意圖

式中，E 為材料的沖蝕速率，mm/h；ER90為90°時材料的沖蝕速率隨流速變化關系，K、n 值與材料特性（主要是硬度）、液體特性以及顆粒特性有關，由實驗確定；f(θ)和f(λ)分別為液體沖擊角度和砂含量函數，由實驗數據無量綱化后擬合得出。

分析結果表明，在目前壓裂施工條件下，單層加砂80m3時，定位處內徑磨損量為0.1mm 左右，滿足使用要求。

圖3 工作筒沖蝕模擬分析圖

2 深層氣水平井壓裂后防砂工藝

某油田深層氣水平井由于需要多段大排量施工，壓裂完井一體化工藝僅適用于13 段以下施工。因此，目前水平井主要還是以壓裂后更換管柱工藝為主。為避免更換管柱造成儲層傷害，要求采用帶壓作業方式下入防砂完井管柱，其工具串由套管內防砂懸掛封隔器攜帶防砂篩管等組成。

圖4 裸眼水平井井深結構及套管內防砂完井管柱示意圖

2.1 防砂工藝管柱

由于需要帶壓作業下入防砂管柱，因此，整體管柱需要密閉，封隔器施加液壓后坐封完成后再恢復生產通道；同時，為保證后期生產過程中測試、下入排水工具等需要，工藝管柱需要具備可取功能。基于上述要求，形成了可同時上述滿足施工要求工藝管柱（從下到上）：引鞋+油管短接+防砂篩管+破裂盤+坐封球座+防砂懸掛封隔器+油管至井口。

2.2 核心防砂工具

該工藝管柱的核心工具是防砂懸掛封隔器，作為完井工具，需要具備防腐功能，要求長期在高溫高壓下可靠密封；同時，要具備防砂功能，確保后期可以有效取出，基于上述要求，形成了可取式防砂懸掛封隔器，可耐溫150℃、承壓70MPa。

2.2.1 結構設計

工藝原理：管柱下入到位后，地面加壓開啟破裂盤，投入可溶球至坐封球座內，進一步提高施工壓力坐封防砂懸掛封隔器，驗封合格后即可開井生產，配套可溶球壓裂球自動溶解，不需要返排。

技術特點：封隔器采用膠筒在下端，卡瓦錨定機構在上端的設計方式，可有效阻止砂卡；采用可溶球保證產能全部發揮；具備后期更換管柱功能。

性能指標：耐溫150℃、承壓70MPa、具備防砂功能。

2.2.2 卡瓦結構優化

圖5 防砂懸掛封隔器示意圖

借助力學數值模擬軟件，對封隔器整體和關鍵錨定部位進行模擬分析，優化錨定機構布局，確保壓裂過程中錨定可靠。

（1）有限元網格劃分。運用三維CAD 軟件建立封隔器卡瓦、上下錐體、套管模型，如圖6 所示，應用ANSYS 軟件調入三維實體結構模型，網格單元采用三維實體結構單元SOLID185。其中，中心管采用六面體網格進行劃分，錐體和卡瓦采用四面體網格進行劃分，其有限元網格模型如圖7 所示。

圖6 封隔器卡瓦三維圖

圖7 封隔器卡瓦與上下錐體、套管網格劃分圖

（2）邊界條件及參數設置。根據封隔器卡瓦實際工況，設置有限元模型的邊界條件：

①封隔器卡瓦在錨定過程中，將卡瓦頂端固定，對卡瓦頂端施加位移約束；錐體擠壓卡瓦的同時并擠壓中心管，中心管固定不動，對中心管施加位移約束。

②卡瓦錨定過程，錐體施加在卡瓦上的載荷。

（3）模擬分析結果。結合室內試驗結果，模擬坐封載荷在10t 條件下，封隔器卡瓦與套管接觸應力狀態。

3 現場應用情況

截至目前，深層氣井壓裂后防砂工藝已現場應用7 口井，其中直井均采用的是油管內防砂工藝，現場應用5 口井，水平井采用套管內防砂封隔器懸掛防砂篩管工藝，現場應用2口井，成功率100%，效果最長已經生產3年。其中徐深A 井為1 口水平井，最高溫度150℃、地層壓力40MPa，實施了大規模壓裂，單層加砂量最大達到了90m3，壓裂試氣過程中發現出砂，下入了套管內防砂管柱實現了有效防砂，取得了良好效果。

圖8 卡瓦有限元分析模型及應力云圖

4 結語

（1）深層氣直井采用鋼絲作業下入油管內防砂工藝大幅度提升了氣井防砂工藝水平，由于工藝簡單、投資成本低，今后可廣泛應用于氣井出砂隱患井。

（2）機械式可取防砂封隔器的研制，可實現水平井有效防砂，滿足帶壓作業施工要求，為壓裂后出砂氣井安全生產提供了技術手段。