φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝研究及應用*

李 強 杜福云 董社霞 高彥才 胡澤根 周 歡徐鳳祥 王 科 陳 彬

(1. 中海油田服務股份有限公司 天津 300459; 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459; 3. 海洋石油高效開發國家重點實驗室 天津 300459)

疏松砂巖地層防砂一直是困擾油氣田開發的一項難題。現常用的防砂技術主要為化學防砂、機械防砂、砂拱防砂等，其中一次多層礫石充填防砂因具有作業效率高、防砂有效期長、保持產能好、后期能夠實現分層選擇性注采等優點，已經成為主要的機械防砂技術[1-5]。國外海上φ177.8 mm套管井內多層防砂技術主要有DTMZ、Stack Pack技術以及Mini-Beta多層充填系統，其中Stack Pack技術需采用多趟管柱下入，大大增加了作業時間和成本；DTMZ技術因壓裂充填時沖管管徑小，當充填層段距離較長時，攜砂液在泵送過程中會產生很大壓降，無法實現壓裂作業[6-7]；而Mini-Beta多層充填系統也無法滿足大排量壓裂充填作業。這3種防砂技術防砂完成后內通徑僅φ82.55 mm，給后期分采分注井帶來較大困難，嚴重制約著油田的整體開發。國內礫石充填研究起步較晚，并且因陸地與海上作業環境和作業習慣等存在諸多差異，陸地油田開發的一系列充填技術尚未在海上推廣實施。為了有效解決φ177.8 mm套管井內既需防砂又需增產的多層防砂要求，以及粒度不均、分選不好等問題，進而滿足一次多層壓裂充填防砂作業[8-11]，在優選沖管和篩管基礎上提出了內通徑φ98.552 mm的大通徑一次多層壓裂工藝，該工藝技術已在渤海地區15口高風險井中成功應用，防砂效果顯著，工藝管柱技術可靠、安全，具有較好的推廣應用價值。

1 大通徑一次多層壓裂工藝研究

1.1 管柱組合形式

基于對常規多層防砂工具串工藝及結構原理研究，確定全新φ177.8 mm多層防砂管柱依然采用內外管柱的經典組合形式，對所有工具及工藝進行重新開發，以滿足一次多層壓裂充填防砂要求。研究確定該管柱分為外管柱和內管柱，外管柱從上至下依次為頂部封隔器總成、充填滑套總成、負荷顯示接箍、盲管和篩管、隔離封隔器、充填滑套總成、負荷顯示接箍、盲管和篩管、……(視層數重復)、插入密封、沉砂封隔器；內管柱自上而下依次為頂部封隔器坐封工具、內外兩層沖管、上部密封、充填工具、負荷顯示器、滑套單開工具、開關工具和底部密封等。大通徑一次多層壓裂內外管柱配合形式如圖1所示。

圖1 大通徑一次多層壓裂內外防砂管柱配合示意圖

1.2 工藝流程

多層防砂工藝是保障各層段防砂效果的基礎，首先下入沉砂封隔器完成坐封后，依靠其可實現后期一次多層防砂管柱精確定位，再下入一次多層壓裂充填防砂管柱坐于沉砂封隔器上；然后通過打壓依次實現頂部封隔器坐封、驗封、丟手，依靠控制服務工具的上提下放確定各作業封隔器后，打開本層段充填滑套完成該層段礫石充填作業位置，再從下至上逐步關閉充填層滑套并坐封隔離封隔器，打開本層段充填滑套完成該層段礫石充填作業。充填時可采用正循環擠壓充填、高速水充填和壓裂充填，實現一趟管柱下入實現多個層段的礫石充填作業且防砂層段間距不受限制，待充填結束后進行反循環作業并進行驗充填滑套作業。大通徑一次多層壓裂作業流程示意圖見圖2。

1.3 沖管優選

國內外防砂管柱現普遍采用φ48.26 mm和φ73.025 mm沖管的組合形式，現場數據表明該組合形式排量最高僅能達到1.27 m3/min，無法滿足壓裂充填作業需求，故需擴大內沖管內徑尺寸。結合防砂后內通徑尺寸φ98.552 mm，故優選φ60.325 mm和φ88.9 mm沖管組合，沖管內通徑分別提高28.6%和25.4%，可彌補現有技術沖砂管尺寸小的弊端，充填主通道流通面積大，基本能夠實現大通徑、大排量、低摩阻的壓裂充填作業。大通徑一次多層壓裂工藝優選的內外沖管技術參數見表1。

圖2 大通徑一次多層壓裂作業流程

表1 大通徑一次多層壓裂礫石充填沖管技術參數

1.4 篩管優選

根據大通徑一次多層壓裂礫石充填作業要求，初步選擇下入φ114.3 mm及φ127.0 mm篩管進行充填作業，二者參數對比見表2。由表2可知采用φ114.3 mm篩管的篩套環空大于19 mm、沖篩比達到0.875，而采用φ127 mm篩管的篩套環空最大僅17.3 mm、沖篩比為0.794。

表2 大通徑一次多層壓裂礫石充填篩管優選

根據中國海油防砂技術標準[12]，篩套環空層徑向厚度應大于19 mm，結合表2結果，φ114.3 mm篩管的篩套環空和沖篩比更大，更能保證充填效果，因此優選采用φ114.3 mm篩管。

2 沿程摩阻及工具強度分析

2.1 沿程摩阻分析

2.1.1正循環充填時摩阻分析

礫石充填過程中，其正循環摩阻直接影響施工排量及后期充填效果。對壓裂充填過程中沿程摩阻進行研究，沿程(鉆桿+沖管)摩阻直接影響防砂層段長度，假設φ88.9 mm鉆桿長度2 000 m，鉆桿內徑70.2 mm，φ60.325 mm沖管長度400 m，沖管內徑50.6 mm，壓裂液密度1 030 kg/m3，壓裂液黏度500 mPa·s，儲層垂深1 500 m，破裂梯度0.018 MPa/m，胍膠濃度3 kg/m3，支撐劑濃度960 kg/m3，正循環排量1.00～3.97 m3/min時沿程摩阻隨沖管長度的變化如圖3所示。

圖3 正循環時沖管長度與管柱沿程摩阻的關系曲線

當地層破裂壓力為26.7 MPa，靜液柱壓力為15 MPa，整套新型礫石充填工藝管柱壓力級別為52 MPa，進而計算出沿程摩阻為40.2 MPa。由圖3可知，在不考慮最下層射孔段、沿程摩阻為40.2 MPa情況下，排量為2.86 m3/min時壓裂充填層段沖管長度達到220 m，排量為3.18 m3/min時壓裂充填層段沖管長度達到110 m，均可滿足現場壓裂充填需求。

2.1.2反循環洗井時摩阻研究

反循環時，φ88.9 mm鉆桿和φ177.8 mm套管的環空空間比較大，沿程摩阻可忽略不計，因此反循環時的沿程摩阻主要發生在φ88.9 mm沖管和φ73.025 mm沖管的環形空間內。對小沖管環空進行沿程摩阻計算，取完井液(海水)的黏度1 mPa·s，密度857.65 kg/m3，管柱粗糙度0.001(經驗值)，φ88.9 mm沖管內徑76 mm，φ60.325 mm沖管外徑60.325 mm，管柱居中度0(即兩層沖管同心)，反循環排量為0.159～1.59 m3/min時管柱沿程摩阻隨沖管長度的關系曲線如圖4所示。

圖4 反循環時沖管長度與管柱沿程摩阻的關系曲線

由圖4可知，在不考慮最下層射孔段的情況下，同時滿足現場反循環時最高排量為1.27 m3/min時，當在套管限壓(即沿程摩阻)20.7 MPa時，沖管長度為150 m,當在套管限壓(即沿程摩阻)34.5 MPa時，沖管長度為250 m，均可達到現場作業的要求。

2.2 工具強度分析

通過對一次多層壓裂充填管柱整體強度的受力分析，確定薄弱環節主要集中在2個方面:1)充填時，由于大量砂漿需高速通過充填轉向工具孔道，易造成沖蝕、磨損等現象，使得充填工具被擊穿，導致充填作業失?。?)防砂管柱所有的外管柱重量都集中于頂部封隔器的卡瓦上，其懸掛力直接影響著多層防砂的數量和重量，故選取以上2個薄弱點進行模擬分析。

2.2.1充填轉向工具沖蝕模擬分析

假設最惡劣情況，即排量為3.18 m3/min，由砂比798 kg/m3可知，入口流速26.99 m/s，壓裂充填轉向工具沖蝕速率和速度結果如圖5所示。

圖5 充填轉向工具沖蝕速率云圖

由圖5可知，沖蝕最嚴重的區域主要集中在外管柱的上延伸筒內壁上，整體流體域最大沖蝕速率為4.55×10-3kg/(m2· s)，平均沖蝕率為7.25×10-5kg/(m2· s)，按照平均充填4層，耗時4 h，過砂量113 t，磨損量約為36 g，上延伸筒厚度為10 mm，充填完厚度損耗約0.062 25 mm，管體強度降低0.002%，安全系數n=3.1(標準要求安全系數大于1.5)，滿足現場作業需求。

2.2.2頂部封隔器卡瓦仿真分析

卡瓦牙是頂封卡瓦的關鍵部分，卡瓦牙齒強度性能的好壞決定卡瓦的工作壽命以及卡瓦卡緊套管的損傷程度。根據設計條件可知危險狀態為封隔器承受最大壓差51.7 MPa，同時受到向上拉力220 kN(其中220 kN為設定最大向上拉力)，下錐體向左施加在卡瓦上的力為1 063 kN，此時卡瓦受力情況如圖6所示。由圖6可知，卡瓦下齒尖邊緣最大應力351 MPa，其屈服強度為850 MPa，故卡瓦本體的安全系數n=2.4，也滿足設計要求。

圖6 卡瓦模型及受力Mises應力云圖

3 現場應用

φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝已在渤海油田15口防砂作業井中取得成功應用。例如，渤海油田A井一開φ215.9 mm井尾管內下φ114.3 mm復合優質篩管壓裂充填防砂(4層)，開窗側鉆鉆進至1 932 m，下φ177.8 mm尾套至1 930.3 m，采用φ114.3 mm篩管擋砂精度120 μm，使用20/40目陶粒充填。該井分四層進行壓裂作業，施工排量2.544～3.18 m3/min，砂比718.8 kg/m3，充填系數最高達734 40 kg/m3，縫長23.6～33.2 m，縫高13.6～33.6 m，縫寬0.65～1.083 cm?，F場作業過程順利，工具性能穩定，施工數據見表3。截至2018年4月，A井累產油8 299.97×104m3，采出程度27.9%，綜合含水81.5%。其中，Ⅰ期累產油4 182.06×104m3，采出程度為35.4%，綜合含水75.0%；Ⅱ期累產油4 117.91×104m3，采出程度為22.9%，綜合含水85.6%，壓裂充填施工成效顯著。

表3 渤海油田A井一次多層壓裂施工數據統計

4 結論

1) 通過內外壓裂管柱組合和壓裂工藝研究，在優選沖管和篩管基礎上提出了φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝。

2) 對壓裂管柱沿程摩阻和管柱強度進行了分析，結果表明所提出的φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝沿程摩阻、沖蝕強度及抗拉強度均可滿足渤海油田疏松砂巖多層壓裂作業要求。

3)φ177.8 mm套管大通徑一次多層壓裂工藝已在渤海油田15口防砂作業井中取得成功應用，具有較好的推廣應用價值。