超深氣井連續油管多徑組合管柱作業新工藝

龐德新 艾白布·阿不力米提 焦文夫 陳 波 郭新維 王一全 白華明

中國石油新疆油田公司

0 引言

隨著致密油氣、頁巖油氣等的規模勘探開發，“三超井”（儲層溫度超過177 ℃、儲層壓力超過105 MPa、井深超過6 000 m）的數量越來越多，為了保證“三超井”的投產、穩產和增產，需要對井筒及產層進行各類作業措施。近年來，連續油管作業技術在“三超井”測井、修井、增產措施等作業中得到了廣泛應用，并已成為“三超井”作業中的主體技術之一[1-4]，并取得了好的效果。但是“三超井”完井生產管柱的多變徑組合，制約了連續油管的應用，并提出了新的要求[5-9]：①安全載荷受限，連續油管下入垂深6 000 m 以上時安全系數將達到極限，載荷安全閾值極小；②泵注壓力高，小直徑內變徑連續油管能下入預定深度，但沿程摩阻大，地面所需泵壓較高；③末端效應小，由于沿程摩阻大，泵入小排量水動力無法滿足末端執行部件所需的能量；④返屑效率低，與生產管柱之間的間隙較大，返屑能力差。近年來內變徑連續油管的應用使得連續油管的下入深度提高了30%[10]，但同時降低了水動力轉換效率。劉亞明等[11]對連續油管最大下入深度問題進行了探索，但都集中于水平井、斜直井[12-14]；Lubinski 等[15]在不考慮連續油管自重與摩擦力的前提下研究了垂直井中的屈曲問題，并采用能量法獲得了屈曲的臨界載荷；Mitchell 等[16]假設屈曲后螺距隨軸向力的變化而變化，并通過解析法獲得靜力平衡方程的解析解；李子豐等[17]根據幾何非線性動力學分析了管柱的動態過程，并構建了動態力學控制方程；針對連續油管管內流動問題國內外許多學者在理論方面進行了深入的試驗研究[18-19]，張小寧等[20-22]以連續性方程和N-S 控制方程為基礎，將迪恩數和曲率為自變量，考慮曲率和管路的幾何尺寸對連續油管螺旋段牛頓流體流動性及摩阻壓耗的變化規律進行研究。Pandya等[23]通過牛頓流體和非牛頓流體在層流和湍流中的摩擦系數關聯式對連續油管彎曲引起的二次流流動阻力進行了研究，并建立了液體和液固兩相的預測模型。但不同外徑和內徑連續油管作業深度和摩阻方面的分析和現場應用鮮見。

為此，基于連續油管規格不同尺寸、設備模塊化移動靈活、高自動化程度、可帶壓起下的優勢[24-26]，結合“三超井”的地質條件、井筒結構和流體介質變化等實際特點，研發了多徑組合連續油管作業工藝技術，配套研發了多徑連續油管對接裝置，并成功應用于中國石油塔里木油田公司XX11 井。實踐證明，該工藝技術安全可靠、效率高、作業成功率高，配套研制工具可靠性高、耐用性強，為超深井連續油管井筒作業提供了一種新的解決方案。

1 技術思路

根據作業井的地質油氣藏特性、井身結構特點、流動介質性質和作業要求，入井組合連續油管應具備以下基本性能：①機械強度滿足施工條件，能夠下入作業深度，且能夠順利提出；②最大外徑滿足井身結構尺寸，能夠通過最小尺寸、保證順利下入；③抗腐蝕能力滿足施工要求，可實現安全施工作業；④抗內外壓力等級滿足施工要求，避免發生擠毀或爆裂。

綜合考慮上述連續油管基本要求，優選不同外徑組合的連續油管管柱，在同一口井實施全過程作業。底部使用小直徑連續油管，不僅提高連續油管的通過性，且降低管柱自重提高載荷安全系數；上部使用大直徑連續油管、不僅降低泵注沿程摩阻，且提高載荷安全系數，同時提高返屑速度。

2 多徑對接裝置設計

多徑連續油管對接裝置是不同外徑連續油管對接的主要工具，其主體結構如圖1 所示。多徑連續油管對接裝置主體結構主要由上接頭、密封圈、對接螺母、限位螺釘、抗扭卡瓦、插桿和下接頭組成。上下管柱預安裝的插桿和上接頭對插完成后，通過對接螺母進行軸向固定，抗扭卡瓦提供所需反扭矩。

圖1 多徑連續油管對接裝置結構與實物圖

圖2 所示為連接螺母最大變形與等效應力云圖，圖2-a 顯示螺母最大變形處為0.005 8 mm，在材料允許應變量范圍內，圖2-b 顯示螺母最大等效應力為102.51 MPa，遠小于材料的屈服強度。

圖2 對接螺母變形與等效應力云圖

對接裝置螺紋連接部位的抗拉載荷應滿足現場施工要求。對連接部位進行了有限元強度分析，采用材料為42CrMo。

圖3-a 為抗扭卡瓦結構圖，最大變形處為0.004 7 mm（圖3-b），在材料允許應變量范圍內，最大等效應力為720.35 MPa（圖3-c），接觸應力滿足施工要求。

圖3 抗扭卡瓦結構及力學仿真云圖

3 多徑連續油管組合參數分析

3.1 多徑管柱下入深度分析

結合CT90連續油管規格尺寸及機械力學特性[27-30]，對不同外徑連續油管的極限下入深度進行了分析計算。表1 所示為CT90 連續油管規格尺寸及機械力學特性參數表。

表1 CT90 鋼級連續油管規格尺寸及力學特性參數表

表2 所示為不同外徑CT90 連續油管在極限載荷時的最大下入深度，?38.100 mm 極限深度為7 621 m，無法滿足末端效應所需的泵注排量；?60.325 mm 極限深度8 268 m，管徑大又不能滿足通過性。

表2 CT90 不同外徑連續油管極限載荷下入深度表

由表2 可知，組合連續油管的極限下入深度，?38.100 mm+?60.325 mm 組合連續油管最大靜載下深12 278 m，比4 號?60.325 mm 等徑的連續油管多下入4 010 m，提高了48.5%，比1 號?38.100 mm等徑的連續油管多下入4 657 m，提高了61.1%，組合方式提高了連續油管的通過性。

3.2 多徑管柱泵注參數分析

取作業深度7 000 m 為例，對CT90 不同外徑連續油管的沿程摩阻進行了分析。表3 為井筒與連續油管尺寸和流體介質性能參數表，計算結果如表4 所示。在井口和工具節流壓力為0 時，各種規格連續油管不同排量下的摩阻數據曲線，350 L/min 排量時，?38.100 mm 沿程總摩阻達141.4 MPa，?60.325 mm沿程總摩阻為59.2 MPa。

表3 井筒與連續油管尺寸和流體介質性能參數表

表4 7 000 m 作業深度CT90 同外徑連續油管沿程摩阻計算結果表

按作業井深7 000 m，作業井筒內徑76 mm，綜合考慮機械強度、通過性、泵效和末端效應[31-32]，將連續油管排列組合如表5 所示。

如表6 所示為作業井深7 000 m、井口和工具節流壓力為0 時，組合連續油管不同排量下的摩阻數據曲線，350 L/min 排量時，2 號組合連續油管作業總沿程摩阻73.2 MPa，同?38.100 mm 等徑連續油管比較摩阻降低48.2%，4 號組合最優，總摩阻51.4 MPa，相比?44.450 mm 等徑連續油管減少7.3 MPa，降阻12.4%。

表5 7 000 m 作業深度CT90 不同外徑連續油管組合表

表6 7 000 m 作業深度CT90 組合連續油管不同排量下沿程摩阻計算結果表

3.3 末端效應分析

以內徑76 mm 油管內水射流解堵作業為例，采用2 個?4 mm 噴嘴旋轉水射流噴頭，不同排量下水射流沖擊力曲線如圖4 所示，350 L/min 射流沖擊力為0.68 kN，?38.100 mm 施工壓力高達168.3 MPa，?44.450 mm 的 施 工 壓 力 達85.6 MPa，?50.800 mm×2 170 m 與?44.450 mm×4 831 m 的組合連續油管施工壓力為77.6 MPa，同樣施工壓力下組合管柱的所獲得的末端效應提高75%和9.3%。

圖5 為連續油管多徑組合射流沖擊壓力曲線。

3.4 優選組合

在現場實際應用過程中，為達到最優組合方式，根據機械強度、通過性、最低施工壓力、最高末端效應選取相應合適方式。

圖4 2×?4 mm 噴嘴旋轉噴頭的末端效應圖

圖5 2×?4 mm 噴嘴連續油管多徑組合射流沖擊壓力曲線圖

建立約束關系：①組合各段連續油管機械強度滿足要求；②作業深度滿足作業要求；③通過性滿足井筒尺寸要求；③泵注效率最高；④末端效應施工要求。

約束條件都滿足時即為最優組合，篩選方法：優選組合為最大下深時i 由小至大，反之為最大泵注效率。

式中i 表示連續油管規格；Wi表示i 規格下的連續油管懸重，kg；Li表示i 規格連續油管長度，m；L目標表示作業深度，m；pi表示第i 段的管內/外沿程摩阻，MPa；p末表示末端節流壓力，MPa；p井表示液面平衡時的井口壓力，MPa；p泵表示地面泵組額定工作壓力，MPa。

4 現場應用

4.1 目標井井況

塔里木油田XX11 井是庫車坳陷東秋立塔克構造帶的1 口預探直井，在生產過程中地層出砂上產管柱堵塞，產量下降關井，分析認為生產通道堵塞。需疏通至5 549 m 深度。該井MHR 封隔器位置5 358.07 m，通徑僅48.51 mm。

4.2 現場作業參數及效果

優選?50.800 mm 油管×4 477.26 m（鋼級QT900、壁 厚3.96 mm）+ 對 接 裝 置+?38.100 mm 油 管×1 037.0 m（鋼級CT90、壁厚3.40 mm）組合連續油管進行作業。

作業液體為1.50 g/cm3密度有機鹽沖砂液，現場施工排量300 L/min，套管內返速0.66 m/s，油管（井口～3 880 m）內返速2.1 m/s，油管（3 880 ～4 512 m）內返速5.0 m/s，油管（4 512 ～5 382 m）內返速2.6 m/s，返速滿足沖砂要求。射流沖洗返出鐵屑、巖、凝析蠟塊、細鐵絲等混合物，如圖6 所示。外排點火，出口焰高0.5 ～5 m，井筒得到有效疏通，作業后產量恢復至13×104m3/d。

圖6 XX11 井返出物照片

5 總結

1）開發了連續油管多徑組合地面、井下對接裝置及工具，并現場成功應用。

2）連續油管多徑組合作業工藝技術可提高下入深度48.5%以上、降低摩阻41.7%、增強末端效應33%以上。

3）通過現場應用，驗證了對接方式、各項參數及工藝技術的可行性。

4）為連續油管模塊化、工廠化、連續油管現場作業管柱的系列化應用提供了新的思路。