月東油田防砂管柱打撈工藝及工具研究與實踐

魏文科，宋宏宇，李 輝

（1.中信資源天時集團能源有限公司，遼寧盤錦 124013；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300547；3.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300547）

月東油田位于渤海灣盆地北部遼河灘海地區，屬遼河盆地自然延伸部分，構造上位于海南-月東披覆構造帶南端。西側以月東斷層、海南斷層為界，與月牙構造和海南洼陷相鄰；東北與海南1 油田和3 油田相鄰，西南與錦州9-3 油田相鄰。月東油田油藏主體部位為普通稠油油藏，采用蒸汽吞吐方式開發，2014 年全面投產，目前有定向井91 口，水平井37 口，年產量45×104t。月東油田縱向上各套地層均為強出砂地層，定向井采用套管內懸掛篩管防砂，水平井采用套管尾部懸掛篩管裸眼防砂。舉升方式為塔式抽油機+管式泵+空心桿電加熱生產。隨著熱采開發時間的延長，注汽輪次的增加，防砂管 柱失效井增加，出砂井逐年增多，目前嚴重出砂井達25 口，占油田總井數的19.5%，已嚴重影響油田正常開發。根據月東油田井況及修井設備狀況，開展了一系列防砂管柱打撈工藝探索及相關工具研究，并進行了現場實踐，取得了顯著成效。

1 防砂管柱失效狀況分析

月東油田熱采井采用的篩管主要有繞絲篩管、金屬網布篩管、彈性篩管及割縫篩管（圖1）。生產過程中篩管失效的原因主要有三方面：①在油井生產、注汽過程中，地層產出液攜帶著砂粒沿炮眼方向呈射流狀進入井筒，注入的蒸汽沿炮眼方向呈射流狀進入地層，地層產出液和注入的蒸汽定向、定點、長時間沖蝕篩管，造成篩管沖蝕穿孔；②在高溫高壓蒸汽吞吐過程中，冷熱交變，篩管膨脹收縮，導致篩管繞絲篩濾網崩裂；③注入蒸汽溫度達350 ℃，篩管懸掛封隔器密封膠筒耐溫不夠，導致密封失效[1]。

圖1 月東油田篩管類型

根據統計，彈性篩管失效井比例高達75.8%，平均有效生產時間為30.4 月；繞絲篩管失效井比例為22.7%，平均有效生產時間為41.8 月；金屬網布篩管和割縫篩管失效比例較低，如表1 所示。

表1 防砂篩管失效井統計

2 防砂管柱打撈難點分析

2.1 防砂管柱長

月東油田油井分為定向井和水平井，井深為1 600～2 700 m。定向井的最大井斜達68°，防砂管柱串長度為30～150 m；水平井防砂管柱串長度為200～400 m。井斜大、防砂管柱長，導致砂卡嚴重，打撈難度較大。

2.2 修井機作業能力不足

現場作業機均為小修機，額定鉤載僅為600 kN，提升能力不足；作業機缺乏轉盤設備、頂驅設備，難以開展鉆、磨、銑等大修作業。井內有φ177. 8、φ 168. 3、φ127. 0、114. 3 mm 四種類型的防砂管柱，需要多種專用的打撈工具，現場打撈工具配備不完善。

2.3 威德福BlackCat 篩管懸掛器解封難度大

月東油田生產井下入的防砂管柱，采用的均是威德福BlackCat 篩管懸掛器。該懸掛器座封結構復雜，采用雙向卡瓦座封，必須使用威德福專用打撈工具才能打撈、解封，但威德福公司已退出中國市場，無法提供打撈服務，現場沒有BlackCat 篩管懸掛器專用打撈工具。

3 防砂管柱打撈工具

3.1 篩、套環空沖砂工具

由于防砂管柱較長，篩管與套管之間的環空積滿沉砂，打撈篩管時砂卡阻力大。為了能順利打撈防砂管柱，既要使用專用打撈工具、解封篩管懸掛器，還需要配套可行的篩、套環空沖砂工藝及工具，沖出篩、套環空內沉砂，解除篩管砂卡[2-4]。

3.1.1 優選高效磨鞋

月東油田的防砂管柱基本結構為：威德福BlackCat 篩管懸掛器+盲管×1 根+篩管（若干）+篩管尾堵。根據防砂管柱的結構特點，優選高效磨鞋，磨穿篩管尾堵，建立篩、套環空沖砂循環通道。

現場有φ177. 78 mm、φ168.30 mm、φ127.00 mm、φ114.30 mm 四種類型的防砂管柱，防砂管柱的內徑分別為φ159.40 mm、φ150.40 mm、φ108.60 mm、φ100.50 mm，篩管尾堵的材質均為N80。

根據篩管內徑，優選了與φ177.78 mm、φ168.30 mm、φ127.00 mm、φ114.30 mm 四種防砂管柱內徑尺寸相匹配的凹底高效磨鞋，其公稱外徑分別為：φ121 mm、φ110 mm、φ98 mm、φ89 mm。

高效磨鞋與普通磨鞋相比，具有磨削效率高的優點[5]，能在較短時間內磨穿篩管尾堵。

3.1.2 篩套環空沖砂專用工具

設計的沖砂專用工具尾部呈錐狀，外徑尺寸滿足通過篩管尾堵的鉆孔，并設置有側向水眼和底部水眼，側向水眼可沖洗篩管側壁篩網，底部水眼可沖洗口袋內沉砂，結構形狀如圖2 所示。

圖2 篩套環空沖砂專用工具結構示意圖

用高效磨鞋鉆穿篩管尾堵后，起出鉆磨管柱，下入與尾堵鉆孔尺寸相匹配的篩套環空沖砂專用工具。接近砂面時，啟動地面泵，從油管內正打壓，正循環沖砂。當沖砂工具通過篩管尾堵的鉆孔后，繼續向下沖洗，掏空尾堵下方口袋內的沉砂，形成沉砂腔；然后邊緩慢上提管柱，邊旋轉管柱，水流從沖砂工具側面水眼高壓噴出，沖洗篩管側壁篩網，篩套環空的沉砂受到沖刷，疏松下沉，進入篩管尾堵下方的沉砂腔；再下放管柱，使沖砂工具進入沉砂腔，這樣反復沖洗篩管及沉砂腔，最終沖出篩套環空沉砂，解除篩管砂卡。若地層漏失嚴重，可采用氮氣泡沫代替水進行沖砂。

3.2 專用打撈解封工具

拆解同類型的威德福BlackCat 篩管懸掛器，解剖分析懸掛器的結構組成及座封、解封原理，研制出針對威德福BlackCat 篩管懸掛器的專用打撈、解封工具。該工具為可退式，若撈獲后無法解封、解卡，可以安全退出打撈工具，工具的結構組成及各部件名稱如圖3 所示。

圖3 懸掛器專用打撈解封工具結構示意圖

將打撈管柱分別過提負荷至50，70，130 kN 時，根據根據修井機拉力計指針的彈跳突變情況，來判斷懸掛器專用解封打撈工具在各個階段的功能是否實現及篩管懸掛器的解封環上的銷釘是否剪斷，可確定篩管懸掛器是否解封。

如撈獲落魚后管柱拔不動，則下放管柱，使負荷降至管柱懸重，正轉打撈管柱15 圈，再上提管柱，實現脫手，即可安全可退出打撈工具。

3.3 井下液壓拔卡裝置改進

為了解決現場小修機拔負荷能力不足的問題，引進了井下液壓拔卡工藝，并對拔卡裝置進行了改進，以滿足作業需求。

井下液壓拔卡裝置是近年來開發的新型井下舉升裝置。該裝置主要由上接頭、泄壓開關、多級液缸、上錐體、上錨定器、上卡瓦座、下錐體、下錨定器、下卡瓦座、倒扣接頭、液壓丟手及相關附件組成，如圖4 所示。井下液壓拔卡裝置能將地面泵壓轉換為井下液缸的舉升力，可以避免常規打撈解卡時修井機的上提力被管柱的彈性伸縮、井筒摩阻和管柱自重所消耗，實現用小修機進行井下大力解卡[6-8]。

圖4 井下液壓拔卡裝置結構示意圖

3.4 井下水力機械切割工藝的改進

月東油田很多井防砂管柱長度超過100 m，即使使用井下液壓拔卡裝置，也難以整體拔出防砂管柱，因此，需要分段切割，分段打撈。為此，研究引進了井下水力機械切割裝置，并進行了改進，提高了切割效率和成功率。水力機械切割裝置結構如圖5 所示，主要部件有上接頭、上節流閥、下節流閥、壓縮彈簧、割刀支架、割刀等[9]。

2019 年初引進了φ177.78 mm、φ244.50 mm 機械式割刀，開展井下篩管、套管切割嘗試，但實踐中存在割刀性能不穩定、易損壞、切割耗時長、成功率低及對井下切割狀況判斷不準的問題。對刀架結構和水力通道進行了改進，并優選更新了割刀材質，達到了理想效果。

圖5 井下水力機械切割裝置結構示意圖

3.4.1 刀架結構改進

模擬割刀在旋轉切割過程中割刀與套管內壁接觸角度隨著割縫深度的變化，適當減小了刀架結構焊接角，保證前角合金能充分接觸套管，使割刀更加穩定，并根據車床車刀原理，優化設計了割刀角度，使傳統的磨銑切割方式改為車刀車削方式。刀架結構改進前后割刀前角合金及后角擋板與套管內壁的接觸點變化對比如圖6 所示。

圖6 刀架結構改進示意圖

3.4.2 水力通道改進

在水力割刀設置了上節流閥和下節流閥，并對節流閥的通道尺寸進行了優化，配合刀架的限位機構。當切割完成后，上節流閥上的節流孔打開，泵壓迅速下降，使井口操作人員能夠通過觀察井口壓力變化準確判斷割刀是否完成切割，結構如圖7 所示。

3.4.3 割刀材質優選

刀頭材質綜合性能對比顯示，在硬度相近的情況下，優選抗彎強度高的YW2A 合金為刀頭加工材質，刀頭材質，刀頭材質性能見表2。

表2 刀頭材質物理性能

4 防砂管柱打撈技術方案

圖7 上節流閥和下節流閥示意圖

分析月東油田修井設備能力、篩管懸掛器解封方式及防砂管柱結構，完善配套了與小修機相適應 的簡易井口液壓轉盤、小型動力水龍頭等大修附屬設備，并根據研究出的篩套沖砂工藝及專用工具、篩管懸掛器專用打撈工具，改進后的井下液壓拔卡裝置及井下水力切割工具，并針對每口井井況，制定了以下三種防砂管柱打撈技術方案[2，8]：①建立篩、套環空循環通道，沖洗出篩、套環空內沉砂，解除篩管砂卡；②篩管懸掛器解封、篩管整體打撈；③采用分段切割、分段打撈工藝撈出長度較大的防砂管柱（適用于篩管長度較大，用井下液壓拔卡裝置也無法整體解卡的井）。

5 現場實踐

5.1 整體打撈防砂管柱

YD-B16 井最大井斜54.51°，井深為2 095.51 m，φ17.78 mm 生產套管，井內防砂管柱結構為威德福BlackCatφ177.78 mm 篩管懸掛器+φ127.00 mm盲管×1 根+φ127.00 mm 篩管×1 根+φ127.00 mm盲管×2 根+φ127.00 mm 篩管×2 根+φ127.00 mm尾堵，總長度66.77 m。2017 年7 月該井因出砂嚴重而停井，判斷防砂管柱失效。2018 年8 月通過鉆穿尾堵、篩套環空沖砂、液壓拔卡工藝撈出了防砂管柱組合。具體步驟為：①采用外徑為φ89.00 mm 高效磨鞋鉆穿了篩管尾堵；②下入φ63.00 mm 篩套環空沖砂專用工具成功沖出了大量篩套環空沉砂；③下入威德福BlackCatφ177.78 mm 篩管懸掛器專用打撈工具+φ177.78 mm 液壓拔卡器+φ73.00 mm正扣鉆桿，撈獲落魚上提管柱，懸掛器順利解封，油管內正打壓15 MPa，啟動井下液壓拔卡器（折算拉力900 kN），成功解卡，整體撈出了防砂管柱。打撈程序如圖8 所示。

圖8 防砂管柱打撈程序示意圖

5.2 分段切割、分段打撈防砂管柱

YD-A13 井最大井斜47.6°，井深為1 900.42 m，φ244.48 mm 生產套管，井內防砂管柱結構為威德福BlackCatφ244.48 mm 篩管懸掛器+φ168.30 mm盲管×1 根+φ168.30 mm 篩管×2 根+φ168.30 mm盲管×5 根+φ168.30 mm 篩管×2 根+φ168.30 mm尾堵，總長度103.67 m。2019 年7 月通過切割、套銑、液壓拔卡措施，成功撈出了井內防砂管柱。具體步驟為：①下入φ168.30 mm 割刀+φ168.30 mm 扶正器+φ73.00 mm 正扣鉆桿，從防砂管柱的中間處盲管段切斷了盲管；②下入φ244.48 mm 篩管懸掛器專用打撈工具+φ177.78 mm 液壓拔卡器+φ73.00 mm正扣鉆桿，解封解卡未成功，退出了打撈工具；③下入φ168.30 mm 割刀從篩管懸掛器的卡瓦上部100 mm 處割斷了懸掛器上部接頭，下入打撈工具撈出了上部接頭；④下入φ215.00 mm 高強度套銑筒，套銑掉懸掛器錨牙，解封篩管懸掛器；⑤下入φ168.30 mm 可退式撈矛+φ177.78 mm 液壓拔卡器+φ73.00 mm 正扣鉆桿，打壓13 MPa 啟動井下液壓拔卡器（折算拉力780 kN），撈出了防砂管柱上半部分；再次下入可退式撈矛、液壓拔卡器，打壓16 MPa（折算拉力960 kN），成功撈出下半部分防砂管柱。

2017—2019 年，月東油田使用小修作業機，根據不同井況，通過沖洗篩套環空沉砂、懸掛器專用工具解封、切割、套銑、液壓拔卡等組合措施，成功撈出了22 口井的防砂篩管，基本解決了月東油田在作業設備受限條件下的防砂管柱打撈難題。

6 結論

（1）優選高效磨鞋，鉆穿篩管尾堵，建立篩套循環通道，配合篩套沖砂工藝，能有效沖出篩套環空沉砂，解除篩管砂卡。

（2）改進井下液壓拔卡工具，解決了修井機載荷不足的問題，有效助力小修機進行大負荷拔卡，提高了篩管打撈成功率。

（3）研制的懸掛器專用打撈工具，配合井下切割、套銑工藝解決了月東油田懸掛器解封、解卡，長段防砂管柱打撈難題，改進后的井下水力機械切割工具有效提高了切割效率和成功率。