細分層系高效壓裂充填防砂管柱

左凱 張斌 徐剛 包陳義 張啟龍 劉曉龍

1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司；2. 中國石油大學(北京)；3. 中海石油(中國)有限公司天津分公司

根據近年來油井綜合調整作業實踐的成功經驗，充填防砂技術被證明是一種能夠減緩地層出砂，提升油井產量的儲層改造工藝，是中、高滲透率疏松砂巖油藏的一種優選完井防砂增產技術［1-3］。一次多層充填防砂作業作為充填防砂技術的最新成果，具有作業時效高、對地層污染小等優勢，目前海上油田應用較多且相對成熟的有貝克休斯的Mini-Beta、MST 壓裂充填系統，哈里伯頓的STMZ、ESTMZ 壓裂充填系統，以及中海油、瑞豐石油等一次多層充填防砂技術［4-6］。針對儲層穩產增產和細分層系的需求，目前海上常用?244.5 mm 生產套管完井采用的一次多層充填防砂技術，由于存在工藝復雜和時效性差的缺點，難以實現細分層系大排量循環，嚴重制約其在海上的推廣應用。

基于旁通過流篩管和旁通過流滑套技術，通過在篩管內設置生產夾層，將分采油管與篩管集成為一體，形成旁通過流篩管系統，使充填時減少1 層中心管的下入，簡化了充填管柱結構，滿足低摩阻、大排量充填防砂和細分層系的需要。

1 細分層系高效壓裂充填防砂管柱

1.1 管柱設計

?244.5 mm 套管細分層系高效充填防砂工具由通徑?120.65 mm 的外層防砂管柱和配套的內層服務管柱組成。典型的1 次3 層外防砂管柱，由上至下主要包括頂部總成、隔離總成、旁通過流篩管、旁通過流滑套和預置充填轉換總成的錨定密封總成。其中頂部總成包括?244.5 mm 頂部封隔器、?120.65 mm 密 封 筒、?168.3 mm 磨 銑 延 伸 筒、?120.65 mm 充填滑套、?120.65 mm 滑套密封筒、?168.3 mm 下 部 延 伸 筒、?121 mm 定 位 接 箍、?139.7 mm 快速接頭；隔離總成包括?244.5 mm 隔離封隔器、?120.65 mm 密封筒、?120.65 mm 充填滑套、?120.65 mm 滑套密封筒、?168.3 mm 下部延伸筒、?121 mm 定位接箍。

內層服務管柱由上部送入總成和預置于錨定密封總成的充填轉換總成組成。上部送入總成包括坐封工具、脫手工具、旋轉接頭、?101.6mm 沖管、?120.65 mm 上部密封單元、回接工具。防砂作業時，服務管柱上部送入總成與充填轉換總成通過回接工具連接成為服務管柱。

1.2 工藝流程

以典型的1 次3 層防砂為例，其工藝流程為［7］：刮管洗井，電纜或鉆桿下入沉砂封隔器；下入錨定密封總成(內部預置充填轉換總成)、旁通過流循環滑套、旁通過流篩管、旁通過流生產滑套、旁通過流篩管、隔離總成等外層防砂工具；下入回接工具與充填轉換總成回接并將充填轉換總成從錨定密封總成解鎖，連接頂部總成并下鉆，下入預定位置后，坐封頂部封隔器并驗封，服務工具脫手；上提管柱，環空打壓一次坐封全部隔離封隔器；驗封底層隔離封隔器；通過機械定位器尋找底層充填位置、反循環位置，進行循環測試；打開充填滑套、循環滑套，在底層充填位置進行充填作業，然后關閉充填滑套，進行反循環洗井作業；打開充填滑套，在充填位置正循環檢驗充填效果，關閉充填滑套，在充填位置正循環驗充填滑套密封性。重復以上步驟，由下至上依次完成中間層和頂層充填作業。

1.3 技術指標

細分層系高效壓裂充填防砂技術與現有技術相比，具有儲層保護、循環摩阻小、精細化分層、管柱下入高效等特點，并且無需下入中心管可實現不動管柱分采分注，與現有技術對比見表1。

表 1 壓裂充填防砂參數對比Table 1 Parameter comparison of frac-pack sand control

2 關鍵工具設計與分析

2.1 旁通過流篩管

旁通過流篩管與常規防砂篩管相比，接箍采用夾層結構，內層基管沒有開孔，如圖1 所示。攜砂液經過篩網組件進入篩管內旁通過流通道，最終經由配套生產/循環滑套進入服務管柱。篩管基管為?139.7 mm 套管，最大外徑180 mm，夾層最小過流面積2 273 mm2，本體抗拉工作載荷1 400 kN，擋砂精度120 μm，材質L80-1/316L，上下端扣型均為API LTC。經實驗測試，篩管抗膨脹壓力為12 MPa，抗擠毀壓力為36 MPa。

圖 1 旁通過流篩管Fig. 1 Side through flow screen

2.2 滑套系統

細分層系高效充填防砂工藝設計有3 種滑套，參數見表2。充填滑套連接在篩管以上，實現充填循環通路和阻斷流體進入生產管柱。循環滑套連接在篩管的最底部，充填循環時攜砂液經過篩網過濾后由篩管的夾層通道和循環滑套的開孔流至服務工具并返出。生產滑套連接在2 根篩管之間，充填結束后根據產層的生產需要進行關閉或打開。

表 2 滑套的技術參數Table 2 Technical parameters of sleeve

基于齒形嚙合和唯一匹配的原理［8］，將充填滑套與生產滑套、循環滑套設計為滑動件結構相同、尺寸不同的開關驅動機構，以保證在充填作業時，可準確地對3 種滑套進行開關操作。滑套的開關工具驅動執行部件采用彈性懸臂梁結構［9］，如圖2 所示，生產/循環滑套的驅動齒間距6.4 mm，充填滑套的驅動齒間距8.4 mm。

圖 2 滑套開關工具結構Fig. 2 Sleeve switching tool

2.3 服務工具回接性能分析

為防止服務工具由上至下進入外層防砂管柱時誤打開滑套，以及實現旁通過流篩管和生產滑套、循環滑套的密封性能檢驗，服務管柱設計為2 部分。下部預置在錨定密封總成內部，上部與頂部封隔器總成連接，上下2 部分通過回接工具連接，如圖3所示。

圖 3 回接工具Fig. 3 Tieback tool

服務管柱上下2 部分總成對接時，回接工具下部通過下密封接頭的引入倒角將下密封接頭的外密封面與下接頭內預置密封圈的內表面配合實現密封，能夠確保回接后管柱可承受內壓力；中部預置雙面鋸齒螺紋卡簧鎖緊裝置［10-11］，實現單向通過和連接后均勻受力、軸向防退，確保回接后管柱可承受較大軸向拉伸載荷；上部由帶齒花鍵的條形爪和鎖定外筒的條形爪可準確定位，能夠確保回接后管柱可承受扭轉載荷。

卡簧是回接工具的關鍵部件，設計為8 個開口5 mm 和1 個開口20 mm 的C 形結構，內表面為細牙螺紋，外表面為粗牙螺紋。為驗證該結構的合理性，建立卡簧的三維模型，在ANSYS WORKBENCH 軟件中進行載荷有限元分析。卡簧材質為AISI 4145H，彈性模量2.12×105MPa，泊松比0.28，屈服強度和抗拉強度分別為785 MPa 和980 MPa。卡簧上端面和粗牙螺紋上斜面固定所有自由度，細牙螺紋下斜面施加沿軸線方向的拉伸載荷50 kN，計算得到卡簧的Von-Mises 應力分布如圖4 所示。

從圖4 可以看出，卡簧在50 kN 拉伸載荷的狀態下，最大應力出現在卡簧內部細牙螺紋齒頂部位，最大應力443 MPa，小于材料在安全系數為1.5 時的許用屈服強度523.3 MPa。因此，雙面鋸齒螺紋卡簧結構設計合理，滿足50 kN 極限拉伸載荷要求。

圖 4 卡簧在拉伸載荷下的Von-Mises 應力分布Fig. 4 Von-Mises stress distribution of clamp spring under tensile load

3 施工參數分析

3.1 正循環壓裂充填摩阻分析

壓裂充填作業中，循環摩阻直接影響施工排量和效果，對充填過程中的循環摩阻進行分析，為確定防砂層段長度和充填排量提供參考。目前，海上壓裂充填多采用海水基的壓裂胍膠液體系，其具有低濃度、高黏度、與地層的液體有良好的配伍性的特點，攜砂和懸砂性能較強。以渤海油田某井為例，生產套管內徑220.5 mm，下入?139.7 mm 鉆桿2 000 m，鉆桿內徑118.6 mm，篩管外徑173 mm，篩管內徑124.3 mm，管柱密封筒內徑120.65 mm，沖管外徑101.6 mm，沖管內徑90.12 mm，壓裂液密度1 020 kg/m3，壓裂液黏度500 mPa·s，沖管長度范圍100~500 m，正循環排量2.23~7.16 m3/min，計算該細分層系高效壓裂充填防砂管柱正循環摩阻隨循環排量的變化如圖5 所示。

圖 5 壓裂充填正循環摩阻隨排量的變化關系Fig. 5 Relation curve of friction force and displacement during positive circulation

細分層系高效壓裂充填防砂管柱壓力級別為69 MPa，靜液柱壓力為15 MPa，當地層破裂壓力為26.7 MPa，計算出井口壓力為58.3 MPa。由圖5 可知，井口壓力為58.3 MPa 時，500 m 沖管長度壓裂施工排量可達6.48 m3/min，400 m 沖管長度壓裂施工排量可達7.05 m3/min，滿足現場大排量施工要求。

3.2 反循環洗井摩阻分析

反循環洗井時，?139.7 mm 鉆桿和?244.5 mm套管的環空較大，沿程摩阻可忽略不計。此外由于充填轉換管柱反循環行程很短，沿程摩阻也可忽略不計，因此反循環時沿程摩阻主要產生在?101.6 mm 沖管和外層防砂管柱(為簡化計算，按最小內徑?124mm)之間的環空。計算該段沿程摩阻，取完井液的密度1 020 kg/m3，黏度1 mPa·s，管柱粗糙度0.001，假定2 層管柱同心，沖管長度范圍100~500 m，反循環排量0.64~1.27 m3/min，分別計算該細分層系高效壓裂充填防砂管柱反循環摩阻隨循環排量的變化如圖6 所示。

圖 6 壓裂充填反循環摩阻隨排量的變化關系Fig. 6 Relation curve of friction force and displacement during reverse circulation

由圖6 可知，反循環最高排量為1.27 m3/min時，在環空井筒和井口設備的安全壓力級別達到20.7 MPa 的前提下，沖管長度可達500 m，管柱最大沿程摩阻為17.45 MPa，滿足現場施工要求。

4 現場試驗

2020 年5 月，在渤海油田A 井進行了現場應用。該井為?244.5 mm 常規套管井，最大井斜為60.90°。?244.5 mm 套管下至2 561 m，采用平衡射孔方式，分為5 層，上部3 層為注水層，底部2 層為水源層。考慮疏松砂巖高孔高滲地層的生產需要，5 層均設計為礫石充填防砂。現場使用20/40 目陶粒，體積密度1 678 kg/m3，基液密度1 030 kg/m3。

電纜下入?244.5 mm 沉砂封隔器至2 510 m 并坐封。依次連接下入內部預置充填轉換總成的錨定密封總成、4 套隔離總成和篩盲管等防砂管柱，并對篩管和滑套進行試壓2 MPa、5 min 后壓力未見下降。下入回接工具和?101.6 mm 沖管，緩慢下放管柱遇阻后下壓3 kN 確認回接位置，過提3 kN 解鎖充填轉換總成，最后連接?244.5 mm 頂部封隔器總成，完成防砂管柱下入。

頂部封隔器坐封位置2 356 m，坐封壓力18 MPa，下壓10 kN，再過提10 kN，確認封隔器卡瓦牙已撐開咬緊套管。鉆桿內正打壓至26.2 MPa，穩壓2 min，激活液壓脫手，服務管柱與頂部封隔器脫開。上提管柱1.7 m，環空驗封壓力13.8 MPa，壓力未明顯下降。下放管柱，環空加壓21 MPa，穩壓10 min，一次坐封4 個?244.5 mm 隔離封隔器。通過服務管柱中最大外徑?124 mm 的可換向通過式機械定位器和外層防砂工具的?121 mm 定位接箍，確認找尋各層充填位置和反循環沖砂位置，通過滑套開、關工具打開充填滑套和循環滑套，并通過定位器下壓10 kN 后進行充填作業。充填作業完成后關閉該層生產滑套及循環滑套，防止其他層段充填作業時地層漏失。該井充填防砂施工數據見表3。

表 3 渤海油田A 井細分層系高效充填防砂施工數據Table 3 Construction data of well A in Bohai Oilfield using efficient sand control string of subdivision of reservoir

細分層系高效充填防砂現場作業各工具性能均達到使用要求，驗證了工藝的可行性和穩定性，比常規防砂作業節約近3 d 工時，大幅降低了作業強度和作業成本。同時實現免下分采管柱進行分層調控生產，精簡了原定2 趟管柱為1 趟，節約作業時間近1 d，降本增效明顯。

5 結論

(1)采用旁通過流篩管和旁通過流滑套技術，使充填時減少1 層中心管的下入，充填結束后實現儲層保護，同時實現免生產管柱進行分采分注生產。

(2)通過簡化防砂服務管柱，采用無上下隔離密封和充填轉換總成預置于錨定密封總成的設計，降低了服務工具下入遇阻風險，適用于各種井斜，配置?101.6 mm 沖管顯著降低循環摩阻，滿足大排量壓裂充填防砂和精細化分層生產需求。

(3)現場應用顯示?244.5 mm 套管細分層系高效充填防砂技術作業時效性和安全可靠性優勢明顯，為后續產業化推廣和規格拓展提供了數據支持和參考。