全膨脹篩管防砂技術及適應性研究

韓宗正

中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院（遼寧 盤錦 124010）

0 引言

目前，篩管防砂技術具有成本低、施工作業簡單等優點，是解決套管油氣井出砂的主要方法之一。現場應用比較廣泛的有割縫篩管、繞絲篩管、燒結濾網篩管等。篩管防砂技術的工作原理是：地層砂隨產出液進入井筒之后，粒徑較小的細粉砂，經過篩管的過濾層，排至地面，而一些較粗的砂粒被擋在篩管外面，沉降在套管與篩管之內的環套空間中，形成穩定的砂橋，起到初級過濾作用。但是現有的篩管防砂技術存在以下兩個缺點：

1）由于篩管與套管之間存在環空，在出砂嚴重區塊，因出砂量大，易形成致密砂環卡死篩管管柱。當后期防砂失效打撈作業時，不能一次整體打撈，需小修逐段多次或液壓拉拔打撈，嚴重者需大修作業打撈，增加打撈作業成本。

2）當地層砂的分選性較差時，細砂充填于粗砂形成的孔隙之間。油流通過時，砂環會產生較大的壓力降，增加流動阻力，限制油井產量。

全膨脹篩管防砂技術是一種新興的機械防砂技術，具有無砂環、流阻小、便于小修打撈處理等優勢。目前國外該技術比較成熟，已經應用于直井、水平井完井。其中威德福ESS膨脹篩管技術處于領先地位。但是存在的以下問題，限制了在國內的規模化應用：

1）大通徑懸掛器需磨銑打撈，后期處理困難。

2）采用滾輪脹錐，篩管膨脹后圓度及強度較低。

3）篩管接箍處所需軸向加載力較大，下壓膨脹工藝應用受限，小于1 000 m 的油氣井因管柱重量達不到加載要求無法應用。

為此，筆者通過對可解封的Y445 懸掛器、膨脹螺紋和提拉膨脹工藝的研制及現場試驗，形成了成熟的全膨脹篩管防砂完井工藝技術[1-5]，并推廣應用。

1 Y445懸掛器

懸掛器作為篩管防砂技術的配套工具，需要實現對篩管的懸掛和對環空的密封。由于全膨脹篩管需要上下提放管柱進行膨脹，脹錐會對篩管反復產生上下的摩擦力[6]。因此要求懸掛器能夠滿足以下要求：①內通徑大，滿足脹錐管柱等工具的下入；②能夠承受較大的拉力和壓力，實現雙向錨定；③套管完井可以實現解封，便于后期防砂失效后進行篩管管柱的打撈作業。

現有Y445懸掛器不能滿足以上要求，主要存在以下問題：內通徑小、解封力大、不能一趟管柱實現丟手與膨脹作業。

針對以上難點，筆者進行研究，新研制的Y445懸掛器采用以下結構設計，滿足技術需求：①整體結構卡瓦設計，自動回彈，實現大通徑功能；②卡瓦錐體方向相同，分級解封，解封可靠；③內外雙管柱，一趟管柱實現丟手與膨脹作業，節約作業費用。

研制的Y445-152 懸掛器內通徑達124 mm，Y445-114 懸掛器內通徑達86 mm，均采用分瓣爪簧式撈錨解封[6]。實物照片如圖1所示。

圖1 Y445-152和Y445-114懸掛器

2 全膨脹篩管及防砂管柱

2.1 全膨脹篩管的結構設計

全膨脹篩管由基管、過濾層和保護套組成，結構如圖2 所示。基管是全膨脹篩管的核心骨架部分，直接決定了篩管膨脹后的抗擠毀強度和抗拉強度。過濾層采用搭接的方式，便于膨脹時均勻地發生滑動，保證膨脹后擋砂精度保持不變。其中，可膨脹接箍是膨脹篩管的重要組成部分，它可以實現徑向膨脹，從而實現篩管全井段膨脹[7]。

圖2 全膨脹篩管結構圖

可膨脹接箍創新設計燕尾型螺紋（圖3），螺紋受力面角度小于90°，同時加大螺紋螺距，提高了螺紋系統的嚙合強度，解決了篩管膨脹時螺紋易徑向脫扣的問題。室內實驗，篩管及接箍膨脹后，整體抗拉強度可達55 t。

圖3 燕尾型螺紋結構示意圖

可膨脹接箍采用摩擦焊接與基管焊接。篩管基管和接箍的割縫均采用水刀進行加工，交錯布縫。同時縫槽兩端采用圓弧過渡設計，避免膨脹時縫槽兩端產生應力集中開裂[8]。布縫結構如圖4所示。

圖4 基管割縫設計

為了提高篩管膨脹后的抗擠毀強度，根據設計經驗和室內實驗，降低了圓周布縫的數量。優化后的參數如表1 所示：其中a表示每條縫的縫寬，D表示基管的外徑。

表1 割縫方案設計

2.2 全膨脹篩管性能評價試驗

為了驗證全膨脹篩管過流性能、擋砂性能和抗擠毀強度性能測試及綜合評價，建立了篩管性能試驗評價裝置及流程。試驗原理如圖5所示。

圖5 篩管防砂試驗流程圖

為驗證接箍膨脹后的篩管整體擋砂性能，進行防砂粒徑試驗。試驗方法：將粒徑范圍0.2～0.35 mm的地層砂和攜砂液配成混砂液，混砂液以一定流量通過篩管，再測試排出液含砂情況。

通過測試，排出液未見砂粒，證明接箍膨脹后擋砂性能良好。

為驗證篩管膨脹后的抗擠毀強度，進行抗擠毀試驗。提前采用膨潤土將篩管糊住，外加塑料布和膠帶。處理后樣機如圖6所示。試驗時分步提高排量，并在每一個壓力點穩壓3 min，試驗結果見表2。

圖6 篩管抗擠毀樣機

表2 全膨脹篩管抗擠毀試驗結果

當排量逐漸升高，達到15 MPa 時，壓力仍然穩定沒有發生下降變化。直至16 MPa時，試壓裝置內開始有異響，壓力約在0.1 min后突降為0，取出篩管后發現，篩管被擠壞，如圖7 所示。試驗結果表明：篩管膨脹后抗擠毀強度可達15 MPa。

圖7 篩管樣機抗擠毀破壞性試驗

2.3 膨脹篩管防砂管柱設計

筆者設計的膨脹篩管防砂管柱結構如圖8 所示，包括Y445 懸掛器、上套管短節、上膨脹接頭、膨脹篩管、下膨脹接頭、下套管短節、絲堵[9-10]。

圖8 篩管防砂管柱結構圖

套管與膨脹篩管之間采用膨脹接頭連接，膨脹接頭可部分實現徑向膨脹。上套管短節起到緩沖的作用，防止膨脹作業完成后脹錐因管柱內外壓力差較大，沒有完全收縮誤進入Y445 懸掛器，造成卡井。下套管短節起到預置可變徑液壓脹錐作用，可實現一趟管柱丟手與膨脹作業。懸掛器丟手后，繼續上提管柱，可實現篩管膨脹，減少起下管柱次數，節約作業費用。

3 提拉膨脹工藝

國內外目前膨脹工藝大部分采用下壓膨脹工藝，施工方便，但是存在以下問題：對于井深較淺的井，當管柱重量達不到篩管膨脹加載力時，全膨脹篩管防砂技術不能應用。筆者研發了提拉膨脹工藝，可以依靠修井機上提管柱提供篩管膨脹所需的加載力，使脹錐管柱從下向上實現篩管膨脹。具體提拉膨脹管柱結構為：懸掛器內管+油管+插接工具+脹錐。懸掛器為內外雙管柱結構，外管柱連接篩管管柱，內管柱連接脹錐。

用于全膨脹篩管膨脹工藝配套的脹錐主要是滾輪式脹錐。滾輪式脹錐施工方便，但受結構限制，篩管膨脹后圓度低，室內實驗發現：篩管膨脹后抗擠毀強度只有7 MPa 左右，不能滿足出砂嚴重區塊的生產需求。為此筆者研制了可變徑液壓實體脹錐，結構如圖9 所示。該脹錐突破了滾輪脹錐膨脹后篩管抗擠毀強度低的難題，實現360°整體膨脹，提高了篩管膨脹后的圓度，從而提高了抗擠毀強度。油管管柱打壓時，膨脹塊軸向移動，形成圓周實體結構，管串拉壓施加軸向膨脹力，實現篩管膨脹。

4 現場應用

自2016年以來，全膨脹篩管防砂技術在遼河油田累計應用20 井次，措施成功率100%，有效率95%。因調層等原因打撈5 井次，小修打撈成功率100%。

海外河油田是1989年投入開發的油田，由海1、海26、海31 和新海27 等區塊組成，主力生產層位為東營組馬圈子油層。海外河油田原油屬普通稠油，具有高密度、低黏度、低含蠟量的特征。儲層巖性以中～細砂巖為主，次為粉砂巖，成巖作用差，泥質含量高，屬于高孔隙度，中高滲透層。儲層結構異常疏松，生產中極易出砂。隨著油田開發時間的不斷延長，油井含水的不斷升高，油井出砂日趨嚴重，而且后期防砂管柱打撈困難，一次整體打撈成功率極低。全膨脹篩管防砂技術在該油田共計應用7井次。現場施工統計效果見表3。因調層等原因打撈2井次，小修一次全部撈出管柱。

表3 典型區塊應用效果統計

5 結論

1）全膨脹篩管防砂技術與傳統的篩管防砂技術相比，可以消除砂環，實現小修一次整體打撈，節約打撈費用。

2）形成了提拉膨脹工藝，擴大了全膨脹篩管防砂技術的應用范圍。

3）建立了全膨脹篩管性能評價裝置及流程，可實現擋砂性能和抗擠毀強度性能測試及綜合評價，保障篩管防砂質量及效果。

4）全膨脹篩管加工成本高于傳統防砂篩管，而且在出砂輕微區塊，后期也可實現小修打撈。因此，全膨脹篩管在出砂嚴重、井段較長的油氣井中更具有技術優勢。

5）因結構限制，割縫型全膨脹篩管抗擠毀強度不能滿足水平井裸眼井的防砂需求。需要進一步開展液壓膨脹篩管的研究，以滿足水平井等裸眼井完井需求。