水平井篩管充填通道建立適應性研究

王新濤，邢洪憲，劉 鵬，鞠少棟，王世強，李清濤

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

油井高含水帶來的老油田穩產、油田節能減排等問題，現已非常嚴峻，其中治理難度較大的水平井高含水問題尤為突出。在生產油田部分水驅油藏逐漸進入開發中后期，無論是單井還是油田綜合含水均較高。針對業內水平井控水難題，逐步形成了“封隔體控水”新工藝，極大降低了對見水分析精度的要求，具備較高的推廣應用價值。南海西部大部分在生產水平井水平段長度300～700m且采用簡易篩管防砂，因“封隔體控水”工藝要對篩管外部進行充填，故需開展篩管充填通道建立的攻關工作，以提升工藝適應性。通過理論加試驗評價的方法優化開孔工藝，形成一套水平井篩管充填通道建立的工藝技術。

1 充填通道建立工藝及試驗

1.1 開孔工藝技術優選

目前常用的應用在套管井中的井下開孔工藝技術分為三種，分別是：火工品射孔、水力噴砂射孔和機械式沖孔。火工品射孔比較常用[1-2]，技術成熟，且油管輸送射孔（TCP）可采用多種引爆方式，可實現正、負壓射孔等射孔條件。水力噴砂射孔工藝較成熟，常用于解堵和壓裂工藝中，適用于定向井和水平井，但噴砂定向射孔技術暫時無應用。機械式沖孔技術主要利用機械式液壓機構進行沖孔開窗，實現井筒與地層間的有效連通，目前純機械式沖孔開窗技術在國內外尚無大規模成功應用的案例。

優選火工品射孔工藝，針對6-5/8″星孔篩管、5-1/2″復合篩管和射孔槍選型進行分析，確定開孔臨界尺寸，通過理論計算得出適合星孔篩管和復合篩管的射孔孔徑不大于18mm。同時，為保證篩管的防砂效果，確定射孔原則：星孔篩管開孔時，射開1個孔導致星孔過濾網脫落個數不超過2 個；復合篩管開孔時，射開1 個孔連通篩管基管孔個數不超過2個。

1.2 模擬分析

取長度2m分別建立6-5/8″星孔篩管基管模型[3]及40 孔/m、射孔尺寸?16mm 的射孔槍射穿同尺寸套管后的模型。對比兩個模型，用兩個模型中篩管基管星孔和射孔的重合情況來分析在射孔過程中星孔過濾網脫落比例。兩個模型中分別含有333 個篩管基管星孔和80個射孔。部分重合模型如圖1所示。

圖1 篩管基管星孔模型和射孔模型圖

分析得出，基管星孔和射孔重合度為1/2以上的占篩管總孔數的14/333，1/4 以上的占34/333，則在該條件下星孔篩管射孔過程中約有4.2%～10.2%的星孔過濾網會脫落；定向射孔時射孔弧面角度取240°，則脫落數將減少1/3，約有2.8%～6.8%的星孔出現脫落，若孔密降低，星孔過濾網脫落數也會降低。

1.3 射孔試驗

對6-5/8″星孔篩管和5-1/2″復合篩管進行打靶試驗，部分試驗圖片如圖2和圖3所示，試驗數據如表1和表2所示。

表1 星孔篩管打靶試驗數據

表2 復合篩管打靶試驗數據

圖2 6-5/8″星孔篩管打靶試驗圖

圖3 5-1/2″復合篩管打靶試驗圖

（1）對于6-5/8″星孔篩管，114mm 水平定向射孔器裝配BH64RDX49-2 型射孔彈時，射孔后會出現射孔形成的孔眼與篩管基管孔眼連通現象，形成巨大的孔眼；將114mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25 型射孔彈，并對藥罩的配方和厚度進行調整，由試驗數據可得出：當射孔孔徑小于15.5mm 時，星孔篩管不會出現兩個基管星孔同時與射孔孔眼相連的情況，當射孔孔徑超過15.5mm時，星孔篩管會出現兩個基管星孔同時與射孔孔眼相連的情況，會導致星孔過濾網脫落；

（2）對于5-1/2″復合篩管，89mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25-2 型大孔徑射孔彈，射孔后孔徑規則，孔眼平均直徑為14.2～16.3mm；

（3）星孔過濾網脫落的臨界重合度約為1/4。

2 射孔后篩管基管強度分析及試驗

2.1 模擬分析

對不同射孔參數的篩管基管部件進行三維立體建模，取篩管基管外徑5-1/2″、內徑4.892″、篩管基管孔徑0.4″、射孔孔徑16mm。為模擬在水平井內篩管基管受上下弧面的擠壓力，取上下弧面的受力弧度為60°，考慮數值模擬的需要，在基管上、下弧面上增加兩塊同弧度的剛體作為受力體[4-6]，所建基管受力模型如圖4所示。

圖4 篩管基管受力模型圖

N80 套管的屈服強度取552MPa，調整載荷數值，觀察等效應力云圖中等效應力大于屈服強度的區域，使基管整體達到塑性變形的狀態，確定此時的載荷。

將基管模型導入ANSYS軟件，根據N80套管的性能參數定義材料屬性，為獲得更高精度的求解，選擇網格尺寸為3mm 劃分網格生成單元。對基管模型定義約束條件：對下部托盤施加固定約束，位移為零，在上部托盤施加垂直于托盤向下的載荷，且上下托板與篩管基管間為摩擦接觸。

未射孔篩管基管、4孔/m篩管基管、8孔/m篩管基管、12孔/m篩管基管及同尺寸套管的載荷施加情況及等效應力云圖如圖5所示。

圖5 載荷施加情況及等效應力云圖

調整向下的載荷數值，在等效應力云圖中觀察應力大于屈服強度552MPa的區域達到塑性形變狀態，記錄此時的載荷數值及最大形變量，數值模擬數據如表3所示。

表3 數值模擬數據

2.2 物模試驗

根據數值模擬的模型，加工成試驗樣件。調試巖石力學試驗設備，將托板及篩管基管依次置于試驗臺上，確保上下托板處于平行位置。打開操作軟件控制下試驗臺按設定速度勻速緩慢上移，在上試驗臺與上托板接觸后，載荷出現并自動記錄，觀察位移—負荷關系曲線[7-9]，直到篩管基管出現塑性變形，試驗結束。物模試驗圖如圖6所示。

圖6 物模試驗圖

未射孔篩管基管、4孔/m篩管基管、8孔/m篩管基管、12孔/m篩管基管及同尺寸套管的位移與負荷的關系曲線如圖7所示。

圖7 位移—負荷關系曲線圖

位移增加，負荷的增速變緩，當隨著位移的增加負荷不再增加時認為該試件出現塑性變形，達到此狀態時篩管作用失效[10-11]。記錄分析出現塑性變形時的位移與負荷數值，如表4所示。

表4 物模試驗數據

根據數值模擬及物模試驗的數據可以看出：

（1）篩管基管在射孔前后不同孔密對應的最大抗壓載荷變化較小；

（2）在達到塑性形變狀態時，不同孔密的篩管基管最大形變量或位移差值較小。

3 結果分析

（1）對于5-1/2″復合篩管，89mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25-2型大孔徑射孔彈，射孔后，孔徑規則，孔眼平均直徑為14.2～16.3mm。

（2）對于 6-5/8″星孔篩管，114mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25 型射孔彈，當射孔孔徑小于15.5mm 時，星孔過濾網無脫落；當射孔孔徑超過15.5mm 時，會導致星孔過濾網脫落；星孔過濾網脫落的臨界重合度為1/4。

（3）篩管基管在發生塑性變形時，射孔前后的最大負荷相差均小于3%，說明篩管基管在射孔前后整體的強度變化范圍較小，射孔后篩管承載力仍滿足篩管強度要求，符合Q/HS 6007.3-2011篩管技術規范。

4 結束語

選取經濟性好、安全可靠的火力射孔作為篩管內開孔技術，確定開孔臨界尺寸、射孔原則，并與射孔設備進行匹配。通過數值模擬及物模試驗分析水平井篩管基管在不同射孔參數下射孔前后的強度變化，驗證了射孔后基管的整體強度變化符合技術規范，承載力滿足篩管強度要求，為“封隔體控水”新工藝的現場應用提供了理論及數據支撐。