酸溶開孔篩管支撐完井工藝研究及應(yīng)用

柳志翔 李會會 鄒偉 萬小勇 王沖 馬丁

為應(yīng)對順北斷控油氣藏支撐完井管柱無法穿越破碎帶難題，研發(fā)了以高抗扭油管、酸溶開孔篩管和高抗扭液壓丟手為關(guān)鍵技術(shù)的“酸溶開孔篩管”支撐完井工藝。設(shè)計的高抗扭油管和丟手器，滿足下入期間旋轉(zhuǎn)、鉆磨對管柱抗扭能力的要求；設(shè)計的酸溶開孔篩管，初始狀態(tài)管體完全密封，完井液可循環(huán)至底端鉆頭，滿足鉆磨時沖洗鉆頭的要求，而注酸溶解可溶塞后管體變成帶孔的篩管，又可滿足儲層改造和生產(chǎn)時大排量通道要求。通過開展一系列承壓、耐鹽、耐堿和酸溶等試驗驗證了工藝的可靠性。現(xiàn)場應(yīng)用表明，酸溶開孔篩管支撐完井工藝有效解決了破碎帶難以穿越的問題，已在現(xiàn)場應(yīng)用6井次，支撐管柱到位率100%。該工藝簡單可靠、便于現(xiàn)場操作，且與傳統(tǒng)工藝相比，單井提高時效53.6%，節(jié)約費用90.0%。該成果可為其他類似井選擇完井工藝提供參考。

破碎帶；支撐完井；高抗扭；酸溶開孔篩管；可溶塞

TE257

Research and Application of Acid Soluble Tapping Screen

Support Completion Technology

In order to solve the problem that the support completion string cannot pass through the broken zone in the Shunbei fault-controlled reservoir，an “acid soluble tapping screen” support completion technology taking high torsional tubing，acid soluble tapping screen and high torsional hydraulic release as key technologies was developed.The designed high torsional tubing and releaser meet the requirements for the rotation and milling on the torsional resistance of string during RIH；the designed acid soluble tapping screen is completely sealed at initial state，the completion fluid can be circulated to the bit at bottom hole and meet the requirements of flushing bit during milling，while the screen becomes perforated screen after the soluble plugs have been dissolved by acid injection，which meets the requirements of large displacement channel during reservoir transformation and production.By means of conducting a series of pressure bearing，salinity tolerance，alkali resistance and acid soluble tests，the reliability of the technology has been verified.Field application shows that the acid soluble tapping screen support completion technology effectively solves the problem of difficult passage through the broken zone；and the in-position rate of support string is 100% in field application of 6 wells/times.This technology is simple，reliable and easy to operate on site；furthermore，compared with traditional technology，it improves time efficiency of single well by 53.6% and saves cost by 90.0%，so it provides reference for the selection of completion technology for other similar wells.

broken zone；support completion；high torsional；acid soluble tapping screen；soluble plug

0 引 言

順北超深碳酸鹽巖油氣藏不僅具有超深（7 500～9 000 m）、超高溫（157～180 ℃）、超高壓（86～100 MPa）特征，而且是典型的斷溶體結(jié)構(gòu)，斷裂帶可以劃分為中心破碎區(qū)（斷層核）、包圍破碎帶周邊裂縫帶（斷層角礫帶和裂縫儲集體）及外部基質(zhì)巖石帶（圍巖區(qū)）［1-2］。

近年來，隨著井眼軌跡設(shè)計理念逐漸向穿斷層核部轉(zhuǎn)變，油氣井鉆遇破碎帶概率大大提高。鉆遇破碎帶的油氣井，采用裸眼完井工藝時井壁會發(fā)生垮塌、掉塊［3-6］，不僅給完井作業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)，而且會造成開井測試期間井筒堵塞，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致油氣井停產(chǎn)。例如，X4-1H井試油期間井筒垮塌，被迫提出完井管柱，重新下鉆具處理井筒時又發(fā)生卡鉆，導(dǎo)致該井眼最終報廢，只能進(jìn)行側(cè)鉆，造成建產(chǎn)時間滯后約89 d、建設(shè)成本增加約1 500萬元、油氣產(chǎn)能損失約2.85萬t，嚴(yán)重阻礙順北油氣田規(guī)?；_發(fā)進(jìn)程。雖然采用支撐完井工藝可以有效保證井壁完整性［7-12］，但常規(guī)支撐完井工藝下部支撐管柱的管體為普通的套管或油管，包括常用丟手器在內(nèi)，抗扭能力僅9 860 N·m，無法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、沖劃功能。鉆遇破碎帶井不僅通井時頻繁遇阻，耗時長、卡鉆風(fēng)險高，而且即使經(jīng)過多次通井仍無法保證完井管柱能順利到位。為了解決這個技術(shù)難題，先后提出了“打孔鉆桿+機械丟手器”和“鉆具鉆磨至井底+穿孔+切割”2種方案，但這2種方案分別存在到位率低，穿孔、切割作業(yè)風(fēng)險高，作業(yè)時間長，費用高等問題。

因此，亟需研發(fā)一種適用于穿破碎帶的新型支撐完井工藝，要求管柱不僅可完成下入期間的旋轉(zhuǎn)、沖劃作業(yè)，而且又滿足儲層改造和生產(chǎn)期間大排量通道的需求。為此，筆者研發(fā)了以高抗扭油管、酸溶開孔篩管和高抗扭液壓丟手器為關(guān)鍵技術(shù)的“酸溶開孔篩管”支撐完井工藝。研究結(jié)果可為其他類似井選擇完井工藝提供參考。

1 酸溶開孔篩管支撐完井工藝原理

酸溶開孔篩管支撐完井工藝的核心技術(shù)是高抗扭液壓丟手器、高抗扭油管和酸溶開孔篩管，以此來實現(xiàn)管柱下入期間具備旋轉(zhuǎn)、沖劃功能以及滿足儲層改造和測試生產(chǎn)時對流動通道的需求。管柱結(jié)構(gòu)從下到上依次是鉆頭+酸溶開孔篩管+高抗扭油管+高抗扭液壓丟手器+送入鉆具。管柱下入期間，一方面高抗扭油管和高抗扭液壓丟手器的抗扭能力滿足旋轉(zhuǎn)、沖劃處理井筒要求；另一方面，初始狀態(tài)酸溶開孔篩管孔眼完全封堵，又滿足鉆磨時完井液循環(huán)沖洗鉆頭要求。這2方面保證了支撐管柱可順利下至設(shè)計位置，如圖1a所示。管柱到位后，注酸溶解篩管孔眼內(nèi)的可溶塞后又可建立井筒和地層間的流動通道，滿足后期大排量儲層改造和生產(chǎn)需求，如圖1b所示。溶塞成功后，投球至高抗扭液壓丟手內(nèi)部球座上，井口加壓實現(xiàn)丟手，將上部送放鉆具提出井筒，如圖1c所示。

酸溶開孔篩管支撐完井工藝關(guān)鍵工具性能要求如下：

（1）為了實現(xiàn)管柱下入過程可旋轉(zhuǎn)或沖劃處理井筒內(nèi)遇阻點，高抗扭油管和高抗扭液壓丟手器的抗扭能力應(yīng)不低于鉆具鉆井時的旋轉(zhuǎn)扭矩值12 000 N·m。

（2）為了保證鉆磨時完井液可循環(huán)沖洗至鉆頭位置，要求酸溶開孔篩管孔眼在注酸前應(yīng)處于封堵狀態(tài)，且根據(jù)鉆頭鉆進(jìn)時壓降0.15～5.00 MPa，安全系數(shù)設(shè)為2，整個管柱內(nèi)部承壓應(yīng)不低于10 MPa。

（3）完井時作業(yè)環(huán)境為鉆井液或鹽水，根據(jù)順北超深井下支撐管柱所用時間，要求可溶塞在鉆井液和鹽水中性能穩(wěn)定應(yīng)不少于7 d；考慮到后期儲層改造和生產(chǎn)對大流動通道的需求，要求可溶塞在酸液中可快速溶解。

2 關(guān)鍵技術(shù)及可靠性試驗評價

2.1 高抗扭油管

由于特殊的螺紋齒形、扭矩臺肩和螺紋結(jié)構(gòu)，BGTS螺紋的抗扭能力超過20 000 N·m，所以選擇BGTS螺紋的油管作為下部支撐管柱的管體，具體性能參數(shù)如表1所示。

2.2 酸溶開孔篩管

2.2.1 酸溶開孔篩管孔眼設(shè)計

酸溶開孔篩管以高抗扭油管為本體，孔眼設(shè)計：孔徑8.3 mm、相位90°、10孔/m，每根螺旋分布80孔。為了使酸溶開孔篩管的過流面積與管體全通徑過流面積相當(dāng)，余量系數(shù)為0.6時，建議單井次作業(yè)最少配3根酸溶開孔篩管。

2.2.2 酸溶開孔篩管可溶塞設(shè)計

魏波等［13-15］設(shè)計的可溶篩管的可溶塞在鉆井液和鹽水中穩(wěn)定時間較短，且依靠橡膠件密封，不適用順北作業(yè)環(huán)境。因此，開展了可溶塞材質(zhì)優(yōu)選和密封結(jié)構(gòu)、溶解液配方設(shè)計等工作。

（1）材質(zhì)優(yōu)選。對比鉻鉬鋼、鎂合金、鋁合金等材質(zhì)，發(fā)現(xiàn)鋁合金滿足耐堿（鉆井液）、耐鹽和快速酸溶的要求，如表2所示，且通過室內(nèi)試驗進(jìn)一步驗證鋁合金滿足設(shè)計要求。

試驗1：分別將鎂合金和鋁合金放在密度1.45 g/m3的鉆井液中加熱至180 ℃，鎂合金恒溫5 d基本溶解，而鋁合金恒溫10 d質(zhì)量基本沒變，證實鋁合金材質(zhì)滿足耐堿（鉆井液）性要求。

試驗2：將鋁合金放在密度1.35 g/m3的CaCl2鹽水中加熱至180 ℃并恒溫10 d，質(zhì)量仍未發(fā)生變化，證實其滿足耐鹽性要求。

試驗3：常溫下將鋁合金放入交聯(lián)酸中，發(fā)現(xiàn)其腐蝕速度為8.15%/h，證實其滿足可酸溶要求，如圖2所示。

（2）溶解液配方設(shè)計?？扇苋诮宦?lián)酸中完全溶解時間較長，不滿足高效完井要求，需對溶解液配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。常溫下，開展鋁合金可溶塞在20%鹽酸、20%鹽酸+1%鐵離子穩(wěn)定劑溶劑和20%鹽酸+2%緩蝕劑+1%鐵離子穩(wěn)定劑溶劑中的溶解試驗。試驗發(fā)現(xiàn)鐵離子穩(wěn)定劑溶劑對酸溶速度影響較小，可忽略不計；而緩蝕劑對其影響較大，但完全溶解時間仍不超過3 h，如圖3所示。因此，為了同時保證完井時效和井筒完整性，溶解液的配方定為20%鹽酸+2%緩蝕劑+1%鐵離子穩(wěn)定劑。

（3）密封結(jié)構(gòu)優(yōu)選。對比金屬錐面密封、密封圈密封和螺紋密封（見表3），發(fā)現(xiàn)螺紋密封在密封可靠性和加工操作上優(yōu)于其他密封結(jié)構(gòu)，且無橡膠密封件，不受溫度限制。因此，選擇螺紋（1/8 in的NPT）扣作為密封結(jié)構(gòu)，且通過室內(nèi)試驗證實其密封可靠性。

將安裝可溶塞的酸溶開孔篩管加熱至204 ℃并恒溫，內(nèi)部分級加壓至51.8 MPa穩(wěn)壓15 min，壓降小于3%，承壓試驗合格，如圖4所示。

2.3 高抗扭液壓丟手器

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

高抗扭液壓丟手器結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由扭矩傳遞機構(gòu)、浮閥和丟手機構(gòu)組成。

高抗扭液壓丟手器兩端的扣型可根據(jù)實際需求加工為BGTS或鉆桿等高抗扭螺紋。止轉(zhuǎn)環(huán)與下部凸耳組成花鍵結(jié)構(gòu)，不僅將上部管柱的扭矩傳遞給下部管柱且抗扭能力可達(dá)20 000 N·m，完全滿足管柱處理井筒時的旋轉(zhuǎn)和沖劃需求。除此之外，該丟手器設(shè)計了“上球座，下浮閥”結(jié)構(gòu)，球座與球配合實現(xiàn)憋壓、丟手，且丟手后仍可持續(xù)密封傳壓，直至將下接頭完全推離，大大增強丟手的可靠性；浮閥為單流閥，在送放管柱下入和丟手后上提期間均能起到內(nèi)防噴作用，大大提高井控安全性。

2.3.2 工作原理

（1）下入過程若管柱遇阻，上接頭的扭矩通過花鍵結(jié)構(gòu)傳遞給下接頭，并帶動下部管柱一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鉆頭沖劃處理井筒；而浮閥可有效防止油氣進(jìn)入管柱內(nèi)部，有效保證了高風(fēng)險井的井控安全，如圖6a所示。

（2）到位注酸溶塞后，投球入座。井口加壓推動球座下行，并帶動閥座、限位環(huán)等一起下行，剪斷丟手剪切銷釘后繼續(xù)下行；當(dāng)限位環(huán)抵達(dá)下接頭內(nèi)筒臺階時，棘爪解鎖釋放并與下接頭分離，實現(xiàn)丟手，如圖6b所示。

（3）液壓推動球座繼續(xù)下行，當(dāng)上部密封件下行到外套擴徑處密封性失效，同時C型環(huán)釋放，防止球座回退；不僅將下接頭完全推離，且地面可通過壓力突降確認(rèn)丟手成功，如圖6c所示。

（4）丟手后浮閥隨送放管柱提出，再次保證井控安全；留井部分為規(guī)則圓筒，方便后期打撈或回插，如圖6d所示。

2.3.3 主要技術(shù)參數(shù)

高抗扭液壓丟手器的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

2.3.4 試驗驗證

試驗1：液壓丟手器反向承壓試驗。

204 ℃高溫環(huán)境下，試壓介質(zhì)為導(dǎo)熱油，內(nèi)部反向分級加壓至51.7 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓降小于3%，反向承壓合格，如圖7所示。

試驗2：液壓丟手器抗扭矩試驗。

常溫下，將花鍵結(jié)構(gòu)上下部分用扭力機施加扭矩至20 000 N·m，連續(xù)3次，止轉(zhuǎn)環(huán)、釋放爪和花鍵均無損壞，承扭矩試驗合格。

試驗3：液壓丟手器丟手試驗。

204 ℃高溫下，導(dǎo)熱油為介質(zhì)，提前置入鋼球（直徑44.45 mm），內(nèi)部加壓至21.9 MPa，壓力突降確認(rèn)丟手，且降溫后取出工具檢查進(jìn)一步證實丟手成功，功能試驗合格，如圖8所示。

3 工藝現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 X5CH井應(yīng)用情況

X5CH井完鉆井深7 389 m，鉆井過程中出現(xiàn)多次漏失、放空等鉆遇破碎帶顯示，且井口出現(xiàn)溢流、見油氣等井控高風(fēng)險現(xiàn)象。該井6 600 m以后狗腿度和井徑擴大率變化頻繁，且存在33 m泥巖裸露段，電測和通井作業(yè)中多次遇阻，故選擇酸溶開孔篩管支撐完井工藝。井身結(jié)構(gòu)如圖9所示。

下部支撐管柱組合：高抗扭液壓丟手器+高抗扭油管+酸溶開孔篩管（開孔位置：6 440～7 040 m）+鉆頭。下至6 800 m遇阻，開泵沖劃至設(shè)計井深7 041 m，排量0.39 m3/min、泵壓8 MPa、轉(zhuǎn)速20 r/min、鉆磨扭矩6 000～7 000 N·m。循環(huán)排后效后管柱內(nèi)正注前置液5 m3+酸液4 m3+隔離液5 m3+密度1.26 g/cm3的鉆井液32.5 m3（泵壓18 MPa，排量1.02 m3/min），酸液所在位置6 440～7 040 m。關(guān)井觀察80 min后進(jìn)行吸水測試，顯示相同排量下泵壓明顯降低，判斷可溶塞溶解，如圖10所示。投45 mm鋼球，候球入座后加壓至19 MPa突降至0，同時懸重從186 t降至173 t，判斷丟手，送放管柱提出地面后進(jìn)一步證實丟手成功。該井穩(wěn)產(chǎn)期獲124 t/d的高產(chǎn)。

3.2 不同破碎帶支撐完井工藝對比

目前，酸溶開孔篩管支撐完井工藝在順北油氣田累計應(yīng)用6井次，到位率由73.7%提升至100%，且與“打孔鉆桿+機械丟手器”和“鉆具穿孔+切割鉆桿”等傳統(tǒng)工藝相比，單井作業(yè)時間節(jié)約53.6%，施工費用降低90.0%，如表5所示。

4 結(jié) 論

（1）酸溶開孔篩管支撐完井工藝依靠高抗扭油管、高抗扭丟手和酸溶開孔篩管技術(shù)，成功解決襯管穿越破碎帶的難題，下入成功率100%。

（2）可溶塞材質(zhì)選擇鋁合金，滿足耐堿（鉆井液）、耐鹽水、可酸溶的要求，且為了同時實現(xiàn)可溶塞快速溶解和井筒完整，溶解液配方為20%鹽酸+2%緩蝕劑+1%鐵離子穩(wěn)定劑溶液。

（3）高抗扭液壓丟手器不僅抗扭能力高，滿足管柱旋轉(zhuǎn)、沖劃處理井筒要求，且內(nèi)帶浮閥，同時保證油氣活躍高風(fēng)險井起下鉆期間的井控安全。

（4）酸溶開孔篩管支撐完井工藝不僅到位率高、作業(yè)周期短、施工費用低，且操作方便，可在國內(nèi)同類型油氣田推廣應(yīng)用。

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