膨脹篩管防砂技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

膨脹篩管防砂技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

1997年初，預(yù)防膨脹砂巖飛片（簡稱擴(kuò)張波管）首次在曼塔赫富特的五井中應(yīng)用，兩年半后無砂現(xiàn)象。之后,該技術(shù)迅速普及到世界各地,包括北海、東南亞及中國海上油田等。膨脹篩管曾在多種油氣井內(nèi)使用,包括水平井(水平井段最長1219m)、大位移井、多底井、分支井和常規(guī)生產(chǎn)井。1999年,中國海洋石油總公司與美國菲利普斯公司在渤海海域合作發(fā)現(xiàn)了蓬萊19-3大油田,油藏主要分布在明化鎮(zhèn)組底部和館陶組地層,垂深1500m左右。根據(jù)油藏邊水錐進(jìn)的特點(diǎn),首次在渤海灣優(yōu)化使用膨脹篩管防砂工藝(即在套管內(nèi)射孔段或裸眼的目的層段下入膨脹篩管,然后用膨脹工具將膨脹篩管膨脹,使其緊貼于井壁或套管內(nèi)壁用來防砂),并獲得成功,為進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1膨脹篩法的原理和優(yōu)勢1.1引鞋+膨脹底部接頭+盲管+管串掛組成不論裸眼或套管內(nèi)完井,膨脹篩管管串的基本組成為:引鞋+膨脹底部接頭+膨脹篩管+膨脹頂部接頭+(盲管)+管串掛,裸眼完井中盲管作為重疊段,套管內(nèi)完井則不需要。1.2膨脹篩管的排列膨脹篩管由割縫鋼管、防砂篩布和預(yù)割縫鋼板三部分組成,材質(zhì)均為316L。割縫鋼管為內(nèi)層基管;防砂篩布為膨脹篩管的主要防砂部分,有四種可選擇的規(guī)格:270μm,230μm,175μm和150μm,根據(jù)油藏地層砂的粒度大小選擇合適的防砂篩布,選擇原則是地層砂粒度D50值的5~6倍,共四片篩布,按相同順序重疊排列,篩布一側(cè)焊接在基管上,另一側(cè)為自由端,在膨脹作業(yè)中,防砂篩布的重疊面積減小,膨脹后防砂篩布的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變化,因此能保證篩布的防砂效果;預(yù)割縫鋼板為外層保護(hù)管,在膨脹管串過程中,保護(hù)防砂篩布不破損。絲扣連接方式并配有4個(gè)防旋轉(zhuǎn)的螺栓銷釘,接頭和本體具有同樣的可膨脹性。在膨脹篩管的膨脹過程中,基管和外層預(yù)割縫鋼板會(huì)發(fā)生塑性變形,膨脹到要求的尺寸,重疊的防砂篩網(wǎng)自由向外伸展。膨脹之后,有效過流面積比膨脹之前增加30%~60%。膨脹篩管原始尺寸?φ73.025~?φ139.700mm,膨脹范圍?φ98.425~?φ231.775mm,最大膨脹率約為篩管原始尺寸的1.8倍。例如:?φ139.700mm膨脹篩管,膨脹范圍?φ212.725~?φ231.775mm,最大膨脹率為1.66倍,其壁厚24.892mm。膨脹篩管的顯著特點(diǎn)是整個(gè)篩管總成膨脹后尺寸相同,包括接頭處,流體能夠均勻通過篩管。而且管串的剛性低,柔韌性強(qiáng),例如:?φ101.6mm的膨脹篩管能夠順利通過狗腿度42°/30m的井段。1.3用于膨脹設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理1.3.1膨脹工具的設(shè)計(jì)錐形膨脹工具(FixedConeExpansionTool)由上下心軸和膨脹環(huán)組成,膨脹環(huán)通過上下心軸絲扣連接固定,組合在膨脹管柱的最下端,膨脹管柱根據(jù)井的特點(diǎn)設(shè)計(jì)。膨脹的主要部位是錐形膨脹環(huán),膨脹環(huán)可以根據(jù)井況或套管內(nèi)徑的不同,選擇不同的直徑尺寸,例如:?φ139.7mm膨脹篩管,錐形膨脹工具的膨脹環(huán)選擇范圍:?φ174.625~?φ190.500mm,共5種,直徑增量為3.175mm。膨脹工具心軸上設(shè)計(jì)有循環(huán)孔,必要時(shí)可以循環(huán)沖洗膨脹環(huán)。特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單;膨脹環(huán)的尺寸可以更換;有循環(huán)孔,可以循環(huán);最下端為錐形引鞋;膨脹環(huán)的材質(zhì)為碳化鎢硬質(zhì)合金,增強(qiáng)耐磨性。一次膨脹后,膨脹篩管與套管之間有一定的間隙,該間隙的大小因井況不同而不同。通過液壓膨脹工具二次膨脹就可徹底將篩管膨脹在套管內(nèi)壁上。1.3.2膨脹篩管的膨脹設(shè)備液壓膨脹工具(AxialCompliantExpansionTool)主要由本體、膨脹滾珠總成和可調(diào)節(jié)噴嘴組成。膨脹原理是在地面通過鉆井泵施加一定的壓力,膨脹滾珠在液壓的作用下向外運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生一側(cè)向力完成膨脹篩管的膨脹。工具內(nèi)裝有尺寸匹配的噴嘴,大部分的壓力將產(chǎn)生在噴嘴處,保證滾輪能產(chǎn)生足夠的側(cè)向力來膨脹篩管。例如:?φ139.7mm液壓膨脹工具的噴嘴直徑為8.73mm,工作壓力11MPa,滾珠產(chǎn)生的側(cè)向力為29000N。根據(jù)套管和膨脹篩管的摩擦系數(shù)、井筒內(nèi)的液體性質(zhì)以及膨脹篩管的要求,通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出膨脹篩管從頂部接頭至底部接頭的最大承壓能力,并根據(jù)鉆壓及篩管尺寸選擇鉆鋌的尺寸及數(shù)量。1.4擴(kuò)張篩管的優(yōu)點(diǎn)1.4.1井下管柱區(qū)域1)膨脹后緊貼井壁(或套管),可防止地層砂的運(yùn)移,從而避免了由于地層砂重新分布而形成近井眼低滲透帶;膨脹篩管還對地層起支撐的作用,防止井壁坍塌。2)防砂效果可靠,現(xiàn)場施工簡單,不需要大型地面設(shè)備,有利于在水平井、大位移井、多底井和水平分支井中推廣應(yīng)用。3)防砂之后的井下管柱內(nèi)徑大,過流面積大,減小了近井眼的壓降損耗,管柱內(nèi)徑大還有利于后續(xù)的修井作業(yè)。4)節(jié)省一層油層套管,減小完井作業(yè)對地層的傷害。5)縮短完井周期,節(jié)約完井成本。6)能和管外封隔器配合實(shí)現(xiàn)分層開采和地層卡水作業(yè),可用于多層系油水互層油田開發(fā)。7)能有效降低表皮系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì),礫石充填井的表皮系數(shù)一般大于10,而膨脹篩管防砂井表皮系數(shù)一般小于5。1.4.2膨脹篩管防砂機(jī)理1)若井眼極不規(guī)則,對于井徑縮小處,膨脹篩管會(huì)壓實(shí)近井地帶,生產(chǎn)時(shí)不易恢復(fù)地層原始狀態(tài);對于井徑擴(kuò)大處,無法實(shí)現(xiàn)篩管與井壁或套管環(huán)空的“零間隙”,影響防砂效果。2)在篩管膨脹過程中,若遇井壁坍塌等復(fù)雜情況致使膨脹中斷,很難得到圓滿處理。3)膨脹篩管不適用于所有出砂地層,應(yīng)針對不同地層的出砂機(jī)理,選用最合理的防砂方法。4)膨脹篩管的接頭和本體的抗拉和抗扭強(qiáng)度低,且不能循環(huán)鉆井液,遇阻和遇卡的處理手段受限制。2射孔作業(yè)井段渤海蓬萊19-3油田目前在10口井中應(yīng)用了膨脹篩管。若為套管井,應(yīng)先進(jìn)行刮管作業(yè),保證套管內(nèi)壁光滑,在設(shè)計(jì)井段進(jìn)行射孔作業(yè),根據(jù)射孔段的長度和深度,調(diào)整好可膨脹篩管的組合,要求膨脹篩管上下覆蓋射孔段3~5m;若為裸眼井,應(yīng)先通井,以保證井眼規(guī)則,然后下膨脹篩管。筆者以A18井裸眼完井為例,對膨脹篩管的現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。該井最大井斜角為57.38°,井深1935m。2.1封管串掛下鉆至設(shè)計(jì)深,進(jìn)行伽馬測井校深,以確定管串掛的坐封位置。然后投球,憋壓坐封管串掛。下鉆過程中禁止旋轉(zhuǎn)管串,且遇阻不能超過100kN,以防止剪斷螺栓和損壞膨脹篩管柱;如需要循環(huán),壓力不能超過3.5MPa,以防止管串掛提前坐掛;下放速度控制在10m/min以內(nèi)。管串掛的坐封位置應(yīng)避開套管接箍。2.2膨脹篩管計(jì)數(shù)膨脹篩管分兩步進(jìn)行,先使用錐形膨脹工具膨脹篩管,再使用液壓膨脹工具?，F(xiàn)場作業(yè)時(shí)選擇套管摩擦系數(shù)0.3,膨脹篩管摩擦系數(shù)0.4,模擬計(jì)算出最大的膨脹鉆壓。優(yōu)化鉆具組合:?φ168.275mm錐形膨脹工具+?φ165.1mm扶正器+?φ120.65mm鉆鋌×1根+?φ165.1mm扶正器+?φ120.65mm鉆鋌×30根+?φ139.7mm鉆桿。2.2.1篩管膨脹作業(yè)組合錐形膨脹工具,下鉆至膨脹篩管管串掛以上60m左右,減慢下放速度,開泵探膨脹篩管頂部接頭在井深1620.5m處。加鉆壓約100~200kN,開始進(jìn)行篩管膨脹作業(yè),控制膨脹速度小于3~5m/min,防止速度太快,造成篩管未完全膨脹或者撕裂篩管。起鉆時(shí)控制膨脹工具通過篩管接頭和封隔器部位時(shí)的速度不宜太快。2.2.2膨脹鉆壓機(jī)構(gòu)組合液壓膨脹工具,下鉆至頂部接頭處,探頂部接頭位置在井深1620.5m處。開泵,開始膨脹篩管,最大的膨脹鉆壓為200kN,在正常膨脹鉆壓50~100kN范圍內(nèi)控制膨脹速度3~5m/min。膨脹至底部接頭位置,停泵起鉆。A18井的井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。3風(fēng)險(xiǎn)分析及現(xiàn)場應(yīng)用3.1膨脹工具的修正1)下篩管過程中如發(fā)生溢流,應(yīng)接變扣接頭,下鉆桿,保證篩管管串在防噴器以下,進(jìn)行井控作業(yè)。2)封隔器已坐封,但不能膨脹。首先確定膨脹工具的位置是否正確,然后施加最大允許鉆壓300kN。否則開泵循環(huán)沖洗碎屑,重新膨脹。3)膨脹力過高的問題。正常膨脹力為200kN左右,如需更高膨脹力,最高不能超過350kN。如循環(huán),最大排量400L/min,時(shí)間控制在1~2min。4)坐封封隔器前,有問題需起鉆。要小心處理,坐好卡瓦和安全卡瓦,卸下4個(gè)緊固螺栓,卸扣檢查絲扣,使用提升短節(jié)安全吊走。3.2現(xiàn)場應(yīng)用效果逢萊19-3油田已投入生產(chǎn)井的情況表明:單井日產(chǎn)液量平均為2