水平井筛管分段喷射解卡工具研制与试验
刘言理     
中国石油大港油田分公司石油工程研究院, 天津 300280
摘要: 针对水平井失效筛管与套管之间充满砂而无法实现筛管快速解卡打捞的问题,自主设计研制了导流式小直径喷射装置和一体式多级封隔冲砂装置,形成了水平井筛管分段喷射解卡工艺。利用导流式小直径喷射装置在失效筛管内壁预定位置进行喷砂射孔,然后在相邻孔眼之间下入一体式多级封隔冲砂装置进行分段冲砂,反洗出筛管和油层套管之间的环空砂,实现水平井长筛管任意位置的分段解卡。室内试验得到的最佳筛管喷射参数为:排量300~400 L/min,砂比3%~5%,磨料粒径0.425~0.850 mm,施工压力16~25 MPa,喷射时间10 min。该技术在大港滩海油田埕海一区的4口井进行了现场试验,喷射孔眼直径达14.0~18.0 mm,建立了有效的冲砂通道,筛管解卡成功率达100%,失效筛管均成功打捞。研究认为,水平井筛管分段喷射解卡工具的成功研制,为水平井等复杂结构井失效长筛管的解卡打捞难题提供了一种全新的解决方法,应用前景广阔。
关键词: 失效筛管     喷射式     分段解卡     小直径     快速打捞     滩海油田    
The Development and Testing of a Screen Multi-Stage Jetting and Unfreezing Tool for Horizontal Wells
LIU Yanli     
Petroleum Engineering Research Institute, PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin, 300280, China
Abstract: Failed screens are often stuck by sand between the screen and the casing in horizontal wells.There are many difficulties that occur in conjunction with the rapid releas of the stuck tool and fishing processes.So, to solve the problem, a diversion-type small-diameter jetting device and integrated multi-stage sealing and sand-washing device were independently designed and developed.Their main purpose is toact as a screen for multi-stage jetting and unfreezing technology in horizontal wells.The diversion-type small-diameter jetting device is used to perform sandblasting perforation at the predetermined positions on the inner wall of failed screen.After the well has been perforated, an integrated multi-stage sealing and sand-washing device is run and set between the adjacent holes to perform staged sand-washing to reversely wash out the sand between the screen and production casing.This will effectively release the stuck long screen at any position.The results of lab tests showed that the optimal screen jetting parameters include flow rate of 300-400 L/min, sand ratio of 3%-5%, abrasive particle size of 0.425-0.850 mm, working pressure of 16-25 MPa, and jetting period of 10 min.This technology has been field tested in four wells in the Chenghai No.1 area of the Dagang seabeach oilfield.The diameter of perforated hole was 14.0-18.0 mm, and an effective sand-washing channel was established.The success rate of the screen releasing was 100%, and all the failed screens were retrieved effectively.The successful development of the multi-stage jetting and unfreezing tool for horizontal wells has provided a brand-new solution for the releasing and fishing of stuck long screens in complex wells.The technique is effective in horizontal wells and it exhibits very good prospects for its application and deployment.
Key words: failed screen     jetting type     staged releasing     small diameter     rapid fishing     seabeach oilfield    

海上油田由于井位有限,为获得较高产量多采用水平井或大斜度井开发,井身结构复杂。大港滩海油田埕海一区主力含油层系为沙河街组和馆陶组,出砂较为严重,均采用悬挂筛管或砾石充填完井。目前近30%的油井筛管防砂失效,需要进行筛管打捞作业,然后进行二次防砂完井。在筛管打捞过程中出现了筛套环空被充填砾石和地层砂堵住,导致筛管无法拔出的情况,常规的直井套铣打捞工艺在水平井中由于套铣筒长度过长而无法使用。因此急需研制一套水平井筛管解卡工具,实现水平井失效长筛管的快速打捞。沙磊等人[1-2]研究了井下液力提拉解卡打捞技术,通过液压锚定装置和液压拉拔装置提高有效解卡力;李贵川等人[3-9]研究了防砂管柱水力内切割等技术,采用水力与机械联合控制的方式对失效筛管进行切割,然后分多次打捞。但上述方法都无法实现对水平井较长筛管任意位置的分段解卡,无法将筛套环空中的砂清除干净,致使筛管在打捞过程中仍存在较高的砂卡风险;且上述打捞工具结构复杂,加工成本高。为此,笔者研制了导流式小直径喷射装置和一体式多级封隔冲砂装置,并与小直径冲管、ϕ73.0 mm油管、专用吊卡等配合使用,形成了水平井筛管分段喷射解卡工艺,实现了水平井失效筛管的快速解卡打捞。

1 筛管分段喷射解卡工具的研制 1.1 导流式小直径喷射装置

水平井完井筛管长度均在20.00 m以上,为建立有效的筛套环空砂清洗通道,筛管每隔5.00 m进行喷砂射孔。利用导流式小直径喷射装置在筛管壁上喷射出孔眼,通过孔眼将筛套环空中的砂清洗出来。

导流式小直径喷射装置主要由上接头、紫铜密封圈、厌氧锁固脂、橡胶密封圈、喷嘴、硬质合金涂层、本体、导流棒和导向头组成(见图 1)。其中上接头与本体采用螺纹连接,上接头螺纹端部安置橡胶密封圈实现一级密封,在螺纹上涂抹厌氧锁固脂实现二级密封和防转动的功能,在上接头外部台阶处安置紫铜密封圈实现三级密封。喷嘴采用硬质合金耐磨材质制作,与本体通过螺纹连接,喷嘴螺纹末端安置有橡胶密封圈,实现与本体之间的密封。喷嘴液流腔采用组合锥结构设计(如图 2所示),一级锥角设计为25°,二级锥角设计为13°,以实现磨料粒子充分加速,同时延长喷嘴寿命[10]。喷射装置内腔设计有导流棒,导流棒顶部采用90°圆锥设计,引导液体流向喷嘴,圆锥表面涂有硬质合金涂层,以降低磨损。导流棒与本体采用螺纹连接。该喷射装置的总长度为360.0 mm,外径为56.0 mm,内径为24.0 mm; 喷嘴内径为5.0 mm。

图 1 导流式小直径喷射装置 Fig.1 The diversion type small diameter jetting device
图 2 喷嘴结构 Fig.2 The nozzle structure
1.2 一体式多级封隔冲砂装置

在对筛管进行定点喷砂射孔后,进行分段冲砂作业,分段冲砂需要将相邻喷射孔眼封隔,因此设计了一体式多级封隔冲砂装置,通过四级封隔皮碗实现封隔。

一体式多级封隔冲砂装置主要由上接头、中心管、一级封隔皮碗、二级封隔皮碗、三级封隔皮碗、四级封隔皮碗、顶丝和导向头组成(见图 3),内腔为全通径。其中, 上接头与中心管为一体件,以充分保证机械强度,中心管外部加工有4段螺纹,4级封隔皮碗通过螺纹依次连接在中心管上。中心管相邻螺纹段之间为缩颈结构,封隔皮碗被压缩后紧贴缩颈,与上接头、导向头保持外径一致。同时设计了顶丝,以防止产生零件之间的相互转动。该冲砂装置的总长度为740.0 mm,皮碗最大外径为66.0 mm,刚体外径为56.0 mm,内通径为24.0 mm。

图 3 一体式多级封隔冲砂装置 Fig.3 Integrated multistage sealing sandwashing device

单个封隔皮碗结构[11]主要由皮碗本体、上顶丝、上锁环、硫化金属环、下锁环和下顶丝组成(见图 4)。其中,上锁环、硫化金属环及下锁环均通过螺纹与中心管连接,硫化金属环外表面加工有凹槽,通过硫化与皮碗本体成为一体。上锁环与下锁环将硫化金属环挤压在中间防止硫化金属环松动,同时设计了上顶丝和下顶丝使封隔皮碗结构成为一个不会发生松动和转动的整体。皮碗采用双级锥度组合,以提高入井顺畅程度,降低皮碗入井过程中的磨损。

图 4 封隔皮碗结构 Fig.4 The packer cup structure
2 工艺管柱结构

水平井筛管分段喷射解卡工具主要包括2套管柱结构,分别是小直径喷砂射孔管柱和一体式多级封隔冲砂管柱。

2.1 小直径喷砂射孔管柱结构

原井筒结构最外侧为油层套管,悬挂器坐挂在油层套管上,底部悬挂挡砂筛管,筛管与套管环空之间充填挡砂砾石,形成砾石充填层,实现以砂防砂。

小直径喷砂射孔管柱主要包括喷射装置、变扣接头、小直径冲管和油管,如图 5所示。其中,小直径冲管外径为56.0 mm,以确保可以进入ϕ73.0 mm筛管(内径为62.0 mm)内腔。小直径冲管总长度要大于失效筛管总长度,以便于喷射装置进入筛管内腔实现任意位置的喷砂射孔。同时,相邻两喷射孔眼距离要大于一体式多级封隔冲砂装置总长度,以实现有效封隔。喷砂射孔作业从下到上依次进行。

图 5 小直径喷砂射孔管柱 Fig.5 The small diameter sandblasting perforating string
2.2 一体式多级封隔冲砂管柱结构

一体式多级封隔冲砂管柱主要包括冲砂装置、变扣接头、小直径冲管和油管,如图 6所示。其中,冲砂装置刚体外径最大为56.0 mm,以确保可以进入筛管内腔,皮碗最大外径为66.0 mm,皮碗进入筛管内腔后与筛管内壁过盈紧贴实现封隔。冲砂流体流动方向如图 6中红色箭头所示,分段冲砂从上往下依次进行。

图 6 一体式多级封隔冲砂管柱 Fig.6 The integrated multistage sealing and sandwashing string
3 工作原理与技术特点 3.1 工作原理

将小直径喷砂射孔管柱下至预定位置,在失效筛管上进行喷砂射孔,射孔结束后上提管柱进行下一位置的喷砂射孔。全部点位喷砂射孔结束后起出小直径喷砂射孔管柱,下入一体式多级封隔冲砂管柱,使封隔皮碗位于相邻喷射孔眼之间,然后从油套环空泵入液体反循环冲砂,冲洗至出口无砂后下放管柱到下一冲砂段,重复冲砂过程。最终将筛管和油层套管之间的砂全部清洗出来,解除筛管外部砂卡,下一步下捞矛打捞,实现水平井失效筛管的快速解卡打捞。

3.2 技术特点

1) 实现了小直径筛管内部喷砂射孔。研制的导流式小直径喷射装置最大外径为56.0 mm,可以进入ϕ73.0 mm筛管内部,实现了任意设计位置的喷砂射孔作业,砂浆流动方向可控,避免了喷射磨料堆积堵塞。

2) 提高了长筛管打捞成功率。一体式多级封隔冲砂装置下至设计位置后通过在不同位置喷砂射孔建立冲砂通道,将长筛管外部的砂分段清洗干净,避免在上提筛管过程中发生砂卡,提高了长筛管的打捞成功率。

3) 降低了打捞力。由于将筛套环空中的砂清除干净,在上提筛管过程中,增加的悬重只是筛管的重量,避免了大修作业,确保了作业的经济、安全。

4 工艺流程

水平井筛管分段喷射解卡的工艺流程为:

1) 施工准备。向井筒内挤入一定量清水,关井扩散压力,使筛套环空间的砂变得松散。

2) 通井洗井。下入底部带橄榄形通井规、试压球座和泄油器的通井管柱通井至悬挂器顶部,到位后调整成洗井管柱。大排量反循环洗井直至进出口液体一致,洗井后对油管试压。

3) 内冲砂。下入底部带冲管的内冲砂管柱冲砂至筛管末端的丝堵位置,将防砂管柱内的沉积细砂冲洗干净。

4) 喷砂射孔。管柱组合为喷射装置+ϕ56.0 mm冲管+变扣接头+ϕ73.0 mm外加厚油管至井口。将喷嘴对准设计位置,接正洗管线,循环正常后加砂,砂比为5%~8%,同时计时10 min进行喷砂射孔,加砂结束后继续正洗顶替至出口无砂,调整管柱自下而上依次进行喷砂射孔。

5) 内冲砂。下入底部带冲洗头和ϕ56.0 mm冲管的内冲砂管柱冲至丝堵位置。大排量反循环洗井,直至出口无砂。

6) 分段封隔冲砂。管柱结构为封隔冲砂装置+ϕ56.0 mm冲管+变扣接头+ϕ73.0 mm外加厚油管至井口。进行反循环冲砂作业,封隔器分别在对应喷砂射孔位置以上2.00 m处,自上而下分段大排量反冲筛管外砂,每个点要求冲洗至出口无砂为止。

7) 起出分段封隔冲砂管柱,下入打捞管柱进行打捞筛管作业。

5 室内试验与参数优选

国内外许多学者针对套管喷砂射孔技术做过大量研究,较优的喷射参数为:排量600~800 L/min,砂比6%~8%,磨料粒径0.4~0.6 mm,施工压力30~40 MPa,喷嘴尺寸4.0~7.0 mm[12-16]。结合现场实际情况优选喷射参数,在实现对筛管高效喷砂射孔的同时避免对套管的损伤。现场单台泵车最大排量为500 L/min,优选排量300~400 L/min;砂比控制在3%~5%;磨料选用常见的石英砂,粒径0.425~0.850 mm;携砂液选用清水;现场泵车施工压力不允许超过25 MPa,优选16~25 MPa;设计2个喷嘴,直径为5.0 mm。

室内试验中,首先单独对筛管进行喷砂射孔试验,喷射2 min时ϕ73.0 mm筛管被射穿,5 min时筛管被完全射穿且继续喷射后喷射孔眼直径没有变化,最终射孔直径保持在13.0~18.0 mm。随后将ϕ73.0 m筛管放置在ϕ139.7 mm的短套管中,并将筛套环空填满直径为0.425~0.850 mm的陶粒,第一组试验中用喷射装置对筛管进行喷砂射孔,连续喷射5 min后停止喷射。拆除筛管检验喷射孔径和对套管的影响,发现筛管已射穿,孔径为11.0~13.0 mm,套管内壁没有损伤。第二组试验施工参数与第一组完全一致,连续喷射10 min,筛管完全射穿,孔径为14.0~18.0 mm,套管内壁没有损伤。第三组试验施工参数与第一组完全一致,连续喷射15 min,筛管完全射穿,孔径为14.0~18.0 mm,射孔孔径没有增大,套管内壁出现点蚀状损伤,但对套管整体强度几乎没有影响,喷嘴表面基本没有磨损,保持较好的完整性和可再用性。需要说明的是,由于筛管段及喷砂射孔位置对应油层,其套管本身已用射孔枪进行了射孔作业,即使在喷射施工过程中因对施工参数控制不精准而出现了喷伤套管的情况,对套管本体强度、井筒完整性及后续防砂施工等均不会产生影响。

试验结果表明,最佳筛管喷射参数为:排量300~400 L/min,砂比3%~5%,磨料粒径0.425~0.850 mm,施工压力16~25 MPa,喷射时间10 min。该套参数下能够实现筛管高效喷砂射孔,建立有效的大尺寸冲砂通道,同时可以通过控制喷射时间,避免对套管造成损伤。

6 现场试验 6.1 整体情况

大港滩海油田埕海一区庄海8断块高部位主力层位为沙河街组、馆陶组和明化镇组,地层岩石胶结疏松,在生产过程中出砂严重,多采用悬挂筛管完井或砾石充填完井。该区块水平井井身结构复杂,筛管失效后由于外部环空充满砂而导致打捞难度极大。水平井筛管分段喷射解卡工艺在该区块的4口停产井进行了现场试验(结果见表 1),喷砂射孔后解卡成功率100%,打捞成功率100%,实现了水平井失效筛管的快速解卡打捞,降低了施工成本,缩短了油井投产时间。

表 1 水平井筛管分段喷射解卡工艺现场试验结果 Table 1 Staged jetting screen releasing tool for horizontal wells and field application effect
井号 井深/m 井斜角/(°) 筛管长度/m 喷射点数 冲砂段数 喷射孔眼直径/mm 解卡情况 投产效果
庄海1# 3 321.00 76.9 45.9 6 5 14.0~16.0 成功解卡 日产油15.9 t
庄海2# 4 340.00 84.3 30.0 5 4 16.0~18.0 成功解卡 日产油20.5 t
庄海3# 4 163.00 78.9 27.0 5 4 16.0~18.0 成功解卡 日注水96.0 m3
庄海4# 3 950.00 90.7 20.0 4 3 14.0~16.0 成功解卡 日产油12.3 t

截至2017年11月底,4口井累计增油4 914.0 t,增注6 565.0 m3,应用效果和经济效益显著。下面以庄海1#井为例介绍现场具体试验情况。

6.2 典型井例

庄海8断块为疏松砂岩油藏,地层出砂严重,庄海1#井在2014年10月采用“筛管+砾石充填”方式完井,完井筛管管柱结构如图 7所示。该井在投产26个月后出砂严重、筛管防砂失效,为尽快恢复产能需打捞原井筛管后进行二次防砂完井。首先下入专用捞矛将悬挂器单独打捞出井,再用可退式捞矛对筛管进行多次打捞,在修井机提拉力达到650 kN的情况下未能将筛管捞出,判断筛套环空砂卡严重。分析后决定采用水平井筛管分段喷射解卡工艺解除筛管砂卡,实现失效筛管的快速有效打捞。

图 7 庄海1#井失效筛管管柱 Fig.7 Failed screen string in Well Zhuanghai 1#

喷射施工前对筛套之间充满砂的情况进行了确认,下入套铣筒,到达筛管顶部后遇阻,多次活动后仍无进尺。

喷砂射孔管柱下至预定位置后,在井深3 164.00,3 157.00,3 148.00,3 140.00,3 132.00和3 124.00 m的6个位置自下而上依次进行喷砂射孔,喷射过程中排量为300~400 L/min,砂比为3%~5%,磨料粒径为0.425~0.850 mm,施工压力为16~25 MPa,每个点位喷砂射孔10 min。喷射结束后下入内冲管柱将筛管内腔的砂冲洗出来,然后下入分段封隔冲砂管柱,封隔皮碗分别在对应喷砂射孔位置以上2.00 m处封隔,自上而下分段大排量反冲洗筛管外的砂,在出口处用滤网收集砂,共计收集0.33 m3砂,与筛套环空实际容积匹配,由此可以判断筛管外的砂已被完全冲洗干净。同时再次下入10.00 m套铣筒验证冲砂效果,套铣筒到达筛管顶部未遇阻,顺利将第一根筛管完全套住,证明筛套环空中的砂确实已冲洗干净。

下入捞矛打捞失效筛管,管柱原悬重220 kN,顺利将管柱提起后管柱悬重稳定在250 kN,说明整个筛管串已完全解卡。后测量起出筛管的喷射孔眼,发现喷射孔眼直径在14.0~16.0 mm,说明建立了筛套环空砂的有效流动通道,喷砂射孔效果较好。

该井随后进行了二次防砂完井,油井投产后初期日产油15.9 t,日产液49.4 m3,截至2017年11月底已稳定生产216 d,共计增产原油2 218.0 t,经济效益显著。

7 结论与建议

1) 研制的导流式小直径喷射装置优化了砂浆的流动方向,延长了工具的使用寿命,可顺利进入ϕ73.0 mm筛管内腔实现喷射射孔。研制的一体式多级封隔冲砂装置整体机械强度高,皮碗封隔效果可靠,结构简单,组装方便。

2) 水平井筛管分段喷射解卡工艺喷砂射孔效果和冲砂效果较为理想,可建立有效的冲砂通道并解除筛管外部砂卡,实现水平井较长筛管任意位置分段解卡和水平井等复杂结构井失效筛管的快速打捞。

3) 该技术在大港滩海油田4口水平井进行了现场试验,大大降低了作业成本、缩短了施工周期,经济效益显著,有效盘活了失效水平井,为滩海油田中后期的持续稳产提供了技术保障。

4) 该技术在水平井割缝筛管分段解卡中应用效果较好,在精密复合筛管中由于筛网结构复杂还不适用,因此建议下一步对适用于精密复合筛管分段解卡的配套工具及工艺进行攻关研究。

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刘言理
LIU Yanli
水平井筛管分段喷射解卡工具研制与试验
The Development and Testing of a Screen Multi-Stage Jetting and Unfreezing Tool for Horizontal Wells
石油钻探技术, 2018, 46(3): 65-71.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(3): 65-71.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018062

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收稿日期: 2017-11-29
改回日期: 2018-04-11

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