一趟多层砾石充填技术在我国渤海区块应用非常广泛，其中9-5/8"套管井常用2.875"^[1-2]内冲管，7"套管井常用1.9"内冲管，因砾石充填时冲管管径小，充填层段距离长，携砂液在泵送过程中会产生很大摩阻^[3-5]，这就限制了7"套管井难以进行压裂充填作业。现通过改善工具结构和改进工艺流程，可将充填用内冲管尺寸改为2.375"，实现更大的内通径，进而实现一趟多层压裂充填作业，解决小尺寸套管井难以进行一趟多层压裂的问题。

1 管柱结构和原理

一趟多层砾石充填技术因可以有效防砂和极大提高油井产量而被广泛应用，该技术发展十分成熟，但技术核心一直被外国公司所掌握，尤其以哈里伯顿和贝克休斯为代表^[6-8]。他们的工具技术能够契合现场作业需求，具有循环下入、坐封顶封、验封、丢手、上提下放管柱确定各位置、坐封隔离封隔器并验封、正反循环测试、充填作业、反循环洗井和验证充填效果等功能^[9]。但由于7"井眼尺寸有限，外管柱工具结构的设计又占用了一部分空间，致使外国公司设计的充填用冲砂管只能采用1.9"和2.375"的组合。小尺寸冲砂管组合造成充填过程中液体摩阻高，因此作业能力受到了限制，只能够进行高速水充填作业，无法进行压裂充填作业。

项目研究人员结合现场作业需求对现有工具结构进行改进、创新。在设计外管柱时，将分层用的隔离封隔器由原来的单活塞结构改进为双活塞结构，在坐封压力不变的条件下保证封隔器拥有足够的坐封力，这样就缩小了设计封隔器占用的空间，将最小内径从现有的3.25"扩大到3.88"；同时优化设计了沉砂封隔器的回接方式，将插入密封与沉砂封隔器内芯轴回接改进为插入密封与沉砂封隔器上部密封筒回接，这样的结构设计能够增大回接后的内径，将内径由现有的3.28"扩大到3.88"，如此整个外管柱的内通径就达到了3.88"，即可以使用更大尺寸的冲砂管组合进行充填作业。

新的防砂外管柱从上至下依次为顶部封隔器总成^[10]、充填滑套总成、盲管和筛管、隔离封隔器、充填滑套总成、盲管和筛管……（视层数重复）、插入密封、沉砂封隔器。

与防砂管柱配合的服务工具管柱自上而下依次为顶部封隔器坐封工具、3-1/2"和2-3/8"冲管、上部密封、中部密封、充填工具、负荷显示器、滑套单关工具、滑套开关工具和底部密封（图 1）。

图中坐封工具和顶部封隔器配合，实现封隔器坐封、验封和丢手；两层冲管提供砾石充填循环的进、出通道；充填工具具有轴向、纵向桥式通道结构，为充填液体提供转向流道；具有单向阀功能的反循环阀在充填时单向阀打开，液体可以顺利在管柱内部通过，反循环时单向阀结构关闭，液体不能通过反循环阀漏失到下层；负荷显示器与防砂管柱上的显示台阶配合确定管柱的相对位置，为砾石充填各个工艺流程提供位置参考；滑套开关工具和单关工具实现充填滑套的双向开关和单向选择性关闭，可在充填作业末尾实现验滑套操作；通过上部密封、中部密封和底部密封不同长度的配长可实现充填层段与上、下射孔段的隔离，充填目的层段时不影响其他层段的稳定性。此管柱扩大了外管柱的内通径，冲砂管组合采用3.5"和2.375"，弥补现有技术冲砂管尺寸小的弊端，能够实现大通径、大排量和低摩阻的压裂充填作业。

2 工具试验检测

渤海区块油藏埋层较浅，一般垂深不超过2 000 m，平均地层破裂梯度为2.61 psi/m，压裂充填时最大压力不超过5 000 psi。工具结构设计时考虑一定的安全系数，将管柱工具的压力级别标准设定为7 500 psi，为确保整个管柱能够满足充填的作业需求，在试验室内针对每个工具的性能均进行了试验测试。

2.1 顶部封隔器

a）坐封打压3 000 psi，稳压5 min；

b）上部压力测试：阶梯打压至7 500 psi，保压15 min；

c）坐封工具丢手：打压3 600 psi，坐封工具一级丢手销钉剪断，重新打压到1 600 psi，坐封工具二级丢手销钉剪断，取出坐封工具；

d）下部压力测试：阶梯打压至7 500 psi，保压15 min；

e）最后解封回取出顶部封隔器。

顶部封隔器坐封顺利，上下压验封成功，均能达到7 500 psi，稳压15 min压降1%以内（图 2），封隔器坐封工具丢手成功，回取顺利。

2.2 隔离封隔器

a）隔离封隔器坐封：打压2 800 psi，稳压5 min；

b）上部压力测试：阶梯打压至7 500 psi，保压15 min；

c）下部压力测试：阶梯打压至7 500 psi，保压15 min；

d）最后取出隔离封隔器。

隔离封隔器坐封顺利，上下压验封成功，均能达到7 500 psi，稳压15 min，压降在1%以内（图 3）。

2.3 沉砂封隔器

a）将沉砂封隔器放入专用试验工装中；

b）沉砂封隔器坐封：打压2 900 psi，稳压2 min；

c）加压至4 600 psi，坐封工具脱手；

d）上部压力测试：阶梯打压至7 600 psi，保压15 min；

e）下部压力测试：阶梯打压至7 600 psi，保压15 min。

沉砂封隔器坐封顺利，上下压验封成功，均能达到7 500 psi，稳压15 min，压降在1%以内（图 4）。

2.4 充填滑套开关工具

充填滑套开关工具见表 1。

2.5 充填滑套单关工具

充填滑套单关工具见表 2。

2.6 负荷显示器

负荷显示器见表 3。

2.7 插入密封

插入密封见表 4。

3 现场应用

PL19-3D36ST02井为蓬莱19-3区块D平台上的一口生产井，井身结构见表 5。该井生产层位为馆陶组，储层岩性为细、中细、含砾中粗砂岩。目的层段储层单层厚度变化较大，从不足1 m到大于25 m均有分布。单层厚度小于4 m的储层按层数统计所占比例较高，约为68%，孔隙度分布在18.9% ~32.6%之间，平均26.3%，渗透率主要分布在（50~1 000）×10^-3 μm₂之间，平均为815×10^-3 μm₂，为中孔~高渗储层。

由于目标井储层厚度变化大，多个小层位层叠，无法逐一进行充填防砂作业，设计将单层厚度小的多个产层合并采用压裂充填的方式进行防砂，单层厚度大的产层采用高速水充填的方式进行防砂。2018年2月在目标井应用上述工艺和工具实施了一趟多层充填作业，目标井井深1 750 m，最大井斜51.33°，分5层射孔，射孔段跨度463.7 m，射孔参数如表 6，因跨距较长分为两趟管柱作业。根据储层分布特点，第一、四、五层为压裂充填；第二、三层为高速水充填，作业统计见表 7，施工曲线见图 5~图 9。

由施工曲线可以看出地层破裂时地面泵压低于3 000 psi，出现脱砂压力时泵压最高不超过4 000 psi，远低于工具的额定压力；因采用大尺寸的冲砂管组合，在能够维系地层破裂压力的前提下，携砂液排量可以提高到18 bpm，高于现有技术的12 bpm，满足现场的压裂充填作业需求。

4 结论

（1）新型一趟多层砾石充填防砂管柱工具经过功能测试后，表明其技术参数和工具性能满足现场作业需求。

（2）海上现场作业表明，新型一趟多层砾石充填防砂技术采用更大尺寸的冲砂管，更大内径的防砂工具，能够实现一次多层压裂充填作业，防砂作业过程顺利。