膨胀筛管防砂技术在油田生产中的应用

膨胀筛管防砂技术在油田生产中的应用

1997年初，预防膨胀砂岩飞片（简称扩张波管）首次在曼塔赫富特的五井中应用，两年半后无砂现象。之后,该技术迅速普及到世界各地,包括北海、东南亚及中国海上油田等。膨胀筛管曾在多种油气井内使用,包括水平井(水平井段最长1219m)、大位移井、多底井、分支井和常规生产井。1999年,中国海洋石油总公司与美国菲利普斯公司在渤海海域合作发现了蓬莱19-3大油田,油藏主要分布在明化镇组底部和馆陶组地层,垂深1500m左右。根据油藏边水锥进的特点,首次在渤海湾优化使用膨胀筛管防砂工艺(即在套管内射孔段或裸眼的目的层段下入膨胀筛管,然后用膨胀工具将膨胀筛管膨胀,使其紧贴于井壁或套管内壁用来防砂),并获得成功,为进一步推广应用奠定了基础。1膨胀筛法的原理和优势1.1引鞋+膨胀底部接头+盲管+管串挂组成不论裸眼或套管内完井,膨胀筛管管串的基本组成为:引鞋+膨胀底部接头+膨胀筛管+膨胀顶部接头+(盲管)+管串挂,裸眼完井中盲管作为重叠段,套管内完井则不需要。1.2膨胀筛管的排列膨胀筛管由割缝钢管、防砂筛布和预割缝钢板三部分组成,材质均为316L。割缝钢管为内层基管;防砂筛布为膨胀筛管的主要防砂部分,有四种可选择的规格:270μm,230μm,175μm和150μm,根据油藏地层砂的粒度大小选择合适的防砂筛布,选择原则是地层砂粒度D50值的5~6倍,共四片筛布,按相同顺序重叠排列,筛布一侧焊接在基管上,另一侧为自由端,在膨胀作业中,防砂筛布的重叠面积减小,膨胀后防砂筛布的网格结构不发生任何变化,因此能保证筛布的防砂效果;预割缝钢板为外层保护管,在膨胀管串过程中,保护防砂筛布不破损。丝扣连接方式并配有4个防旋转的螺栓销钉,接头和本体具有同样的可膨胀性。在膨胀筛管的膨胀过程中,基管和外层预割缝钢板会发生塑性变形,膨胀到要求的尺寸,重叠的防砂筛网自由向外伸展。膨胀之后,有效过流面积比膨胀之前增加30%~60%。膨胀筛管原始尺寸↣φ73.025~↣φ139.700mm,膨胀范围↣φ98.425~↣φ231.775mm,最大膨胀率约为筛管原始尺寸的1.8倍。例如:↣φ139.700mm膨胀筛管,膨胀范围↣φ212.725~↣φ231.775mm,最大膨胀率为1.66倍,其壁厚24.892mm。膨胀筛管的显著特点是整个筛管总成膨胀后尺寸相同,包括接头处,流体能够均匀通过筛管。而且管串的刚性低,柔韧性强,例如:↣φ101.6mm的膨胀筛管能够顺利通过狗腿度42°/30m的井段。1.3用于膨胀设备的结构和原理1.3.1膨胀工具的设计锥形膨胀工具(FixedConeExpansionTool)由上下心轴和膨胀环组成,膨胀环通过上下心轴丝扣连接固定,组合在膨胀管柱的最下端,膨胀管柱根据井的特点设计。膨胀的主要部位是锥形膨胀环,膨胀环可以根据井况或套管内径的不同,选择不同的直径尺寸,例如:↣φ139.7mm膨胀筛管,锥形膨胀工具的膨胀环选择范围:↣φ174.625~↣φ190.500mm,共5种,直径增量为3.175mm。膨胀工具心轴上设计有循环孔,必要时可以循环冲洗膨胀环。特点:结构简单;膨胀环的尺寸可以更换;有循环孔,可以循环;最下端为锥形引鞋;膨胀环的材质为碳化钨硬质合金,增强耐磨性。一次膨胀后,膨胀筛管与套管之间有一定的间隙,该间隙的大小因井况不同而不同。通过液压膨胀工具二次膨胀就可彻底将筛管膨胀在套管内壁上。1.3.2膨胀筛管的膨胀设备液压膨胀工具(AxialCompliantExpansionTool)主要由本体、膨胀滚珠总成和可调节喷嘴组成。膨胀原理是在地面通过钻井泵施加一定的压力,膨胀滚珠在液压的作用下向外运动,产生一侧向力完成膨胀筛管的膨胀。工具内装有尺寸匹配的喷嘴,大部分的压力将产生在喷嘴处,保证滚轮能产生足够的侧向力来膨胀筛管。例如:↣φ139.7mm液压膨胀工具的喷嘴直径为8.73mm,工作压力11MPa,滚珠产生的侧向力为29000N。根据套管和膨胀筛管的摩擦系数、井筒内的液体性质以及膨胀筛管的要求,通过计算机模拟计算出膨胀筛管从顶部接头至底部接头的最大承压能力,并根据钻压及筛管尺寸选择钻铤的尺寸及数量。1.4扩张筛管的优点1.4.1井下管柱区域1)膨胀后紧贴井壁(或套管),可防止地层砂的运移,从而避免了由于地层砂重新分布而形成近井眼低渗透带;膨胀筛管还对地层起支撑的作用,防止井壁坍塌。2)防砂效果可靠,现场施工简单,不需要大型地面设备,有利于在水平井、大位移井、多底井和水平分支井中推广应用。3)防砂之后的井下管柱内径大,过流面积大,减小了近井眼的压降损耗,管柱内径大还有利于后续的修井作业。4)节省一层油层套管,减小完井作业对地层的伤害。5)缩短完井周期,节约完井成本。6)能和管外封隔器配合实现分层开采和地层卡水作业,可用于多层系油水互层油田开发。7)能有效降低表皮系数。据统计,砾石充填井的表皮系数一般大于10,而膨胀筛管防砂井表皮系数一般小于5。1.4.2膨胀筛管防砂机理1)若井眼极不规则,对于井径缩小处,膨胀筛管会压实近井地带,生产时不易恢复地层原始状态;对于井径扩大处,无法实现筛管与井壁或套管环空的“零间隙”,影响防砂效果。2)在筛管膨胀过程中,若遇井壁坍塌等复杂情况致使膨胀中断,很难得到圆满处理。3)膨胀筛管不适用于所有出砂地层,应针对不同地层的出砂机理,选用最合理的防砂方法。4)膨胀筛管的接头和本体的抗拉和抗扭强度低,且不能循环钻井液,遇阻和遇卡的处理手段受限制。2射孔作业井段渤海蓬莱19-3油田目前在10口井中应用了膨胀筛管。若为套管井,应先进行刮管作业,保证套管内壁光滑,在设计井段进行射孔作业,根据射孔段的长度和深度,调整好可膨胀筛管的组合,要求膨胀筛管上下覆盖射孔段3~5m;若为裸眼井,应先通井,以保证井眼规则,然后下膨胀筛管。笔者以A18井裸眼完井为例,对膨胀筛管的现场应用情况进行介绍。该井最大井斜角为57.38°,井深1935m。2.1封管串挂下钻至设计深,进行伽马测井校深,以确定管串挂的坐封位置。然后投球,憋压坐封管串挂。下钻过程中禁止旋转管串,且遇阻不能超过100kN,以防止剪断螺栓和损坏膨胀筛管柱;如需要循环,压力不能超过3.5MPa,以防止管串挂提前坐挂;下放速度控制在10m/min以内。管串挂的坐封位置应避开套管接箍。2.2膨胀筛管计数膨胀筛管分两步进行,先使用锥形膨胀工具膨胀筛管,再使用液压膨胀工具。现场作业时选择套管摩擦系数0.3,膨胀筛管摩擦系数0.4,模拟计算出最大的膨胀钻压。优化钻具组合:↣φ168.275mm锥形膨胀工具+↣φ165.1mm扶正器+↣φ120.65mm钻铤×1根+↣φ165.1mm扶正器+↣φ120.65mm钻铤×30根+↣φ139.7mm钻杆。2.2.1筛管膨胀作业组合锥形膨胀工具,下钻至膨胀筛管管串挂以上60m左右,减慢下放速度,开泵探膨胀筛管顶部接头在井深1620.5m处。加钻压约100~200kN,开始进行筛管膨胀作业,控制膨胀速度小于3~5m/min,防止速度太快,造成筛管未完全膨胀或者撕裂筛管。起钻时控制膨胀工具通过筛管接头和封隔器部位时的速度不宜太快。2.2.2膨胀钻压机构组合液压膨胀工具,下钻至顶部接头处,探顶部接头位置在井深1620.5m处。开泵,开始膨胀筛管,最大的膨胀钻压为200kN,在正常膨胀钻压50~100kN范围内控制膨胀速度3~5m/min。膨胀至底部接头位置,停泵起钻。A18井的井身结构如图1所示。3风险分析及现场应用3.1膨胀工具的修正1)下筛管过程中如发生溢流,应接变扣接头,下钻杆,保证筛管管串在防喷器以下,进行井控作业。2)封隔器已坐封,但不能膨胀。首先确定膨胀工具的位置是否正确,然后施加最大允许钻压300kN。否则开泵循环冲洗碎屑,重新膨胀。3)膨胀力过高的问题。正常膨胀力为200kN左右,如需更高膨胀力,最高不能超过350kN。如循环,最大排量400L/min,时间控制在1~2min。4)坐封封隔器前,有问题需起钻。要小心处理,坐好卡瓦和安全卡瓦,卸下4个紧固螺栓,卸扣检查丝扣,使用提升短节安全吊走。3.2现场应用效果逢莱19-3油田已投入生产井的情况表明:单井日产液量平均为2