張 軍

（中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010）

稠油熱采水平井篩管完井防砂技術研究與應用

張 軍

（中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010）

分析了遼河油田稠油熱采水平井存在的問題。通過水平井篩管防砂完井方式的比較，采用頂部注水泥高強度彈性篩管防砂完井技術，有效地解決了熱采水平井中熱力和地應力造成套管、篩管損壞及封隔器的坐封和密封困難。現(xiàn)場應用效果表明，彈性篩管的強度高、防砂效果好，油井能夠保持長期穩(wěn)產(chǎn)。

熱采；水平井；頂部注水泥；彈性篩管；防砂

遼河油田稠油資源豐富，稠油產(chǎn)量占原油總產(chǎn)量的60%以上，水平井熱采是稠油油藏開發(fā)的有效途徑。由于油層埋藏淺，儲層膠結疏松，出砂成為熱采水平井的一大難題，因此需要考慮采用合適的先期防砂完井技術。篩管完井具有施工程序簡單、作業(yè)成本低、施工成功率高等優(yōu)點，是遼河油田水平井的主要完井方式。但是，也存在套損、篩管損壞、封隔器損壞、出砂的現(xiàn)象，影響了水平井的開發(fā)效果。采用頂部注水泥篩管完井防砂技術，有效解決了稠油水平井熱采的問題。

1 熱采水平井存在的問題

1.1 套損

目前遼河油田水平井完井井身結構方式大多為三開，Φ244.5 mm套管內(nèi)懸掛Φ177.8 mm套管及篩管，其中Φ244.5 mm套管材質采用N80鋼級、壁厚為10.03 mm，Φ177.8 mm套管及篩管材質采用TP100H鋼級、壁厚為9.19 mm。目前，該種套管具有損壞變形現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為卡注汽隔熱管[1]。

套管直徑越大，厚度越小其抗擠毀強度越低。表1是2種規(guī)格套管的抗擠毀強度對比。

表1 2種規(guī)格套管的抗擠毀強度對比Table 1 The collapsing strength contrast of two kinds of specification casings

從表1可以看出，相同材質、相同壁厚的情況下，Φ244.5 mm套管抗擠毀強度遠遠低于Φ177.8 mm套管，這為完井結構尺寸設計提供了依據(jù)。

從熱應力分析，熱采井注蒸汽的平均溫度在320 ℃左右，有的超過 350 ℃（一般注汽壓力 15 MPa，有的高達20 MPa），超過了API N80套管允許最大溫度值（204～220 ℃）。N80套管因高溫屈服強度降低約18%，彈性模量降低約38%，抗拉強度降低 7%，同時蒸汽吞吐套管存在殘余應力，使套管基本處于屈服狀態(tài)。套管在持續(xù)高溫和軸向拉應力的作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋和壓縮變形[2～4]。

1.2 封隔器坐封和密封問題

Φ244.5 mm懸掛封隔器是連接Φ177.8 mm套管、篩管，并密封篩套環(huán)空的重要工具。由于懸掛封隔器大多下至接近水平段，其井斜度在60～80°之間，因此密封可靠與否直接影響到防砂效果。

目前，國內(nèi)外水平井懸掛器的坐封方式均采用液壓坐封。國內(nèi)應用的水平井懸掛器主要采用單向卡瓦錨定，提前投球或絲堵代替投球，坐封和丟手加壓同時完成。另外，目前的懸掛器無法在施工過程中進行驗封，不能確定懸掛封隔器膠筒密封情況。因此，施工時容易出現(xiàn)封隔器提前丟手，造成坐封情況不好，膠筒密封不可靠，在壓力波動下使地層砂進入井筒成為可能。

1.3 篩管損壞

由于機械加工工藝的進步，割縫篩管加工成本降低，采用單層管結構，具有一定的強度，近幾年在遼河油田水平井完井中得到了廣泛的應用，主要適用于粗砂、分選性好泥質含量低，以及埋藏較淺的水平井。但在埋藏較深的水平井選用該篩管，在較高地層壓力的作用下，篩管易損壞。例如：杜32-興H217井，2007年06月13日，下Φ177.8 mm× 9.19 mm割縫篩管(材質TP100H)完井，擋砂粒徑0.3 mm，篩管位置1 104.29～1 456.63 m，日產(chǎn)液107 m3。2007年6月16砂卡桿，沖砂，水平段有少許砂，Φ95 mm普通泵及泵上一根管內(nèi)有砂；2007年06月21降排量，日產(chǎn)液64.3 m3，又卡井，出砂粒度中值0.138 mm，分選系數(shù)1.995 3。該水平井為油層內(nèi)部挖潛，油層厚，采用長沖程抽油機大泵提液，油井出部分細砂，如果割縫管縫寬太小，擋住0.138 mm地層砂，勢必會影響到油井的產(chǎn)能，何況目前割縫管縫寬最小只能割到0.25 mm。所以該井選擇割縫篩管完井是不正確的。

2 水平井篩管防砂完井方式比較

a） 完井方式1（如圖1） 該完井方式是一開后固井，二開至水平段后固井，然后三開水平段。水平段下入Φ177.8 mm防砂篩管，上部連接Φ177.8 mm套管，在穩(wěn)斜段連接懸掛器，再連接套管至井口。投球加壓使懸掛器丟手坐封完井，井身結構為Φ244.5 mm套管內(nèi)懸掛Φ177.8 mm篩管。

b） 完井方式2（如圖2） 該完井方式是一開后固井，二開到底，水平段下入Φ177.8 mm防砂篩管，上部連接管外封隔器和盲板，再連接Φ177.8 mm套管至井口，然后固井，同時使封隔器密封，鉆穿盲板后完井，井身結構為7英寸通徑。

c） 完井方式3（如圖3） 該方式基本上同方式2，不同的是用水泥傘替代管外封隔器【5,6】。

3種篩管防砂完井方式比較：

a) 防砂完井方式1工序多，施工較復雜，但井底通徑大，便于側鉆及換井底操作。存在問題是采用Φ244.5 mm套管，熱采抗擠毀強度低，容易變形損壞；存在另一問題是應用了Φ244.5 mm懸掛器，因此又多了密封不嚴的危害因素。

圖1 水平井篩管完井方式1Fig.1 No.1 completion method of horizontal wells

圖2 水平井篩管完井方式2Fig.2 No.2 completion method of horizontal well

圖3 水平井篩管完井方式3Fig.3 No.3 completion method of horizontal well

b) 防砂完井方式2和防砂完井方式3工序少，施工簡單，與方式1懸掛器懸掛篩管完井相比不使用懸掛器，消除了密封隱患。完井后井口至井底全部使用同一種規(guī)格和材質的Φ177.8 mm TP100H篩套管。因此，Φ177.8 mm TP100HB篩套比Φ244.5 mm N80套管的抗熱采抗擠毀強度高，且具有相同的通徑，便于后期作業(yè)。

c) 防砂完井方式3同防砂完井方式2相比，用水泥傘替代管外封隔器，更為簡便，并節(jié)省費用。

3 頂部注水泥篩管防砂完井技術

通過水平井先期篩管防砂完井問題分析及技術比較，選擇第3種防砂完井方式，即頂部注水泥Φ177.8 mm通徑篩管完井防砂技術。井眼尺寸及管柱結構如圖4所示。

該完井方式一開下Φ276.2 mm表套，二開到井底，一次下入引鞋、Φ177.8 mm篩管、套管外水泥傘、盲板、旋流短節(jié)、浮箍、阻流環(huán)和Φ177.8 mm套管連接至井口。通過阻流環(huán)、浮箍、旋流短節(jié)將水泥循環(huán)到Φ177.8 mm套管外，水泥漿在套管外被水泥傘阻隔防止下行進入到油層，水泥漿在套管內(nèi)被盲板阻隔。待水泥侯凝后，鉆穿管內(nèi)水泥和盲板，沖洗后即可完井。該種方式施工簡單，周期短、消除套損和封隔器隱患，同時節(jié)約成本。

圖4 水平井井眼尺寸及防砂完井管柱結構Fig.4 The borehole size and sand control completion string structure of horizontal well

4 高強度彈性篩管

針對常規(guī)篩管抗壓強度低、細粉砂防治困難的問題，研制并應用了水平井高強度彈性防砂篩管。

4.1 篩管結構

高強度彈性篩管是一種具有獨特結構的防砂專利篩管，它以單層厚壁API 標準的油管或套管做基管，基管上鉆有若干個階梯孔，將過濾介質經(jīng)過特殊工藝組裝成一個個過濾件，然后再將這些過濾件通過焊接安裝到基管的階梯孔里，形成單層管的整體防砂結構，特殊彈性纖維防砂材料具有自我解堵的能力，保證油井防砂后在較長的時間內(nèi)獲得較高產(chǎn)能。整體結構如圖5。

圖5 彈性篩管整體結構Fig.5 The overall structure of elasticity screen pipe

基管選用Φ177.8 mm、TP100HB材質、壁厚9.19 mm的套管。

理論研究結果表明，熱采井套管在油層段上熱應力達到760 MPa，超過了N80套管的強度極限值。國內(nèi)外的室內(nèi)實驗結果與理論研究結果表明，N80套管在 300 ℃時鋼材發(fā)生塑性變形，套管所受最大應力會達到700 MPa，而N80套管強度值只有552 MPa。因此普通 N80套管在高溫下就會發(fā)生塑性變形損壞。在這以理論的支持下，篩管選用TP100H材質。TP100H鋼材為合金鋼，實驗證明，TP100H套管能承受的載荷值明顯高于N80套管。從實際承載能力來看，TP100H套管至少能承受731 MPa的熱應力，而N80套管在570 MPa時已出現(xiàn)較大的變形，因此用TP100H套管做篩管更適用于熱采井【7-11】。

過濾單元在基管上的固定方式采用內(nèi)、外焊接工藝。利用CO2氣體保護焊機，進行高電流、大面積的不銹鋼絲內(nèi)焊接，過濾單元外部進行環(huán)焊固定，提高過濾單元與篩管本體之間連接強度，通過彈性篩管拉伸、抗壓、扭轉、彎曲試驗檢驗焊接強度。當拉力800 kN、彎曲22°、扭轉130°/m、抗壓40 MPa時焊口保持完好。

整體篩管采用螺旋布孔方式，篩管過濾單元達到200個/m，使過流面積達到904 cm2/m，為管體表面的 6%，篩管過流能力的提高減少流動阻力為防砂后油井產(chǎn)能發(fā)揮創(chuàng)造了有利條件。

4.2 防砂材料

良好的防砂材料必須滿足以下5個條件：①防砂性能好；②防砂粒徑易于控制；③不易堵塞；④具有一定的自潔能力；⑤耐高溫。

通過試驗選擇三角形纖維過濾材料，因為三角形金屬纖維材料在壓制成形時，纖維與纖維之間交錯迭加形成的孔道幾何形狀為不規(guī)則的三角形；三角形孔道與砂粒接觸，孔道不易被堵死。然后進行材質、彈性大小、截面積選擇，形成不同參數(shù)彈性防砂材料。

三角形不銹鋼纖維材料在壓制成形時留有一定的壓縮余量，在生產(chǎn)壓力發(fā)生變化時，彈性防砂材料發(fā)生一定的彈性壓縮，使防砂材料的孔徑發(fā)生微小變化，防止生產(chǎn)壓力增高造成砂粒通過防砂過濾單元，在壓力降回原來壓力時，防砂材料又可恢復原來的孔隙和滲流能力，解決細粉砂防治的問題。

5 現(xiàn)場應用與效果分析

洼59塊是洼60斷塊中的次級斷塊，位于盤錦市大洼縣新建鄉(xiāng)，距離大洼縣城東約6 km處，其北部為冷家鋪油田，西南為小洼油田洼38塊，為邊底水構造超稠油油藏。主要含油層位S3和S1+2，探明含油面積3.4 km2，探明石油地質儲量851×104 t。油層埋深為1 420～1 630 m，有效厚度10～20 m，儲層以不等粒砂巖和礫狀砂巖為主，膠結物以泥質為主，原油粘度194 037 mPa?s （50 ℃ ），S3段巖性粗，粒度中值平均0.35 mm，S1+2粒度中值平均0.2 mm。

該塊油井出砂比較嚴重，統(tǒng)計直井113口，出砂65口，占總井數(shù)的58%。自2005年在洼60塊共部署水平井24口，S3段部署水平井9口，S1+2段部署水平井15口。S3段采用Φ244.5 mm套管內(nèi)懸掛Φ177.8 mm割縫篩管完井，但H37發(fā)生割縫篩管變形。該井2007-03投產(chǎn)，2007-05出砂，最大直徑50 mm，大修核實篩管于1730～1737 m發(fā)生變形，最小縮徑149 mm?？紤]到洼59塊原油粘度高，攜砂能力強，流動阻力大，油層埋藏深，地層壓力高，加上泥巖蠕變、熱采、砂細等綜合影響，S3段全部采用了Φ177.8 mm通徑高強度彈性篩管頂部注水泥防砂完井，取得了較好的開發(fā)效果。

2011年該技術在該塊共應用10口井，分別是洼60-H3001、洼60-H2102、洼60-H2502、洼60-H27、洼60-H3201、60-H32、洼60-H30、洼60-H33、洼60H3002、洼60H66。目前投產(chǎn)3口井，洼60-H3001、洼60-H2102、洼60-H2502，平均日產(chǎn)液36.4 t，平均日產(chǎn)油11.7 t，保證該塊的正常生產(chǎn)。

6 結 論

遼河油田的稠油占總產(chǎn)量的60%以上，近年來主要采用水平井熱力開采方式開采，完井方式為Φ 244.5 mm套管內(nèi)懸掛Φ177.8 mm防砂篩管。由于地應力和熱應力大，易發(fā)生套損、封隔器坐封困難和密封不嚴、篩管損壞、細粉砂防治困難等。完井方式改為Φ177.8 mm套管下接Φ177.8 mm通徑防砂篩管，頂部注水泥固井完井。完井防砂篩管改用高強度彈性篩管，強度高、防砂能力強，解決了細粉砂防治問題?，F(xiàn)場應用證明，采用新的完井方式，應用高彈性防砂篩管，提高了篩管的抗擠毀強度，防砂效果好，值得在稠油油藏推廣應用。

［1］ 羅英俊，萬仁溥. 采油技術手冊[M]. 北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［2］ 余雷，薄珉. 遼河油田熱采井套損防治新技術[J]. 石油勘探與開發(fā)，2005，1（2）：116-118.

［3］ 孫雪冬. 套管熱應力補償器在稠油熱采中的研究與應用[J].中國石油和化工，2005,11:52-53.

［4］ 賈立梅，張立業(yè). 套管在熱力耦合作用下的有限元分析[J].河北理工大學學報（自然科學版），2010,32（2）：4-6.

［5］ 劉春澤，劉洋，劉偉. 遼河油田水平井完井方式適應性分析[J]. 石油鉆采工藝， 2007,29（1）:15-18.

［6］ 李瑞清，孫連杰,等. 底水疏松稠油油藏水平井蒸汽吞吐研究實驗[J].科技信息，2009,33:1099-1102.

［7］ 吳志勇. 彈性篩管防砂技術[J].石油礦場機械，2007,36（7）:86-89.

［8］ 楊龍. 套管失效機理研究[D].南充：西南石油學院，2003.

［9］ 周征. 石油套管損壞機理計算機模擬研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2007.

［10］車 強. 超稠油油藏水平井篩管損壞研究與保護對策[D].山東東營：中國石油大學，2009.

［11］張永貴. 注蒸汽熱采井套管強度理論與試驗研究[D].河北秦皇島：燕山大學，2008.

Research and Application of Sand Control Completion With Screen Pipe in Heavy Oil Thermal Horizontal Well

ZHANG Jun
（Liaohe Oil Field Company, Liaoning Panjin 124010，China）

Some problems in Liaohe heavy oil thermal recovery horizontal well was analyzed. By comparing the sand control completion methods with screen pipe in horizontal well, the problems of liner failure, casing failure and packer sealing difficulty which caused by thermal power and ground stress in thermal horizontal well were solved by using sand control completion technology with cementing from the top and high strength and elasticity screen pipe. Field applications show that elastic screen is high strength and effective, it will help for long period stable production of the oilfield.

Thermal; Horizontal well; Cementing from the top; Elasticity screen pipe; Sand control

TE 355

A

1671-0460（2012）06-0594-04

2012-03-05

張軍（1980-），男，遼寧盤錦人，工程師，碩士，2003年畢業(yè)于大慶石油學院勘察技術與工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油工程及井下作業(yè)技術科研與管理工作。E-mail：zh_jun@petrochina.com.cn，電話：0427-7299955。