滿宗通，周歡，龐明越，董嚴(yán)冰，王圣虹，蔡普利

多流道旁通篩管性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

滿宗通，周歡，龐明越，董嚴(yán)冰，王圣虹，蔡普利

（中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

多流道旁通篩管； 礫石充填； 虧空段； 輸送能力； 旁通性能

隨著海上油田的開發(fā)，在井槽資源有限的情況下，為了增大泄油面積、提高產(chǎn)量、降低作業(yè)成本，水平井應(yīng)用越來越多[1?4]。在水平井礫石充填作業(yè)過程中，由于地層或設(shè)計(jì)原因，水平井出現(xiàn)充填虧空。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明，30%的水平裸眼井在礫石充填作業(yè)中因泥巖垮塌導(dǎo)致充填失敗[5?7]。長(zhǎng)水平段礫石充填會(huì)因工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理、α波正向充填或者β波逆向充填沒有到達(dá)水平井末端等原因而提前砂堵[8?9]。對(duì)于未充填的井段，多流道旁通篩管能夠在常規(guī)充填結(jié)束后，通過輸送管及旁通管繼續(xù)進(jìn)行充填，提高充填效率。

為了解決長(zhǎng)水平段礫石充填提前砂堵或其他礫石充填過程中產(chǎn)生的砂橋、井壁垮塌導(dǎo)致充填效率低或充填失敗情況的發(fā)生[10]，本文對(duì)多流道旁通篩管進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研發(fā)，對(duì)研發(fā)的新型多流道旁通篩管產(chǎn)品的旁通性及輸送性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)檢測(cè)，以期掌握新型功能篩管產(chǎn)品的性能特點(diǎn)，更好地保障海上油田防砂效果和油田長(zhǎng)效開發(fā)。

1 新型多流道旁通篩管設(shè)計(jì)

1.1 原理及特點(diǎn)

多流道旁通篩管帶有3根輸送管和2根礫石充填管將其作為二次充填通道，使篩管接頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形成環(huán)流空間，管道連通。管內(nèi)多流道旁通篩管內(nèi)充填防砂。由于旁通管的流通面積較小，攜砂液一般先充填篩管與井筒的環(huán)空，當(dāng)篩管與井筒的環(huán)空中充滿礫石時(shí)，旁通管成為阻力最小的攜砂液通道，攜砂液進(jìn)入旁通管，并從旁通管的噴嘴流出，逐點(diǎn)對(duì)下部未充填密實(shí)或虧空井段進(jìn)行二次充填，直到充填壓力上升到一定值及整個(gè)井段充填密實(shí)為止。充填時(shí)井筒環(huán)空和篩管的旁通管構(gòu)成一個(gè)整體通道，當(dāng)有井筒塌陷、黏土膨脹和砂堵等情況時(shí)，篩管的旁通管起橋接作用，構(gòu)成循環(huán)通道，保證整個(gè)井段得到有效充填。

多流道旁通篩管外護(hù)套采用沖孔方式，能夠有效保護(hù)內(nèi)部的輸送管、旁通管與過濾體，同時(shí)能夠便于礫石充填進(jìn)入到外護(hù)套與過濾體之間的空隙，提高防砂效果。

在旁通管安裝連接方面，上下接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜的緊固件，不需要額外應(yīng)用手工操作，連接快速簡(jiǎn)單，沒有安裝風(fēng)險(xiǎn)。在上接頭、下接頭、蓋板、旁通管及輸送管組成的旁通輸送充填流道中，每個(gè)接頭能使攜砂液得到混合，并將其重新分配到5條管路，提高攜砂液流動(dòng)的可靠性。

多流道旁通篩管優(yōu)化了輸送與旁通設(shè)置，3根輸送管流通面積達(dá)到基管流通泄流面積的22.5%，2根旁通充填管在篩管連接時(shí)，保證有1根充填管的充填口不被井壁堵塞，從而大大提高充填效率。

1.2 結(jié)構(gòu)

新型多流道旁通篩管主要由基管、過濾體、外保護(hù)套、端環(huán)、轉(zhuǎn)換體、旁通管、噴嘴、輸送管、蓋板、上接頭、下接頭、接箍構(gòu)成。

新型多流道旁通篩管內(nèi)部為基管，其尺寸為127 mm?；芡鈧?cè)為過濾體，基管的兩端為上接頭與下接頭，其螺紋尺寸為168 mm。在過濾體外側(cè)為3根輸送管和2根旁通管，5根管均采用扁管的方式，既能增大過流面積，又能減小工具的外徑。旁通管整體由短管和噴嘴依次連接組成，噴嘴開口的后端為一個(gè)斜面，有利于攜砂液向外噴出。輸送管和旁通管通過兩端的轉(zhuǎn)換體固定于過濾體外側(cè)，上轉(zhuǎn)換體、下轉(zhuǎn)換體通過環(huán)焊的方式固定在基管的接箍上（見圖1）。多流道旁通篩管的外側(cè)為外保護(hù)套，外保護(hù)套上對(duì)應(yīng)旁通管的噴嘴位置開有兩排孔，便于旁通管噴嘴的安裝。

圖1　旁通管、輸送管示意圖

在外保護(hù)套的兩側(cè)為上蓋板和下蓋板，2個(gè)蓋板均插入到轉(zhuǎn)換體上，將5根管子蓋住，通過環(huán)焊的方式進(jìn)行固定。通過短節(jié)、上接頭、上蓋板、旁通管及輸送管、下蓋板、下接頭及短節(jié)的結(jié)構(gòu)，形成了礫石充填旁通的路徑，所設(shè)計(jì)的多流道旁通篩管總裝圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。

1接箍；2上接頭；3上蓋板；4上轉(zhuǎn)換體；5噴嘴； 6外保護(hù)套；7輸送管；8過濾體；9旁通管；10基管； 11下轉(zhuǎn)換體；12下蓋板；13下接頭；14短節(jié)；15 O型圈

圖3　多流道旁通篩管實(shí)物圖

2 多流道旁通篩管測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

多流道旁通篩管應(yīng)用于長(zhǎng)水平段的充填，因此需要對(duì)多流道旁通篩管流動(dòng)摩阻進(jìn)行驗(yàn)證分析，驗(yàn)證現(xiàn)有多流道旁通篩管結(jié)構(gòu)的適用性，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供指導(dǎo)。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)工況條件下多流道旁通篩管礫石充填效果，結(jié)合整體實(shí)驗(yàn)分析多流道旁通篩管的5根輸送管及旁通管的流量分布，驗(yàn)證旁通充填性能和輸送性能[11]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1防砂參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo) 排量為0.9 m3/min，砂比為0.059 9 g/cm3，礫石采用普通陶粒，粒徑為20～40目，攜砂液使用清水。

評(píng)價(jià)指標(biāo)包括壓力（摩阻）的變化、返出流量（流量的分配）及充填效率。

2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

（1）無砂橋?qū)嶒?yàn)設(shè)備及流程。自研一套大型全尺寸水平井礫石充填實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)（見圖4），該系統(tǒng)包括主體模擬井筒、加砂裝置、泵、儲(chǔ)液罐、輸送玻璃管、控制面板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量計(jì)、壓力傳感器、管路與開關(guān)控制閥等。

圖4　無砂橋整體實(shí)驗(yàn)設(shè)備

清水實(shí)驗(yàn)：首先，關(guān)閉輸送玻璃管，以0.2 m3/min為1個(gè)階梯，逐漸增大排量至2.0 m3/min，待每個(gè)排量點(diǎn)壓力穩(wěn)定，記錄壓力、流量數(shù)據(jù)。然后排量歸零，打開輸送玻璃管，再次逐步增大排量至2.0 m3/min，每個(gè)排量點(diǎn)待壓力穩(wěn)定，記錄壓力、流量數(shù)據(jù)。

無砂橋多流道旁通篩管實(shí)驗(yàn)：首先，關(guān)閉輸送玻璃管，用0.059 9 g/cm3的攜砂液、0.9 m3/min的排量充填至出現(xiàn)脫砂壓力，后打開輸送玻璃管，直至完成充填，出現(xiàn)脫砂壓力后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄壓力、流量數(shù)據(jù)，并計(jì)算充填效率。

（2）有砂橋?qū)嶒?yàn)設(shè)備及流程。有砂橋?qū)嶒?yàn)設(shè)備在多流道旁通篩管篩套的1/3及2/3處設(shè)置2個(gè)擋板，從而形成2個(gè)虧空段，有砂橋整體實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5所示，性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖5　有砂橋整體實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖6　有砂橋?qū)嶒?yàn)設(shè)備性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

有砂橋多流道旁通篩管實(shí)驗(yàn)：首先，關(guān)閉輸送玻璃管，用0.059 9 g/cm3的攜砂液、0.9 m3/min的排量充填至出現(xiàn)脫砂壓力，后打開輸送玻璃管，觀察輸送玻璃管的充填情況，直至充填完全至脫砂壓力后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置整體耐壓2 MPa，因此實(shí)驗(yàn)過程中的脫砂壓力均未進(jìn)行到實(shí)際的脫砂壓力。拆開工裝，觀察第一段及兩段虧空段的充填效果，實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)記錄壓力、流量數(shù)據(jù)，并計(jì)算各段的充填效率。

3 多流道旁通篩管實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 清水實(shí)驗(yàn)

清水的流量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m3/min，記錄未連接輸送玻璃管與打開輸送玻璃管后各流量梯度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1、2所示。由表1可知，對(duì)于未連接輸送玻璃管和連接輸送玻璃管的清水實(shí)驗(yàn)，在流量階梯上升的過程中，注入口總壓力、遠(yuǎn)端旁通管壓力和近端旁通管壓力始終較小，流體從四通注入口進(jìn)入，經(jīng)過套管和篩管環(huán)空，最后從旁通管出口排出，整個(gè)過程壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值變化不大，說明清水在該排量下整個(gè)流動(dòng)過程難以起壓。由表2可知，在連接輸送玻璃管的清水實(shí)驗(yàn)中，從輸送玻璃管分流的流量隨著排量的增大呈階梯狀上升，輸送玻璃管返出流量較小，主要流量都是從基管出口處返出。

表1　未連接玻璃管時(shí)清水實(shí)驗(yàn)的流量及壓力

表2　連接玻璃管時(shí)清水實(shí)驗(yàn)的流量及壓力

3.2 多流道旁通篩管輸送能力測(cè)試

3.2.1多流道旁通篩管常規(guī)充填實(shí)驗(yàn) 柱塞泵的變頻調(diào)節(jié)裝置設(shè)定頻率為45 Hz，流量為0.9 m3/min，關(guān)閉工裝主體末端輸送管閥門，即不連接輸送玻璃管的情況下進(jìn)行加砂循環(huán)注入，實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄清水?dāng)y砂液壓力、流量與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7　未連接玻璃管清水?dāng)y砂實(shí)驗(yàn)壓力、流量變化

由圖7（a）可知，壓力在500 s之后上升，說明礫石充填已經(jīng)形成了一定的阻力，在注入口壓力達(dá)到399.852 kPa后上升趨勢(shì)變緩；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到1 050 s時(shí)，注入口總壓力、遠(yuǎn)近旁通管壓力急劇上升，說明充填已經(jīng)完全完成，流道被堵死。由圖7（b）可知，在排量始終為0.9 m3/min的情況下，注入口流量和旁通管輸出流量在逐漸降低。

3.2.2多流道旁通篩管輸送能力測(cè)試實(shí)驗(yàn) 打開工裝末端閥門，在流量、加砂速度不變的情況下，清水?dāng)y砂液壓力、流量隨時(shí)間的變化如圖8所示。由圖8可知，在400 s左右脫砂壓力迅速升高。

圖8　連接玻璃管清水?dāng)y砂實(shí)驗(yàn)壓力、流量變化

玻璃管充填過程如圖9所示。由圖9可知，在玻璃管內(nèi)可以清晰地觀察到清水?dāng)y砂充填旁通篩管的過程，礫石最先在旁通篩管與玻璃管環(huán)空的末端產(chǎn)生堆積，接下來一段時(shí)間緩慢向篩管出口處推進(jìn)，直至將環(huán)空充填滿，出現(xiàn)脫砂現(xiàn)象。此時(shí)，玻璃管入口處壓力迅速升高，由于玻璃管承壓小，未進(jìn)行到高脫砂壓力。

圖9　玻璃管充填過程

工裝拆卸后，在四通入口處觀測(cè)到礫石已經(jīng)充填滿篩管與套管內(nèi)壁環(huán)空，充填狀況良好。工裝末端套管拆卸后發(fā)現(xiàn)，礫石已經(jīng)堆積充填滿環(huán)空，充填狀況良好，說明充填效果良好（見圖10）。拆卸后，測(cè)量礫石體積，計(jì)算出旁通段充填效率為100.0%，輸送玻璃管充填效率為100.0%。

圖10　內(nèi)部充填情況

3.3 多流道旁通篩管礫石充填旁通性能測(cè)試

使用內(nèi)徑相當(dāng)于篩管外徑、外徑相當(dāng)于套管內(nèi)徑的圓環(huán)形擋板，固定在多流道旁通篩管篩套的1/3與2/3處，中間段和末端段兩端不能充填，以此模擬篩管下入井內(nèi)形成的砂橋。有砂橋多流道旁通篩管充填實(shí)驗(yàn)壓力、流量變化如圖11所示。

由圖11可知，在未連接輸送玻璃管時(shí)開啟柱塞泵，將排量設(shè)置為0.9 m3/min，直至觀察到注入口壓力、遠(yuǎn)端旁通管壓力、近端旁通管壓力迅速上升，與無砂橋多流道旁通篩管輸送能力測(cè)試階段實(shí)驗(yàn)特征一致，說明脫砂現(xiàn)象出現(xiàn)，篩管和套管環(huán)空充填完成；在450 s時(shí)打開連接輸送玻璃管閥門，環(huán)空流體一部分從輸送玻璃管分流，三個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)壓力下降，輸送玻璃管開始充填，直至玻璃管環(huán)空被礫石完全充填出現(xiàn)脫砂現(xiàn)象，玻璃管壓力開始迅速上升。由于實(shí)驗(yàn)工裝承壓性不好，兩次脫砂都未設(shè)置較高的脫砂壓力。

圖11　有砂橋多流道旁通篩管充填實(shí)驗(yàn)壓力、流量變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)束進(jìn)行工裝拆卸，在加擋板的套管中看到工裝起始端和末端充填狀況良好，噴嘴及外護(hù)套與過濾體之間的環(huán)空全部充填了礫石，說明在模擬砂橋的堵塞過程中旁通管的旁通性能良好，過流能力良好（見圖12）。

圖12　虧空段、噴嘴充填情況

拆卸后，通過測(cè)量礫石體積確定旁通段入口端第一段、中間段、末端段充填效率分別為106.0%、91.3%、90.0%，篩管整體充填效率為95.7%，輸送玻璃管充填效率為100.0%。若應(yīng)用普通篩管，中間虧空段及末端虧空段都不能被充填，充填效率僅為33.3%，與多流道旁通篩管相比，常規(guī)篩管充填效率提高62.5%。

4 結(jié) 論

（1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型多流道旁通篩管，通過自研的大型全尺寸水平井礫石充填實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性能分析。

（5）新型篩管的旁通性測(cè)試結(jié)果表明，該篩管的旁通性能和輸送性能表現(xiàn)良好，礫石充填效率高。

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Experimental of Performance Evaluation of Multi Channel Bypass Screen

Man Zongtong， Zhou Huan， Pang Mingyue， Dong Yanbing， Wang Shenghong， Cai Puli

（Production Optimization of China Oilfield Services Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China）

Multi channel bypass screen； Gravel packing； Gap section； Conveying capacity； Bypass performance

TE358

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2022.02.003

1006?396X（2022）02?0015?07

2021?09?28

2021?11?02

中海油田服務(wù)股份有限公司科技項(xiàng)目“三種多功能篩管研制及性能評(píng)價(jià)技術(shù)研究”（YSB19YF004）。

滿宗通（1991?），男，工程師，從事完井防砂技術(shù)方面研究；E?mail：manzt@cosl.com.cn。

(編輯 王戩麗）