海上油田熱采完井技術研究與應用

　(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

海上油田熱采完井技術研究與應用

[摘要]海上油田首次應用熱采完井技術，受平臺空間、機采方式和地面砂處理等限制，熱采井不僅要安全環保，而且要滿足多輪次吞吐生產和長效防砂要求。熱采完井技術主要在防砂、完井管柱設計和材質選擇等方面進行優化研究，研究成果已成功應用于海上14口熱采井中，作業成功率達100%，充填率超過110%。截至2014年6月，首口井穩產超過1500d，平均有效期超過650d，均經歷了第一輪次熱采，其中4口井已完成二輪次熱采，均未發生出砂和管柱損壞現象。達到了設計要求，為海上熱采井高效開發奠定了基礎。

[關鍵詞]熱采； 完井； 出砂；篩管；管柱；海上油田

海上油田稠油黏度超過2300mPa·s，流動性差，單井產能低于10m3/d。為高效開發該類油藏，采用熱力采油技術，降低原油黏度，增強其流動性，從而提高單井產能。但是，在熱采過程中，井底溫度超過300℃，高溫對完井工藝技術提出了較高要求。首先，熱應力加劇出砂風險，海上熱采井必須采取防砂措施；其次，海上油田熱采采用的是長段裸眼水平井，交變熱應力易損壞防砂管柱，完井管柱需要改進和優化；最后，套管處于高溫和腐蝕性環境中，要求材質具備耐高溫和耐腐蝕的性能。

針對海上油田熱采井生產特征，優化和改進完井工藝技術，以滿足生產需要，保證海上油田安全環保生產，減小出砂風險和延長生產有效期。

1熱采防砂設計

海上油田稠油儲層膠結疏松，強度低，泥質含量高，為了增加泄油面積，采用裸眼水平井+優質篩管完井方式，在生產過程中，若防砂篩管精度選擇不當，易造成出砂，影響油井產能。而部分礫石充填防砂井，由于礫石層的擋砂作用，防砂效果明顯優于簡易防砂井。表1統計了某油田49口生產井不同防砂方式生產效果：礫石充填防砂井18口，占總井數的37%；出砂井2口，占充填井的12%。優質篩管防砂井31口，占總井數的63%；出砂井8口，占防砂井的26%。因此，采用礫石充填防砂技術，降低出砂風險，生產效果好。

表1　海上某油田不同防砂下出砂井統計

根據文獻[1]建立的疏松砂巖流固耦合出砂預測模型，分析井壁近井地帶巖石應力場、滲流場分布狀態，在熱采時增加熱力場，井底高溫產生徑向熱應力，改變了巖石受力狀態，造成巖石剪切破壞出砂，影響油井正常生產。

在海上熱采井中利用礫石充填防砂技術，保證生產中不出砂，延長防砂有效期，提高油井產能。礫石充填防砂主要有以下優點：

1)防砂效果好改變儲層內單一篩管的防砂方式，優選充填礫石尺寸，礫石層作為第一道防砂屏障，較大尺寸地層砂被阻擋；而篩管作為第二道防砂屏障，除了阻擋礫石層外，還兼顧阻擋流過礫石層的部分細粉砂。

2)可以支撐井壁充填密實的礫石層，在注熱或放噴生產時，礫石層不會被沖散，不會造成井壁坍塌損壞篩管。

3)增產效果好根據地層特征，采用高速水微壓裂充填技術，改善近井地帶儲層滲流，提高注入能力和產能。

2完井管柱設計

2.1熱應力補償器

圖1　熱應力補償器結構示意圖

熱采井防砂管柱與井眼之間充滿礫石，處于非自由狀態，在井底高溫300℃時，由溫度變化產生的熱應力高于篩管屈服強度，防砂管柱面臨屈服破壞風險[2]。為了減小熱應力對防砂管柱的影響，研制了篩管熱應力補償器，用于抵消管柱受熱伸長量，減小管柱軸向應力，使其在篩管屈服強度之內，從而達到防止防砂管柱變形損壞[3]。

熱應力補償器結構主要由中心管、耐高溫密封組件、安全銷釘、外管、配合接頭、限位接頭、滑動內套、限位半圓鍵、內通徑套、上接箍等組成，如圖1所示。耐高溫高壓波紋管密封件上下端分別焊接在上端環和下端環上，密封原件裝在中心管中部的抗拉力臺階上，在下井狀態中處于原始狀態，當篩管受熱膨脹時，熱應力推外管產生位移，波紋管即開始壓縮，達到補償效果[4]。

根據海上稠油熱采井井底溫度(300℃)和裸眼水平段篩管長度，建立熱膨脹計算模型：

ΔL=αLΔt

式中：α為熱膨脹系數，m/℃；L為篩管長度，m；Δt為井底溫度差，℃。

由該模型計算出篩管膨脹量ΔL=910mm。根據補償器補償距離，確定在防砂管柱合理位置增加熱應力補償器，降低防砂管柱遭受熱應力損壞的風險。

2.2充填密封筒

圖2　充填轉向閥工作原理圖

單筒雙井水平段采用?152.4mm裸眼礫石充填完井，水平段長，在充填過程中井口壓力高[8]，根據礫石充填設計軟件，充填排量為0.56m3/min時，砂丘高度比為0.71，β波壓力為8.56MPa，地層破裂壓力為6.35MPa，α波壓力為3.04MPa。此時，β波壓力超過了地層破裂壓力，為降低逆向充填β波壓力，防砂管柱需增加充填密封筒，其工作原理如圖3所示。

防砂管柱下入到位后，進行礫石充填作業，此時充填密封筒與沖管轉向閥配合，處于關閉狀態，密封筒前端壓力p1<后端壓力p2，攜砂液流向水平段尾端，首先進行尾端充填(見圖2(a))；當充填逐步向水平段前端推進至密封筒時，由于底部充滿礫石，攜砂液通過篩管使前端壓力p1>后端壓力p2，此時轉向閥打開，攜砂液繼續逆向充填(見圖2(b))，最終完成裸眼水平井礫石充填作業。

圖3　海上熱采井完井管柱結構圖

根據軟件計算結果，在防砂管柱中增加1個密封筒，可使充填壓力低于地層破裂壓力，避免壓漏地層，導致充填失敗，滿足充填施工要求。

2.3完井管柱設計

由以上篩管膨脹模型，計算出單筒雙井篩管受熱膨脹量為910mm，若不消除膨脹量，產生的熱應力會損壞防砂管柱，導致出砂風險。根據熱應力補償器的補償距離，結合水平段井底溫度和生產情況，優化采用2套熱應力補償器，1套安放在頂部篩管以下50～60m，在相距第1套以下100m安放另外1套熱應力補償器。小尺寸、長水平段裸眼礫石充填施工難度大，工藝復雜，施工壓力高，為了提高充填效果，采用密封工具并逐段充填工藝，由充填模擬軟件計算充填α波和β波壓力，優化充填密封筒安放于防砂管柱中部，提高了充填效率。完井管柱如圖3所示。

3材質優化

3.1耐高溫性

在熱采過程中，熱應力對管柱的影響是顯著的。因此，必須優選合適材質的管材，以適應井底高溫惡劣環境影響?？紤]井底溫度300℃以上，由溫度變化引起的熱應力超過700MPa，遠遠超過N80屈服強度(565.7MPa)，通過室內不同材質的熱應力試驗，優化管材材質P110，該材質管材在溫度300℃時，屈服強度達到740.98MPa[5]。

3.2耐蝕性能

在熱采中，利用環空注氮隔熱措施保證井底高溫，減少井筒沿程熱損失，不可避免含有O2腐蝕性氣體，若油藏含有CO2氣體，也會造成管材腐蝕影響。

為了降低熱采中腐蝕和沖蝕對篩管的影響，根據腐蝕性O2與CO2氣體腐蝕機理，優選金屬網過濾層采用316L不銹鋼?；芴岣逤r含量，室內對3Cr材質進行試驗，并對腐蝕產物膜的元素分布進行分析，表面Cr、Ni、Cu等耐蝕元素發生明顯富集，其中Cr富集量高達20%以上，提高耐腐蝕性3倍以上，經過現場熱采井應用實踐，沒有發現管材腐蝕損壞現象，延長了油井壽命。

4現場應用

A1井為海上油田一口熱采井，用?444.5mm鉆頭鉆至369.0m，下?339.7mm表層套管至367.3m。?311.2mm鉆頭鉆至1773.0m，下?244.5mm套管至1768.4m。?215.9mm鉆頭+旋轉導向鉆具鉆至設計井深1949.0m完鉆，水平段長度176.0m。

從實鉆來看，儲層巖石膠結疏松，泥質含量較高，防砂采用優質篩管+礫石充填方式，篩管擋砂精度120μm，充填20～40目陶粒。根據熱采井底溫度、篩管長度和膨脹量計算模型，計算篩管膨脹量為668mm，結合補償器補償距離為400～450mm，采用2套熱應力補償器，分別安放于1805.0m和1860.0m。水平井礫石充填時，充填β波壓力達到8.35MPa，地層破裂壓力6.12MPa，β波壓力高于地層破裂壓力，需要增加充填密封筒，由礫石充填防砂設計軟件設計出充填密封筒安放于1867.0m。

在鉆完井施工過程中，完井成功率100%，充填效率超過110%，提高了充填效果。截至2014年6月，穩產超過680d，累計產油超過18000m3，目前仍在繼續穩產，經歷了第一輪次熱采的考驗，在生產過程中沒有發生井筒及防砂管柱損壞現象。

5結論

1)礫石充填滿足了海上油田熱采井防砂要求，延長了有效生產時間。

2)完井防砂管柱優化改進措施，減小熱應力影響，提高充填效果。

3)優選的管材材質，不僅經受住高溫考驗，而且具有防腐性能，降低管材損壞風險。

該文屬中海油田服務股份有限公司項目“海上稠油熱采井鉆完井技術研究”(C201103)基金產出論文。

[參考文獻]

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[編輯]黃鸝

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[引著格式]劉新鋒，張海龍，朱春明，等.海上油田熱采完井技術研究與應用[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(11):43～46.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)11-0043-04

[中圖分類號]TE25

[作者簡介]劉新鋒(1981-)，男，高級工程師，現從事海上完井防砂技術研究與應用工作，liuxf16@cosl.com.cn。

[收稿日期]2014-10-14