可溶篩管在塔里木油田高溫高壓氣井中的應用

魏軍會 ，景宏濤，謝 英，李建明，司 想

1.中國石油塔里木油田油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000 2.中國石油塔里木油田克拉采油氣管理區，新疆 庫爾勒 841000

引言

庫車山前陸盆地是中國重要的天然氣勘探開發基地，為塔里木油田增儲上產的主戰場，油氣主要富集于前陸沖斷帶[1-2]。該區域深層儲集層埋深超過6 000 m，普遍高溫（160～180°C）高壓（不低于105 MPa），孔隙度6.0%～9.0%，滲透率0.1～1.0 mD，屬于低孔低滲裂縫性氣藏，具有“埋深較大，構造控藏、儲量豐度高、高壓和高產”的特點[3-6]。由于該區域地層壓力系數較高，為保證井控安全，鉆井過程中使用高密度泥漿來平衡地層壓力。但用高密度泥漿會導致在完井階段泥漿出現沉降和固結現象；為避免生產過程中出砂埋卡管柱，使井筒不利于清潔，常將管鞋下至射孔段頂部，但又會因地層含砂，長時間作業會造成井筒堵塞砂埋導致停產，修井處理難度大，周期長[7-9]。較長的修井工期使得產層長時間浸泡在重漿中，令儲層污染嚴重，修井后產能恢復率低，嚴重影響氣井的穩產及增產。

為此，研發了一種可溶篩管，該篩管可溶解在酸液中形成生產通道，在完井時有利于清潔井筒，達到清潔完井的目標。同時，可溶篩管與封隔器下部管柱使用銷釘連接，在修井作業中，解封封隔器后打撈出封隔器及下部一段管柱，再下入專用打撈工具，上提可溶篩管，剪切丟手短節中的銷釘，可實現分段打撈，減少作業量，提高修井效率，從而減小了在修井作業過程中對儲層的傷害。該技術解決了庫車山前陸盆地儲層井眼清潔及小井眼快速修井問題，形成了塔里木油田庫車山前特色的可溶篩管完井技術，取得良好的效果。

1 可溶篩管技術

可溶篩管技術涉及高溫高壓油氣田油氣井開采完井技術領域，特別是需要滿足高溫高壓油氣井清潔完井及安全高效修井作業兩種需求，是一種能夠實現低成本清潔完井及后期安全修井作業的工藝方法。

1.1 技術參數

可溶篩管本體材料為S13Cr，外徑88.9 mm，與31/2′′（1′′=2.54 cm）油管外徑相同，長5 m，內徑74.0 mm，篩管孔密度16 孔/m，孔徑為M16×1 的密封型螺紋孔，見圖1[10]。為了保證篩管的屈服強度和抗拉強度，孔眼之間的距離62 mm，相位角為90°，篩管兩端為直連型雙級扣，入井前篩管安裝可溶孔塞，在5 根篩管之間設計一個直聯型提拉式丟手接頭（圖2）。

圖1 可溶篩管結構圖Fig.1 Structure diagram of dissolvable screen

圖2 可溶孔塞圖Fig.2 Structure diagram of dissolvable hole plug

可溶孔塞結構（圖2）設計最大密封直徑為19 mm，孔塞安裝螺紋為M16×1，在可溶孔塞上安裝耐高溫密封件，與可溶篩管本體實現密封?？扇芸兹穸确譃?、3、4 和5 mm，根據可溶孔塞的酸溶實驗數據選擇厚度4 或5 mm 的酸溶材料[11]。

丟手接頭結構見圖3，丟手接頭外徑88.9 mm，內徑70.0 mm，總長1.96 m，接頭為機械提拉式，銷釘繞圓周4 等分，3 排12 只?？筛鶕氯刖律疃人鶔旌Y管的重量及設計的安全系數調整脫手銷釘的數量。

1.2 可溶孔塞優選

1.2.1 土酸溶解性能

為了優選出一種確保被土酸在30～40 min 內完全溶解溶蝕的金屬材料[12-14]，實驗采用3 種酸溶金屬材料（A、B 和C）進行對比實驗，分別測試在70、90、110、130、150 和170°C時的溶解性能，結果如圖4 所示。

圖4 可溶材料A、B 和C 減薄量隨溫度變化趨勢圖Fig.4 Trend of acid dissolvable materials A,B and C thinning with temperature

從可溶材料A、B 和C 等3 種材質不同厚度試樣的減薄量隨溫度變化趨勢可見，隨溫度升高，3 種材質的減薄量增大，即溶解速率增大。酸溶材料A 和B 在溫度不超過110°C時，溶解較慢，超過110°C后，減薄量明顯增大，即溶解速率快速增大，溫度達到170°C時，所有厚度試樣全部溶解。

由5 種材質（可溶材料A、B、C、P110 和雙相不銹鋼2205）在酸液中的減薄量對比圖（圖5）可見，酸溶材料C 減薄量最大。實驗表明，溫度達110°C時，該材料所有厚度試樣已經全部溶解。因此，優選材料C 進行進一步評價。

圖5 5 種材質在酸液中的減薄量對比圖（150 °C）Fig.5 Comparison of five material thinners in acid liquid（150 °C）

1.2.2 泥漿溶解性能

模擬可溶孔塞在庫車山前鉆井泥漿中的耐腐蝕性。實驗條件為：170°C，克深24-A 井現場油基泥漿（2018-07-03 取樣，密度1.72 g/cm3，漏斗黏度10 s，Cl-濃度36 000 mg/L），用量不低于20 mL/cm2；實驗時間48 h。

實驗結果表明，材料C 抗腐蝕性能最優，在腐蝕環境前后質量無變化，且表面未發現腐蝕情況。

1.2.3 水介質溶解性能

模擬可溶孔塞在庫車山前氣田水中的耐腐蝕性。實驗條件為：170°C，Cl-濃度50 000 mg/L，實驗時間168 h。

實驗表明，在實驗的水介質腐蝕環境中，168 h實驗后，可溶材料A、B 和C 均發生層片狀或塊狀脫落，見圖6。

圖6 水介質腐蝕實驗168 h 后樣品性狀Fig.6 Sample behavior after 168 h water dielectric corrosion test

1.2.4 甲酸鹽完井液耐腐蝕性性能

模擬可溶孔塞在庫車山前高溫高壓氣井中的完井過程，在甲酸鹽完井液中的耐腐蝕性。實驗時，將試樣（每組3 個）放入老化罐，充壓2 MPa，放入已升至設定溫度的恒溫箱中，恒溫時間定為0.5 h，測試可溶孔塞在甲酸鹽完井液中的耐腐蝕性能，結果見表1。

表1 可溶孔塞甲酸鹽完井液的耐腐蝕性能測定結果Tab.1 Corrosion resistance of dissolvable pore plug in formate completion fluid

甲酸鹽完井液腐蝕性能實驗表明，可溶孔塞在庫車山前高溫高壓氣井甲酸鹽完井液中，實驗后質量有所增加，甲酸鹽完井液pH 值無明顯變化。

1.2.5 酸液溶蝕實驗

后期高溫高壓氣井一般會經歷改造增產，需要對產層段進行酸化，因此，對應產層段的可溶篩管中的可溶孔塞材質在酸液中應具備完全溶解性能，為后期油氣生產提供通道[15]。由于可溶篩管對應產層段，而產層段溫度較高，壓力較大，故需要可溶孔塞材質在高溫高壓條件下能夠完全溶解。實驗條件為6 MPa，110°C，12.0%HCl+3.0%HF+5.1%酸化緩蝕劑（3.4%緩蝕劑A+1.7%緩蝕劑B），驗收標準為可溶孔塞完全溶解。實驗表明，在該酸液中可溶篩管溶解時間最大為2 h。

1.3 物理性能測試

1.3.1 抗內壓實驗

使用實驗設備：井下工具功能性檢測系統，上扣扭距扳手，150 型試壓泵，高壓管線等。

實驗過程：將可溶篩管清洗干凈，去除毛刺安裝可溶孔塞，先在可溶孔塞上安裝好密封圈，再擰入篩管的螺孔中。將可溶篩管一端封閉，另一端擰上試壓接頭，接上試壓管線。開泵打壓15 MPa，穩壓15 min 不降。繼續打壓35 MPa 測試直連雙級扣的密封強度，穩壓15 min 不降，實驗原理示意圖與實物圖見圖7。

圖7 抗內壓實驗Fig.7 Diagram of the anti internal pressure experiment

1.3.2 抗拉載荷測試

將篩管兩端連接在液動拉伸機上，然后打壓，液體推動液缸實現拉伸，液缸的壓力1 MPa 提供10 kN 的拉伸力，示意圖與實物圖見圖8。

圖8 抗拉載荷實驗Fig.8 Diagram of tensile load experiment

篩管兩端連接后，開泵打壓做650 kN 的載荷實驗，根據液缸的壓力1 MPa 提供10 kN 的等量關系，向液缸注入65 MPa 的壓力。

可溶篩管抗拉載荷實驗結果表明：1）打壓68.41 MPa，穩壓15 min，無明顯降壓現象，壓力數據顯示為68.25 MPa。2）篩管的實驗抗拉載荷為650 kN；測量篩管的密封孔為19.1 mm，無變形。3）31/2′′平式油管的線重實測為13.84 kg/m，抗拉安全系數完全滿足施工要求。

1.4 丟手短節性能評價

1.4.1 抗拉性能評價

試驗條件：丟手短節可通過設定不同數量的剪切銷釘，從而實現在設定剪切值下出現剪切，實現丟手功能[14-17]。為了驗證丟手短節能夠在設定的剪切值下，進行了丟手短節剪切試驗。

試驗中，剪切銷釘數量為12 個，丟手短節設定的剪切值為14 t。圖9 為丟手短節剪切試驗結果，該丟手短節在拉力為21.4 t 時發生突變，表明丟手短節剪切銷釘發生斷裂，丟手短節實現丟手[16-19]?？紤]到該試驗系統摩擦阻力6.9 t，丟手短節剪切值為14.5 t，達到了試驗設計要求。

圖9 丟手短節剪切試驗曲線Fig.9 Shear test curve of released nipple

1.4.2 丟手短節在壓裂施工中的安全分析

1）壓裂過程中縱向受力分析

丟手短節所受重力以150 m 管柱計算，該短接質量2 835 kg。丟手剪釘所受摩擦阻力主要是丟手短節剪釘以下到可溶篩管出口這段管柱（2 m）所受到的摩擦阻力；以施工最大排量5 m3/min、井深7 000 m 計算液體到達丟手位置所產生的摩擦力；每流經2 m 沿程摩阻增加0.02 MPa，產生的摩擦力為8.7 kN（約對應0.87 t）；目前使用的丟手短節有3 排剪釘，每排6 顆，剪切每顆需要1.167 t，剪切丟手力為21 t[20-22]。因此，丟手短節所受縱向力在安全范圍內。壓裂施工前可溶孔塞已全部溶解完，可溶篩管孔徑16 mm，每根可溶篩管長4.39 m，有84 孔?？扇芎Y管過流面積為16 880.64 mm2，31/2′′油管過流面積4 534.16 mm2，可溶篩管過流面積是31/2′′油管過流面積的3.7 倍。壓裂液通過坐封球座后，只流經1.81 m 丟手短節即進入可溶篩管，無節流且增大了2.7 倍過流面積，對剪釘無縱向剪切力。

2）壓裂施工過程中橫向受力分析

丟手接頭的上接頭與下接頭的配合間隙只有0.10～0.15 mm，長度158 mm，且安裝有高溫密封圈進行密封。每顆剪釘對應一個獨立銷釘槽用螺紋固定，管柱發生橫向擺動時接頭本體受力，不會對剪釘產生破壞性剪切。為了防止管柱震動使剪釘固定螺紋松動，剪釘退出剪釘槽，可采用涂抹高溫厭氧膠加以固定[21-24]。

3）壓裂施工中的安全分析

封隔器下部管柱重量為2.84（t150 m 下部管柱為例）；在排量5 m3/min，7 000 m 井深條件下，通過丟手位置產生摩阻0.87 t，18 個銷釘受力21 t，滿足安全條件；流體通過丟手工具時，由于連接的可溶篩管過流面積大，丟手短節不受剪切力影響；在丟手工具制造工藝上，上下接頭間隙0.10～0.15 mm，且每個銷釘對應獨立銷釘槽，在產生橫向震動（10～12 mm）時丟手本體受力，銷釘不受力；丟手工具在壓裂過程中滿足安全需求。

1.5 完井管柱設計

管柱配置油管+安全閥+油管+封隔器+93.2 mm 直連油管（50 m）+球座+可溶篩管（射孔段）+直連油管+打孔篩管（2.4 m）+管鞋；球座下部每30 m 管柱配置丟手短節1 個，管鞋下至人工井底輕度支撐，見圖10[25-27]。

圖10 可溶篩管完井管柱Fig.10 Dissolvable screen completion string

施工步驟：1）下完井管柱，安裝采氣樹。2）利用打孔篩管反循環替換出井筒以及油管內部的重泥漿。3）封隔器坐封。4）注酸或利用改造酸液溶掉可溶孔塞。

2 現場應用對比分析

2.1 常規管柱

以深A 井為例，該井完井管柱如圖11 所示。該井設計了兩個射孔段，分別為7 586.00～7 651.00 m 和7 480.00～7 580.00 m。下51/2′′CHAMP封隔器四閥一封測試管柱至井深7 066.30 m 對7 586.00～7 651.00 m 進行酸壓測試求產，油壓91 MPa，套壓32 MPa，日產氣33×104m3；然后，下入完井管柱，管鞋下深7 400.00 m，進行籠統改造，改造后油壓60 MPa，日產氣17×104m3。

圖11 克深A 井完井管柱圖Fig.11 Completion string diagram of Well Keshen-A

分析認為，完井投產管柱管鞋下深7 361.39 m，距射孔頂界（7 480.00 m）118.61 m，距離下部射孔段底界（7 651.00 m）289.61 m，故封隔器坐封后，管鞋以下仍有289.61 m 的高密度泥漿墊，在下完井管柱過程中，經過8 d 井底高溫沉淀，形成泥漿段塞，導致下部井段放噴過程中井底阻力大，且酸壓溝通下部儲層困難。因此，該井下部層段流體通道被嚴重堵塞，氣井產量低。若完井管柱下至射孔段底部，雖然可以實現完全替液，但又會由于出砂、結垢嚴重，射孔段管柱經常被埋卡，油壓波動嚴重，影響穩產，并會延長大修工期。

2.2 可溶篩管

2019 年，可溶篩管首次應用于塔里木油田迪那AA 井大修作業中，該井由于鉆井過程中，井下情況復雜，事故完井，完井后井筒內被2.34 g/cm3的重泥漿長期浸泡，地層壓力106.2 MPa，地層溫度136.1°C。修井采用密度1.80 g/cm3油基修井液，下完井管柱期間，泥漿靜置5 d。修井作業完井管柱結構見圖12。迪那AA 井投產后8 mm 油嘴生產，油壓57 MPa，日產氣48.60×104m3，日產油46.66 t，產能恢復率達到89%。

圖12 迪那AA 井完井管柱圖Fig.12 Well Dina-AA completion string diagram

同年，大北30A 井修井后，應用可溶篩管完井技術，且進行加砂壓裂，最高排量4.41 m3/min，泵壓109 MPa，最高加砂濃度324.50 kg/m3，安全施工。5 mm 油嘴放噴，油壓84.38 MPa，無阻流量由作業前的55.12×104m3/d，增加到措施后的239.77×104m3/d，增加了3.35 倍，使用效果良好。

可溶篩管在現場5 口井的應用表明，該技術能縮短大修工期（縮短工期1/3，見圖13），獲得良好清潔完井效果，提高了大修后產能恢復率：常規管柱大修后產能恢復率平均78.17%，可溶篩管大修后產能恢復率平均211.58%（圖14），提高了1.71 倍，配合改造工藝后無阻流量平均恢復率可達276.00%。

圖13 庫車山前修井周期Fig.13 Workover period in front of Kuqa Mountain

圖14 庫車山前修井后產能恢復率Fig.14 Recovery rate of production capacity after well workover in front of Kuqa Mountai

3 結論

1）庫車山前陸盆地的氣井地層壓力系數較高、埋深較大、高溫高壓，導致清潔完井困難，修井周期長，修井后產能恢復率低，嚴重影響氣井的穩產及增產。為此成功研制出可實現酸溶篩孔、分段打撈的可溶篩管，實現充分替液，達到清潔完井和安全高效修井的目標，提高修井效率，減小修井作業對儲層的傷害。

2）可溶篩管滿足抗內壓35 MPa，穩壓15 min不降的密封設計要求；并且抗拉載荷實驗650 kN，篩管無變形，抗拉安全系數完全滿足施工要求?？扇芸兹麧M足在110°C時，全部溶解；在模擬氣田水介質腐蝕環境中，經168 h 后，發生層片狀或塊狀脫落；在油基泥漿及甲酸鹽完井液中均無明顯變化。各屬性滿足井下工況要求。

3）可溶篩管在庫車山前修井應用表明，該技術縮短了修井周期，提高了產能恢復率，獲得良好的清潔完井效果，可在類似區域推廣使用。