超深气井连续油管多径组合管柱作业新工艺

庞德新 艾白布·阿不力米提 焦文夫 陈 波 郭新维 王一全 白华明

中国石油新疆油田公司

0 引言

随着致密油气、页岩油气等的规模勘探开发，“三超井”（储层温度超过177 ℃、储层压力超过105 MPa、井深超过6 000 m）的数量越来越多，为了保证“三超井”的投产、稳产和增产，需要对井筒及产层进行各类作业措施。近年来，连续油管作业技术在“三超井”测井、修井、增产措施等作业中得到了广泛应用，并已成为“三超井”作业中的主体技术之一[1-4]，并取得了好的效果。但是“三超井”完井生产管柱的多变径组合，制约了连续油管的应用，并提出了新的要求[5-9]：①安全载荷受限，连续油管下入垂深6 000 m 以上时安全系数将达到极限，载荷安全阈值极小；②泵注压力高，小直径内变径连续油管能下入预定深度，但沿程摩阻大，地面所需泵压较高；③末端效应小，由于沿程摩阻大，泵入小排量水动力无法满足末端执行部件所需的能量；④返屑效率低，与生产管柱之间的间隙较大，返屑能力差。近年来内变径连续油管的应用使得连续油管的下入深度提高了30%[10]，但同时降低了水动力转换效率。刘亚明等[11]对连续油管最大下入深度问题进行了探索，但都集中于水平井、斜直井[12-14]；Lubinski 等[15]在不考虑连续油管自重与摩擦力的前提下研究了垂直井中的屈曲问题，并采用能量法获得了屈曲的临界载荷；Mitchell 等[16]假设屈曲后螺距随轴向力的变化而变化，并通过解析法获得静力平衡方程的解析解；李子丰等[17]根据几何非线性动力学分析了管柱的动态过程，并构建了动态力学控制方程；针对连续油管管内流动问题国内外许多学者在理论方面进行了深入的试验研究[18-19]，张小宁等[20-22]以连续性方程和N-S 控制方程为基础，将迪恩数和曲率为自变量，考虑曲率和管路的几何尺寸对连续油管螺旋段牛顿流体流动性及摩阻压耗的变化规律进行研究。Pandya等[23]通过牛顿流体和非牛顿流体在层流和湍流中的摩擦系数关联式对连续油管弯曲引起的二次流流动阻力进行了研究，并建立了液体和液固两相的预测模型。但不同外径和内径连续油管作业深度和摩阻方面的分析和现场应用鲜见。

为此，基于连续油管规格不同尺寸、设备模块化移动灵活、高自动化程度、可带压起下的优势[24-26]，结合“三超井”的地质条件、井筒结构和流体介质变化等实际特点，研发了多径组合连续油管作业工艺技术，配套研发了多径连续油管对接装置，并成功应用于中国石油塔里木油田公司XX11 井。实践证明，该工艺技术安全可靠、效率高、作业成功率高，配套研制工具可靠性高、耐用性强，为超深井连续油管井筒作业提供了一种新的解决方案。

1 技术思路

根据作业井的地质油气藏特性、井身结构特点、流动介质性质和作业要求，入井组合连续油管应具备以下基本性能：①机械强度满足施工条件，能够下入作业深度，且能够顺利提出；②最大外径满足井身结构尺寸，能够通过最小尺寸、保证顺利下入；③抗腐蚀能力满足施工要求，可实现安全施工作业；④抗内外压力等级满足施工要求，避免发生挤毁或爆裂。

综合考虑上述连续油管基本要求，优选不同外径组合的连续油管管柱，在同一口井实施全过程作业。底部使用小直径连续油管，不仅提高连续油管的通过性，且降低管柱自重提高载荷安全系数；上部使用大直径连续油管、不仅降低泵注沿程摩阻，且提高载荷安全系数，同时提高返屑速度。

2 多径对接装置设计

多径连续油管对接装置是不同外径连续油管对接的主要工具，其主体结构如图1 所示。多径连续油管对接装置主体结构主要由上接头、密封圈、对接螺母、限位螺钉、抗扭卡瓦、插杆和下接头组成。上下管柱预安装的插杆和上接头对插完成后，通过对接螺母进行轴向固定，抗扭卡瓦提供所需反扭矩。

图1 多径连续油管对接装置结构与实物图

图2 所示为连接螺母最大变形与等效应力云图，图2-a 显示螺母最大变形处为0.005 8 mm，在材料允许应变量范围内，图2-b 显示螺母最大等效应力为102.51 MPa，远小于材料的屈服强度。

图2 对接螺母变形与等效应力云图

对接装置螺纹连接部位的抗拉载荷应满足现场施工要求。对连接部位进行了有限元强度分析，采用材料为42CrMo。

图3-a 为抗扭卡瓦结构图，最大变形处为0.004 7 mm（图3-b），在材料允许应变量范围内，最大等效应力为720.35 MPa（图3-c），接触应力满足施工要求。

图3 抗扭卡瓦结构及力学仿真云图

3 多径连续油管组合参数分析

3.1 多径管柱下入深度分析

结合CT90连续油管规格尺寸及机械力学特性[27-30]，对不同外径连续油管的极限下入深度进行了分析计算。表1 所示为CT90 连续油管规格尺寸及机械力学特性参数表。

表1 CT90 钢级连续油管规格尺寸及力学特性参数表

表2 所示为不同外径CT90 连续油管在极限载荷时的最大下入深度，Ø38.100 mm 极限深度为7 621 m，无法满足末端效应所需的泵注排量；Ø60.325 mm 极限深度8 268 m，管径大又不能满足通过性。

表2 CT90 不同外径连续油管极限载荷下入深度表

由表2 可知，组合连续油管的极限下入深度，Ø38.100 mm+Ø60.325 mm 组合连续油管最大静载下深12 278 m，比4 号Ø60.325 mm 等径的连续油管多下入4 010 m，提高了48.5%，比1 号Ø38.100 mm等径的连续油管多下入4 657 m，提高了61.1%，组合方式提高了连续油管的通过性。

3.2 多径管柱泵注参数分析

取作业深度7 000 m 为例，对CT90 不同外径连续油管的沿程摩阻进行了分析。表3 为井筒与连续油管尺寸和流体介质性能参数表，计算结果如表4 所示。在井口和工具节流压力为0 时，各种规格连续油管不同排量下的摩阻数据曲线，350 L/min 排量时，Ø38.100 mm 沿程总摩阻达141.4 MPa，Ø60.325 mm沿程总摩阻为59.2 MPa。

表3 井筒与连续油管尺寸和流体介质性能参数表

表4 7 000 m 作业深度CT90 同外径连续油管沿程摩阻计算结果表

按作业井深7 000 m，作业井筒内径76 mm，综合考虑机械强度、通过性、泵效和末端效应[31-32]，将连续油管排列组合如表5 所示。

如表6 所示为作业井深7 000 m、井口和工具节流压力为0 时，组合连续油管不同排量下的摩阻数据曲线，350 L/min 排量时，2 号组合连续油管作业总沿程摩阻73.2 MPa，同Ø38.100 mm 等径连续油管比较摩阻降低48.2%，4 号组合最优，总摩阻51.4 MPa，相比Ø44.450 mm 等径连续油管减少7.3 MPa，降阻12.4%。

表5 7 000 m 作业深度CT90 不同外径连续油管组合表

表6 7 000 m 作业深度CT90 组合连续油管不同排量下沿程摩阻计算结果表

3.3 末端效应分析

以内径76 mm 油管内水射流解堵作业为例，采用2 个Ø4 mm 喷嘴旋转水射流喷头，不同排量下水射流冲击力曲线如图4 所示，350 L/min 射流冲击力为0.68 kN，Ø38.100 mm 施工压力高达168.3 MPa，Ø44.450 mm 的 施 工 压 力 达85.6 MPa，Ø50.800 mm×2 170 m 与Ø44.450 mm×4 831 m 的组合连续油管施工压力为77.6 MPa，同样施工压力下组合管柱的所获得的末端效应提高75%和9.3%。

图5 为连续油管多径组合射流冲击压力曲线。

3.4 优选组合

在现场实际应用过程中，为达到最优组合方式，根据机械强度、通过性、最低施工压力、最高末端效应选取相应合适方式。

图4 2×Ø4 mm 喷嘴旋转喷头的末端效应图

图5 2×Ø4 mm 喷嘴连续油管多径组合射流冲击压力曲线图

建立约束关系：①组合各段连续油管机械强度满足要求；②作业深度满足作业要求；③通过性满足井筒尺寸要求；③泵注效率最高；④末端效应施工要求。

约束条件都满足时即为最优组合，筛选方法：优选组合为最大下深时i 由小至大，反之为最大泵注效率。

式中i 表示连续油管规格；Wi表示i 规格下的连续油管悬重，kg；Li表示i 规格连续油管长度，m；L目标表示作业深度，m；pi表示第i 段的管内/外沿程摩阻，MPa；p末表示末端节流压力，MPa；p井表示液面平衡时的井口压力，MPa；p泵表示地面泵组额定工作压力，MPa。

4 现场应用

4.1 目标井井况

塔里木油田XX11 井是库车坳陷东秋立塔克构造带的1 口预探直井，在生产过程中地层出砂上产管柱堵塞，产量下降关井，分析认为生产通道堵塞。需疏通至5 549 m 深度。该井MHR 封隔器位置5 358.07 m，通径仅48.51 mm。

4.2 现场作业参数及效果

优选Ø50.800 mm 油管×4 477.26 m（钢级QT900、壁 厚3.96 mm）+ 对 接 装 置+Ø38.100 mm 油 管×1 037.0 m（钢级CT90、壁厚3.40 mm）组合连续油管进行作业。

作业液体为1.50 g/cm3密度有机盐冲砂液，现场施工排量300 L/min，套管内返速0.66 m/s，油管（井口～3 880 m）内返速2.1 m/s，油管（3 880 ～4 512 m）内返速5.0 m/s，油管（4 512 ～5 382 m）内返速2.6 m/s，返速满足冲砂要求。射流冲洗返出铁屑、岩、凝析蜡块、细铁丝等混合物，如图6 所示。外排点火，出口焰高0.5 ～5 m，井筒得到有效疏通，作业后产量恢复至13×104m3/d。

图6 XX11 井返出物照片

5 总结

1）开发了连续油管多径组合地面、井下对接装置及工具，并现场成功应用。

2）连续油管多径组合作业工艺技术可提高下入深度48.5%以上、降低摩阻41.7%、增强末端效应33%以上。

3）通过现场应用，验证了对接方式、各项参数及工艺技术的可行性。

4）为连续油管模块化、工厂化、连续油管现场作业管柱的系列化应用提供了新的思路。