超短半径水平井完井工具的设计与测试

张彬奇，谢涛，张保康，薛宪波，曲跃

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

0 引言

近年来海上油田开发进入高含水阶段，剩余油分布十分零散，如何进一步挖掘剩余油潜力成为低油价形势下急需解决的难题。超短半径水平井利用原有井内套管进行开窗造斜，减少进尺，增大泄油面积，可重新激活低产低效井，改善薄油层、低渗透油层的开发效果。由于超短半径水平井在完井过程中存在轨迹曲率半径小、工具弯折易受损、管柱下入摩阻大等难题，完井设计往往采用裸眼完井方式。这种方式在致密砂岩、灰岩储层应用中，主要优点有完井工艺简单，泄油面积大，采收率高等，但对于海上疏松砂岩油藏，裸眼完井后出砂严重，往往造成砂砾堵塞井筒，损坏采油泵等问题。针对这一问题，设计完成了浮式柔性引鞋、柔性盲管、柔性筛管、柔性管外封隔器、多分支悬挂器等配套柔性完井工具。通过对样机的抗拉测试与抗扭测试，设计工具均达到设计要求，满足现场应用需求。

1 技术难点

超短半径水平井的井眼曲率半径通常在1.5～3.6 m，由柔性短节组成的特殊柔性钻杆完成。近几年超短半径水平井技术已在我国大庆油田，胜利油田等陆上油田进行了成功应用，降低了钻井作业成本，提高了老油田的开发效果。该技术在海上应用的经验较少，在完井过程中面临的主要技术问题主要有以下3 点：

(1)常规完井工具无法通过小曲率半径井段；

(2)高造斜率要求完井工具能够承受一定的拉力和扭矩；

(3)海上油田多为疏松砂岩储层，完井时需考虑防砂需求。

2 完井工具的设计

2.1 浮式柔性引鞋

浮式柔性引鞋由基管、万向节、导引头组成(图1)。引鞋装配后可形成密闭空间，管柱入井后，这个空间呈封闭状态，完井液不能进入，因而可以产生一定的浮力，减轻引鞋在完井液中的重量，便于引导防砂管柱下入裸眼段内。其主要优势在于保证足够弯曲自由度的条件下连接上部柔性完井管柱，并提供引导下入功能，提高柔性完井管柱的下入成功率。

图1 浮式柔性引鞋结构图

2.2 柔性盲管

盲管是连接防砂管柱，实现管外封隔器、悬挂器坐封和砾石充填等工艺步骤的配套装置(图2)。设计的柔性盲管由盲管基管和万向节组成。盲管基管部分一端为用于连接的螺纹，另一端为万向节，万向节前段设计有螺纹扣，可与下一根柔性盲管或其他工具连接；万向节起到提高柔性盲管变形自由度的作用，安装在盲管基管的一端，并有用于连接的螺纹扣。

柔性盲管可以在保证足够弯曲自由度的条件下连接各种超短半径侧钻井完井工具，提供柔性完井管柱的机械连接完整性与密封性。

图2 柔性盲管结构图

2.3 柔性筛管

柔性筛管由筛管基管、筛网、保护套、万向节、丝扣、可溶金属暂堵套等构成(图3)。筛管基管上设计有数个进液孔，外部包裹有筛网，筛网外部包裹有保护套，地层流体需要首先经过筛网才能进入管内，以此实现对地层砂的屏蔽。可溶金属暂堵套安装在筛管基管的进液孔外部，对进液孔进行密封，当可溶金属暂堵套包裹进液孔时，可以隔绝柔性筛管内外空间，此时柔性筛管暂时处于盲管状态，可以泵送携砂液、化学暂堵剂等液体。当可溶金属暂堵套接触高浓度盐水后可以快速溶解，这时筛管基管的进液孔将解除密封状态，柔性筛管恢复进液功能。

图3 柔性筛管结构图

2.4 柔性管外封隔器

柔性管外封隔器由基管、压环、弹性套、可溶约束套、万向节等部分组成(图4)。其中可溶约束套采用可溶金属材质制作，其作用是约束弹性套，保证封隔器在下井过程中弹性套不会打开，封隔器处于收缩状态，当完井管柱下入到位后，向井内注入高浓度盐水，可溶金属溶解，弹性套则会弹起，撑起胶皮实现封隔功能。

图4 柔性管外封隔器结构图

2.5 柔性筛管多分支悬挂器

柔性筛管多分支悬挂器由提升短节、丢手机构、基管、锥套、卡瓦、液缸等部分组成(图5)。提升短节通过螺纹与丢手机构连接；丢手机构为机械液压复合丢手机构，可以通过正转或液压实现丢手功能；丢手机构位于基管上部，基管下部设计有液缸进液孔；锥套安装于基管外侧，其形状为倒锥形；卡瓦安装于锥套下部；液缸安装于卡瓦下部，当悬挂器需要工作时，管内打压液缸向上伸出，推动卡瓦上行，卡瓦在锥套上滑动时外径会逐步增大，直到接触技套内壁，悬挂器完成坐挂。

3 工具的测试

3.1 超短半径水平井完井工具抗拉试验

为了测试柔性筛管、柔性盲管等工具的抗拉能力是否符合设计要求，进行如下试验方案(图6)：

图5 柔性筛管多分支悬挂器结构图

图6 抗拉试验示意图

(1)将两根柔性筛管或柔性盲管连接在一起组成试验管串；

(2)将试验管串上下连接至工装夹具，并安装至拉拔试验机；

(3)逐步提高拉拔试验机压力，最高至1 000 kN，记录工具状态，若发生结构破坏则停止试验；

(4)拆卸试验管串，检查测试工具是否存在破损；

(5)记录试验数据，试验结束。

经测试，拉力达到1 000 kN 时，试验管串未发生破坏，满足设计要求。

3.2 超短半径水平井完井工具抗扭试验

为了测试柔性筛管、柔性盲管等工具的抗拉能力是否符合设计要求，如图7 所示进行试验，试验方案如下：

(1)将两根柔性筛管或柔性盲管连接在一起组成试验管串；

(2)将试验管串上下连接至工装夹具，并安装至扭矩试验仪；

(3)逐步提高扭矩试验仪输出扭矩，最高至20 kN·m，记录工具状态，若发生结构破坏则停止试验；

(4)拆卸试验管串，检查测试工具是否存在破损；

(5)记录试验数据，试验结束。

经测试，扭矩达到20 kN·m 时，试验管串未发生破坏，满足设计要求。

图7 抗扭试验示意图

3.3 柔性筛管多分支悬挂器功能试验

为了测试柔性筛管多分支悬挂器打压悬挂、机械丢手、液压丢手动作是否可以按照设计完成，验证工具可靠性，进行如下试验方案，试验示意图如图8 所示：

(1)将柔性筛管多分支悬挂器底部安装打压堵头，预置在177.8 mm 套管短节内，形成试验管串，悬挂器提升短节露出；

(2)将试验管串夹紧在扭矩试验仪上，扭矩试验仪一端夹紧提升短节，一端夹紧套管短节，并连接打压管线；

(3)进行打压，使悬挂器工作，控制扭矩试验仪两端收缩，验证悬挂器是否完成坐挂，记录结果；

(4)继续提高压力，至设计悬挂器液压丢手压力，控制扭矩试验仪两端拉长，验证悬挂器是否丢手成功，记录结果；

(5)拆卸试验管串；

(6)重复步骤(1)～(3)；

(7)泄压，正转提升短节至机械丢手圈数，控制扭矩试验仪两端拉长，验证悬挂器是否丢手成功，记录结果；

(8)拆卸试验管串，试验结束。

图8 柔性筛管多分支悬挂器功能试验示意图

经测试，柔性筛管多分支悬挂器丢手可靠，可实现倒扣和液压双丢手方式。

4 结语

(1)超短半径水平井在开采近井地带剩余油，增大泄油面积，挖掘老油田潜力方面具有重要意义。

(2)超短半径水平井需要采用特殊的柔性完井工具来进行完井作业。完井工具不仅要承受流体压差、轴向力和扭矩的作用，还需要有一定的弯曲能力。

(3)设计的柔性引鞋、柔性盲管、柔性筛管、柔性管外封隔器等配套完井工具通过相关测试可进行现场应用。