水平井筛管充填通道建立适应性研究

王新涛，邢洪宪，刘 鹏，鞠少栋，王世强，李清涛

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

油井高含水带来的老油田稳产、油田节能减排等问题，现已非常严峻，其中治理难度较大的水平井高含水问题尤为突出。在生产油田部分水驱油藏逐渐进入开发中后期，无论是单井还是油田综合含水均较高。针对业内水平井控水难题，逐步形成了“封隔体控水”新工艺，极大降低了对见水分析精度的要求，具备较高的推广应用价值。南海西部大部分在生产水平井水平段长度300～700m且采用简易筛管防砂，因“封隔体控水”工艺要对筛管外部进行充填，故需开展筛管充填通道建立的攻关工作，以提升工艺适应性。通过理论加试验评价的方法优化开孔工艺，形成一套水平井筛管充填通道建立的工艺技术。

1 充填通道建立工艺及试验

1.1 开孔工艺技术优选

目前常用的应用在套管井中的井下开孔工艺技术分为三种，分别是：火工品射孔、水力喷砂射孔和机械式冲孔。火工品射孔比较常用[1-2]，技术成熟，且油管输送射孔（TCP）可采用多种引爆方式，可实现正、负压射孔等射孔条件。水力喷砂射孔工艺较成熟，常用于解堵和压裂工艺中，适用于定向井和水平井，但喷砂定向射孔技术暂时无应用。机械式冲孔技术主要利用机械式液压机构进行冲孔开窗，实现井筒与地层间的有效连通，目前纯机械式冲孔开窗技术在国内外尚无大规模成功应用的案例。

优选火工品射孔工艺，针对6-5/8″星孔筛管、5-1/2″复合筛管和射孔枪选型进行分析，确定开孔临界尺寸，通过理论计算得出适合星孔筛管和复合筛管的射孔孔径不大于18mm。同时，为保证筛管的防砂效果，确定射孔原则：星孔筛管开孔时，射开1个孔导致星孔过滤网脱落个数不超过2 个；复合筛管开孔时，射开1 个孔连通筛管基管孔个数不超过2个。

1.2 模拟分析

取长度2m分别建立6-5/8″星孔筛管基管模型[3]及40 孔/m、射孔尺寸∅16mm 的射孔枪射穿同尺寸套管后的模型。对比两个模型，用两个模型中筛管基管星孔和射孔的重合情况来分析在射孔过程中星孔过滤网脱落比例。两个模型中分别含有333 个筛管基管星孔和80个射孔。部分重合模型如图1所示。

图1 筛管基管星孔模型和射孔模型图

分析得出，基管星孔和射孔重合度为1/2以上的占筛管总孔数的14/333，1/4 以上的占34/333，则在该条件下星孔筛管射孔过程中约有4.2%～10.2%的星孔过滤网会脱落；定向射孔时射孔弧面角度取240°，则脱落数将减少1/3，约有2.8%～6.8%的星孔出现脱落，若孔密降低，星孔过滤网脱落数也会降低。

1.3 射孔试验

对6-5/8″星孔筛管和5-1/2″复合筛管进行打靶试验，部分试验图片如图2和图3所示，试验数据如表1和表2所示。

表1 星孔筛管打靶试验数据

表2 复合筛管打靶试验数据

图2 6-5/8″星孔筛管打靶试验图

图3 5-1/2″复合筛管打靶试验图

（1）对于6-5/8″星孔筛管，114mm 水平定向射孔器装配BH64RDX49-2 型射孔弹时，射孔后会出现射孔形成的孔眼与筛管基管孔眼连通现象，形成巨大的孔眼；将114mm 水平定向射孔器装配BH43RDX25 型射孔弹，并对药罩的配方和厚度进行调整，由试验数据可得出：当射孔孔径小于15.5mm 时，星孔筛管不会出现两个基管星孔同时与射孔孔眼相连的情况，当射孔孔径超过15.5mm时，星孔筛管会出现两个基管星孔同时与射孔孔眼相连的情况，会导致星孔过滤网脱落；

（2）对于5-1/2″复合筛管，89mm 水平定向射孔器装配BH43RDX25-2 型大孔径射孔弹，射孔后孔径规则，孔眼平均直径为14.2～16.3mm；

（3）星孔过滤网脱落的临界重合度约为1/4。

2 射孔后筛管基管强度分析及试验

2.1 模拟分析

对不同射孔参数的筛管基管部件进行三维立体建模，取筛管基管外径5-1/2″、内径4.892″、筛管基管孔径0.4″、射孔孔径16mm。为模拟在水平井内筛管基管受上下弧面的挤压力，取上下弧面的受力弧度为60°，考虑数值模拟的需要，在基管上、下弧面上增加两块同弧度的刚体作为受力体[4-6]，所建基管受力模型如图4所示。

图4 筛管基管受力模型图

N80 套管的屈服强度取552MPa，调整载荷数值，观察等效应力云图中等效应力大于屈服强度的区域，使基管整体达到塑性变形的状态，确定此时的载荷。

将基管模型导入ANSYS软件，根据N80套管的性能参数定义材料属性，为获得更高精度的求解，选择网格尺寸为3mm 划分网格生成单元。对基管模型定义约束条件：对下部托盘施加固定约束，位移为零，在上部托盘施加垂直于托盘向下的载荷，且上下托板与筛管基管间为摩擦接触。

未射孔筛管基管、4孔/m筛管基管、8孔/m筛管基管、12孔/m筛管基管及同尺寸套管的载荷施加情况及等效应力云图如图5所示。

图5 载荷施加情况及等效应力云图

调整向下的载荷数值，在等效应力云图中观察应力大于屈服强度552MPa的区域达到塑性形变状态，记录此时的载荷数值及最大形变量，数值模拟数据如表3所示。

表3 数值模拟数据

2.2 物模试验

根据数值模拟的模型，加工成试验样件。调试岩石力学试验设备，将托板及筛管基管依次置于试验台上，确保上下托板处于平行位置。打开操作软件控制下试验台按设定速度匀速缓慢上移，在上试验台与上托板接触后，载荷出现并自动记录，观察位移—负荷关系曲线[7-9]，直到筛管基管出现塑性变形，试验结束。物模试验图如图6所示。

图6 物模试验图

未射孔筛管基管、4孔/m筛管基管、8孔/m筛管基管、12孔/m筛管基管及同尺寸套管的位移与负荷的关系曲线如图7所示。

图7 位移—负荷关系曲线图

位移增加，负荷的增速变缓，当随着位移的增加负荷不再增加时认为该试件出现塑性变形，达到此状态时筛管作用失效[10-11]。记录分析出现塑性变形时的位移与负荷数值，如表4所示。

表4 物模试验数据

根据数值模拟及物模试验的数据可以看出：

（1）筛管基管在射孔前后不同孔密对应的最大抗压载荷变化较小；

（2）在达到塑性形变状态时，不同孔密的筛管基管最大形变量或位移差值较小。

3 结果分析

（1）对于5-1/2″复合筛管，89mm 水平定向射孔器装配BH43RDX25-2型大孔径射孔弹，射孔后，孔径规则，孔眼平均直径为14.2～16.3mm。

（2）对于 6-5/8″星孔筛管，114mm 水平定向射孔器装配BH43RDX25 型射孔弹，当射孔孔径小于15.5mm 时，星孔过滤网无脱落；当射孔孔径超过15.5mm 时，会导致星孔过滤网脱落；星孔过滤网脱落的临界重合度为1/4。

（3）筛管基管在发生塑性变形时，射孔前后的最大负荷相差均小于3%，说明筛管基管在射孔前后整体的强度变化范围较小，射孔后筛管承载力仍满足筛管强度要求，符合Q/HS 6007.3-2011筛管技术规范。

4 结束语

选取经济性好、安全可靠的火力射孔作为筛管内开孔技术，确定开孔临界尺寸、射孔原则，并与射孔设备进行匹配。通过数值模拟及物模试验分析水平井筛管基管在不同射孔参数下射孔前后的强度变化，验证了射孔后基管的整体强度变化符合技术规范，承载力满足筛管强度要求，为“封隔体控水”新工艺的现场应用提供了理论及数据支撑。