石油工業(yè)可膨脹防砂篩管技術(shù)

一、膨脹管技術(shù)公司近年來，膨脹管道技術(shù)取得了重大發(fā)展，這將對石油工業(yè)產(chǎn)生了重大影響。例如等徑井眼技術(shù),一旦成熟,將極大地降低油井成本,并完全消除常規(guī)套管程序的縮徑效應,井可以鉆得更深,而總井深處的套管內(nèi)徑與常規(guī)井相比反而增大。目前世界上提供膨脹管技術(shù)和膨脹產(chǎn)品的公司主要包括威德福公司、Enventure環(huán)球技術(shù)公司、哈里伯頓公司、貝克石油工具公司、斯倫貝謝公司以及READ油井服務公司。另外,俄羅斯的韃靼石油研究設(shè)計院的膨脹管技術(shù)也得到了廣泛應用。1實體膨脹管技術(shù)自1998年以來,威德福公司一直在可膨脹防砂篩管(ESS)領(lǐng)域居于業(yè)界領(lǐng)先地位。該技術(shù)發(fā)展迅速,目前已經(jīng)成為降低成本\,提高產(chǎn)量的標準方法。該公司還對實體膨脹管技術(shù)進行了大規(guī)模研究與開發(fā)。該公司的膨脹管技術(shù)分為三類:可膨脹割縫管(EST)、實體膨脹管(STE)、膨脹系統(tǒng)。(1)基礎(chǔ)研究和井身設(shè)計威德福公司的可膨脹割縫管包括以下三種類型:可膨脹防砂篩管(ESS)、井下襯管系統(tǒng)(ABL)、可膨脹完井尾管(ECL)。

可膨脹防砂篩管(ESS)威德福公司是可膨脹防砂篩管技術(shù)的主要供應商,目前已經(jīng)在世界范圍內(nèi)進行了超過225次施工作業(yè),膨脹篩管總長度達36.2km,并成功進行了世界上最長的膨脹作業(yè),膨脹篩管長度超過1494m。ESS作為一種可靠高效的防砂方法應用日趨增多。ESS應用范圍廣泛,其中在裸眼井中應用占74%,在套管井中占26%。與其他防砂方法相比可提高產(chǎn)量70%,降低成本超過20%。威德福公司4年前在北海的一口氣井首次使用了ESS。這口高產(chǎn)氣井至今仍穩(wěn)定生產(chǎn),無出砂。另一個里程碑式的成果是在2002年末,威德福公司成功地為康納科菲利普斯(ConocoPhillips)公司在渤海灣的蓬萊油田安裝了連接器經(jīng)過加強的?139.7mmESS,這是ESS在全球的第150次應用。首批6口井,其中2口是射孔完井,另外4口是預射孔套管,然后用ESS完井。

井下襯管系統(tǒng)井下襯管系統(tǒng)能代替技術(shù)套管柱,而且確保井眼直徑不減小。要封固的井眼部分首先被擴眼,然后利用襯管加強,并用纖維水泥封固這部分井眼。該技術(shù)能封固異常壓力地層,以確保向更深的地層鉆進。開發(fā)這項技術(shù)的目的:一是減少鉆井成本;二是簡化高溫、高壓深井的設(shè)計。在井身設(shè)計中考慮使用應急套管,這不僅增加了套管成本,而且還有許多其他不利因素。應急套管上部的井眼/套管的直徑必須大于應急套管,這樣,不管是否真地使用了應急套管,其上部的鉆井費用增加。另外,鉆大尺寸井眼耗時更長,處理復雜情況耗時更多。在海上,大尺寸的套管要求使用大尺寸的導管,因此平臺也必須加大。用這種方式來設(shè)計鉆井,費用很高。如果鉆井設(shè)計中不用應急套管,那么將節(jié)約大量的費用。井下可膨脹襯管系統(tǒng)能夠代替應急套管,而且消除了井眼直徑越來越小的不利后果。在深井鉆井中,為避免井涌/井漏,必須安裝附加的套管或尾管,這樣可能由于套管的直徑太小而導致不能鉆至目的層或進入目的層。這也是開發(fā)該技術(shù)的主要原因。應用該技術(shù)可鉆成深的勘探井、開發(fā)井、評價井和生產(chǎn)井,并使用足夠直徑的油管來開采。

可膨脹完井尾管威德福公司已經(jīng)開發(fā)了可膨脹完井尾管技術(shù),可以取代傳統(tǒng)的割縫尾管或者注水泥射孔尾管。該技術(shù)增強了井眼穩(wěn)定性,提高了選擇性隔離和處理能力,并減小了井眼尺寸。該技術(shù)尤其適用于過油管側(cè)鉆油層完井,既可以到達受限制的油層段,同時也避免了困難的固井和射孔作業(yè)。其他優(yōu)點包括:①井眼增大,流通面積也增大,因此提高了產(chǎn)量;②允許再入油層進行修井作業(yè),延長了油井壽命,也增強了老井的潛力;③重返油層靈活方便,通過插入封隔器或橋塞可以防止產(chǎn)水;④可適用于?88.9mm到?241.3mm的井眼。(2)金屬對金屬的可膨脹密封氣調(diào)濕lh實體膨脹管包括可膨脹尾管懸掛器(ELH)和MetalSkin套管修補系統(tǒng)。

可膨脹尾管懸掛器ELH系統(tǒng)可以懸掛ESS和其他不注水泥尾管。ELH可以懸掛MetalSkin套管修補系統(tǒng)。ELH使用柔性旋轉(zhuǎn)技術(shù)膨脹,與外層套管形成金屬對金屬密封,使井眼最大化,方便將來的重入作業(yè)。

MetalSkin套管修補系統(tǒng)2003年中期,在加拿大阿爾伯塔省的冷湖油田威德福公司成功地安裝了4套MetalSkin實體可膨脹套管修補系統(tǒng),使4口井恢復生產(chǎn)。該技術(shù)是一種金屬對金屬可膨脹套管系統(tǒng),可以修補腐蝕或損壞的套管。作業(yè)使用了威德福公司的柔性旋轉(zhuǎn)膨脹系統(tǒng)(CRES)。(3)柔性膨脹膨脹工具傳統(tǒng)EST膨脹錐是一種錐形工具,與膨脹心軸聯(lián)合使用,用來膨脹各種割縫管。威德福系統(tǒng)的根本優(yōu)點是采用了柔性膨脹管技術(shù)。下面介紹兩種系統(tǒng):軸向柔性膨脹膨脹系統(tǒng)(ACE)和柔性旋轉(zhuǎn)膨脹系統(tǒng)(CRES)。

軸向柔性膨脹膨脹系統(tǒng)軸向柔性膨脹膨脹系統(tǒng)用來膨脹割縫管,可以消除割縫管與井壁之間的環(huán)空,支撐井眼并防止顆粒運移。該系統(tǒng)包括一個由上向下膨脹的柔性膨脹工具、可回收系統(tǒng)、現(xiàn)場修整工具。柔性膨脹工具包括兩部分:用于初始膨脹的固定尺寸滾軸鼻、柔性軸向滾軸。由于活塞可以隨著井眼剖面的變化而伸出或縮回,使工具具有柔性。

柔性旋轉(zhuǎn)膨脹系統(tǒng)柔性旋轉(zhuǎn)膨脹系統(tǒng)是一種液壓機械工具,用來膨脹實體管。當與可膨脹尾管懸掛器施工工具一起使用時,可用來膨脹ELH。它也用來膨脹更長的MetalSkin實體管系統(tǒng)。如PoroFlex可膨脹篩管系統(tǒng),該系統(tǒng)由上至下膨脹,軸向載荷小。由于是滾動摩擦,摩擦力也大大減小,對套管內(nèi)徑的不規(guī)則性具有很好的適應能力,可以最大限度地防止被膨脹套管破裂。該工具與膨脹前的套管匹配,很容易回收,并具有選擇性膨脹能力。2從系統(tǒng)到系統(tǒng)哈里伯頓公司的膨脹管產(chǎn)品包括可膨脹篩管系統(tǒng)(PoroFlex)和可膨脹尾管懸掛器/封隔器系統(tǒng)(VersaFlex),這兩種系統(tǒng)都經(jīng)過了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗。(1)膨脹篩管自適應高組管井設(shè)計PoroFlex可膨脹篩管系統(tǒng)由于性能可靠,該系統(tǒng)正在迅速被人們接受。該系統(tǒng)可用于套管井和裸眼井完井,主要有以下四方面特點:

PoroFlex可膨脹篩管系統(tǒng)以近乎實體管的多孔中心管作為流動管道,具有很高的抗擠能力,并允許進行多種修井作業(yè)或附件安裝。封隔器、橋塞以及智能完井設(shè)備都可以很可靠地安裝在膨脹后的中心管內(nèi)。另外,未穿孔管可以下入井內(nèi)封隔頁巖段或事故地層,以提高層位隔離能力。

通過一層可膨脹篩網(wǎng)就實現(xiàn)了過濾功能。篩網(wǎng)是基于Purolator-Facet公司的Poroplate設(shè)計制造的,雖然膨脹期間或膨脹后過篩網(wǎng)流動面積增大,但并不改變其微米額定值(過濾固體顆粒)。

可膨脹篩管采用了一體式螺紋連接,可以像套管那樣在鉆臺上連接,如果必要的話還允許篩管在井內(nèi)旋轉(zhuǎn),這減少了安裝所需的鉆機時間。

篩管通過液壓膨脹,使整個膨脹過程實質(zhì)上不依賴重力,這對于大位移井或者水平井作業(yè)來說很理想。固定尺寸膨脹錐使整個篩管膨脹后內(nèi)徑一致。自投入使用以來,沒有發(fā)生中心管、篩網(wǎng)或者連接部件故障,也沒有出砂。PoroFlex膨脹篩管可用尺寸為155.6mm和215.9mm(均為膨脹后尺寸)。施工作業(yè)表明進行可膨脹篩管完井需要一整套系統(tǒng)方法。完井效率/性能比很大程度上與所鉆井眼質(zhì)量、鉆井液、產(chǎn)層情況了解程度密切關(guān)聯(lián)。哈里伯頓公司與斯派里森公司和白勞德公司密切合作開發(fā)了一套工藝新技術(shù),使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)以提高膨脹篩管完井的效力。(2)尾管懸掛器/封隔器系統(tǒng)VersaFlex尾管系統(tǒng)采用了業(yè)界領(lǐng)先的實體膨脹管技術(shù),以及哈里伯頓公司最好的固井設(shè)備、套管附件和浮動設(shè)備,可以形成可靠的尾管懸掛器系統(tǒng)。普通尾管懸掛器上部失效率高達30%,由此導致的修補作業(yè)成本很高。失效的主要原因是尾管懸掛器機械失效或者上封隔器失效,或者是水泥環(huán)不能封隔套管重疊段。與傳統(tǒng)的尾管懸掛器/封隔器系統(tǒng)相比該系統(tǒng)在機械方面有很大優(yōu)勢。更重要的是,尾管懸掛器/封隔器沒有運動部件或暴露的水力孔。為了進一步保證尾管頂部的完整性,一體的尾管懸掛器/封隔器還包括拋光回接器,采用5個獨立的橡膠元件提供環(huán)空密封。膨脹工藝保證尾管懸掛器/封隔器不會提前坐放。為了提高水泥環(huán)的可靠性,系統(tǒng)允許增大循環(huán)速率以獲得紊流。另外,哈里伯頓公司還與Enventure環(huán)球技術(shù)公司合作開發(fā)了專用的注水泥設(shè)計,可以消除竄槽、氣竄。(3)近鉆頭擴眼器哈里伯頓的SecurityDBS公司為可膨脹產(chǎn)品市場推出了一種近鉆頭擴眼器(NBR)。切削臂可以通過現(xiàn)有套管跟在一個標準鉆頭后面,可將套管下井眼尺寸擴大20%。NBR已經(jīng)在世界范圍內(nèi)超過500個鉆具組合上使用。3埃德威公司前實體膨脹管99%的施工進尺是由Enventure公司實施的,該公司開發(fā)了三種實體膨脹管產(chǎn)品。(1)老油田激發(fā)水儲層作業(yè)可膨脹尾管系統(tǒng)(OHL)主要解決井眼穩(wěn)定以及地層壓力(破裂壓力)等產(chǎn)生的問題。在不減小井眼直徑的情況下多下一層套管,可以鉆達更深的儲層或者隔離水層,對于老油田挖潛增效有重要意義。目前該系統(tǒng)作業(yè)時最大泥漿密度為1.8g/cm3,最大井斜超過100°,膨脹深度大于7925m?？膳蛎浳补芟到y(tǒng)可以過窗口安裝和膨脹,這樣就不再需要鍛銑套管。最近的一次套管開窗膨脹管作業(yè)是在墨西哥灣進行的。?193.7mm\*244.5mm可膨脹尾管系統(tǒng)安裝在?244.5mm套管內(nèi),共膨脹了610m的套管,其中窗口下方膨脹了579m。作業(yè)商預計節(jié)約成本達200萬美元。(2)修補實際套管套管井襯管系統(tǒng)(CHL)主要用于作業(yè),尤其適合修補大段損壞的套管。Enventure公司于2002年6月在馬來西亞沙撈越海上的E11氣井安裝并膨脹了1373m的襯管。(3)等徑井眼技術(shù)可膨脹尾管懸掛器系統(tǒng)(ELH)集傳統(tǒng)的尾管懸掛器和尾管上封隔器的功能于一體,結(jié)構(gòu)簡單可靠,避免了環(huán)形空間可能發(fā)生的漏失,而且增加了懸掛器和尾管內(nèi)部的可用內(nèi)徑。Enventure公司目前正在大力開發(fā)等徑井眼技術(shù),該技術(shù)消除了目前油井設(shè)計中存在的縮徑效應,使作業(yè)者可以在上部使用直徑相對小的套管,而完鉆井深處的井眼直徑反而增大。2002年9月,殼牌公司在南得克薩斯一口氣井的部分井段成功地使用了該技術(shù)。隨著實體膨脹管技術(shù)的逐步發(fā)展與應用,最終將實現(xiàn)使用一種直徑的鉆頭鉆進,并用同一種直徑的套管完井。4zhpe封隔器貝克石油工具公司自1994年以來一直為業(yè)界提供膨脹管技術(shù),其第一個商業(yè)化可膨脹產(chǎn)品是ZXP尾管封隔器系統(tǒng),在全球已經(jīng)應用了超過12000次,該系統(tǒng)可以承受69MPa高壓和204℃高溫。(1)霍灣管不斷完井2002年4月,FORMlock可膨脹尾管懸掛器在阿拉斯加州普魯徳霍灣的一口井中使用,懸掛器下入深度3150m(測深),尾管長度335m。這是首次可膨脹尾管頂部完井,完井管柱插入尾管頂部。后來這種可膨脹尾管懸掛器系統(tǒng)在巴西、印尼、馬來西亞、北美超過12口井中使用。(2)鐵路叉口系統(tǒng)1998年在加利福尼亞州的Belridge油田,貝克公司使用FORMation叉口系統(tǒng)完成了世界上第一口6級分支井,隨后該系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)獲得成功應用。迄今,在非洲、亞洲、歐洲、北美和南美已經(jīng)應用了十多個FORMation叉口系統(tǒng),使其成為應用最廣泛的6級叉口系統(tǒng)。金屬成形技術(shù)使叉口系統(tǒng)可通過標準尺寸套管,然后使用固定尺寸膨脹錐在井下將叉口的一個分支撐開。這樣就可以形成水力密封,有了全尺寸分支井叉口系統(tǒng)就可以使用傳統(tǒng)方法固井、鉆井、完井。(3)世界上最早的管結(jié)構(gòu)井EXPress是一種可膨脹裸眼完井系統(tǒng)。它包括可膨脹防砂篩管,可以減小或消除環(huán)空間隙,其最大用途是水平井裸眼防砂。它結(jié)合了該公司EXCLUDER2000篩管的防砂能力和金屬膨脹管技術(shù)。篩管的流動面積比膨脹前大,即使不膨脹也可作為一種優(yōu)質(zhì)篩管發(fā)揮作用?？膳蛎浐Y管包括穿孔的中心管和滲濾膜結(jié)構(gòu)。滲濾膜允許符合條件的泥漿固相通過,防止了篩管的堵塞,同時維持有效的防砂能力。穿孔中心管結(jié)構(gòu)比割縫管具有更高的抗擠能力,尤其適合使用電潛泵的情況,電潛泵可以產(chǎn)生超過6.9MPa的壓降。該系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)進行了大量應用。2002年3月,貝克公司使用可膨脹裸眼完井系統(tǒng)為中國石油在印尼海上的Intan油田的三口井中實施了一趟作業(yè)完成的可膨脹完井,使用了可膨脹防砂篩管、FORMlockEXPress可膨脹尾管懸掛器、EXPress實體可膨脹無眼管、FORMpacXL裸眼隔離封隔器。完井作業(yè)成功隔離了生產(chǎn)層,并提供了有效的防砂能力,不再需要礫石充填。施工作業(yè)程序由于取消了幾趟作業(yè),與傳統(tǒng)完井作業(yè)相比節(jié)省了鉆機時間。三口井都投入生產(chǎn),生產(chǎn)指數(shù)遠遠高于相同儲層的鄰井。2002年7月,再次使用了可膨脹裸眼完井系統(tǒng),這是世界上首次在?155.6mm裸眼井的可膨脹防砂篩管內(nèi)進行的分層開采完井。作業(yè)者希望首先開采油層,以后開采氣層。2003年3月,貝克石油工具公司在北美洲的一個淺層氣田首次應用實體可膨脹管和EXPress篩管系統(tǒng)以及變徑漲管器。因為地層砂不均勻,分選差,非常細,傳統(tǒng)的防砂方法不成功。氣田有兩個儲層,由薄的頁巖分隔,由于下部砂巖有一水層,需要層位封隔。所有的設(shè)備都使用可變徑漲管器膨脹,可膨脹完井裝備和膨脹工具一起下井。膨脹前后篩管內(nèi)徑測量證明篩管按設(shè)計成功膨脹。該井生產(chǎn)穩(wěn)定,沒有出砂。(4)防砂完井系統(tǒng)EXPatch套管補貼系統(tǒng)可用于套管井和裸眼井。在套管井中可以封隔射孔,減少進水量,也可以用來修補損壞的或腐蝕的套管。在防砂完井中可以封堵進水,它可以放置在FORMpacXL裸眼封隔器之間,幫助封隔器產(chǎn)生一個機械的液流屏障以選擇性隔離井段。該系統(tǒng)與外層套管形成一個錨定/密封段。其坐封機制不依賴周圍媒介的完整性,其長度根據(jù)應用可精確調(diào)整。(5)最大尺寸井眼直徑FORMpacXL膨脹封隔器可以防止裸眼尾管和篩管之間的環(huán)狀流動,同時維持最大尺寸井眼內(nèi)徑。膨脹封隔器使液流重新流過篩管,消除了熱點的威脅,防止了腐蝕。封隔器可以承受6.9MPa壓差和121℃的測試。與傳統(tǒng)的管外封隔器不同,它不需要注水泥以產(chǎn)生一個永久性接觸力。二、膨脹技術(shù)的發(fā)展1實驗中心和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)威德福公司正在進行大量投資以使自己享有專利的膨脹管技術(shù)快速商業(yè)化。2003年4月,威德福公司在蘇格蘭的阿伯丁開設(shè)了一個全球可膨脹管技術(shù)中心。該中心每年可生產(chǎn)7000多根ESS篩管,擁有世界上唯一的四頭激光切削機,以及世界上最大的研磨性水射流設(shè)備。在休斯頓和阿伯丁該公司還擁有兩個世界上最大的研發(fā)、試驗、培訓設(shè)施。阿伯丁的井下技術(shù)有限公司是一家主要的研發(fā)/試驗中心,主要為海上油井提供服務。威德福公司還設(shè)計并建造了獨特的膨脹鉆機,為其所有的可膨脹管技術(shù)產(chǎn)品進行受控的臺架試驗。該裝置擁有一整套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),功率相當于全尺寸鉆機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與威德福設(shè)計和工程辦公室聯(lián)網(wǎng),通過視頻系統(tǒng)可以實時傳送實驗進程?？梢赃M行模擬實際條件的專門實驗。研究團隊可以使用休斯頓和阿伯丁的鉆井裝置進行現(xiàn)場試驗以及最終產(chǎn)品評價。新開發(fā)的商業(yè)化項目如下:Slimbore裸眼尾管:尾管外徑193.7mm,可以膨脹到244.5mm。MetalSkin套管修補系統(tǒng):目前可用的是?139.7mm×177.8mm系統(tǒng),三種其他尺寸系統(tǒng)正在開發(fā):?108mm×139.7mm、?193.7mm×244.5mm、?152.4mm×193.7mm。威德福公司新開發(fā)的柔性膨脹工具可提高?73mm篩管膨脹作業(yè)效率,滿足更小井眼的防砂要求。一趟完成作業(yè)系統(tǒng)投入商業(yè)應用,增強了?101.6mm和?114.3mmESS篩管作業(yè)的效率。在鉆機費率高的地區(qū),如西非、墨西哥灣、北海,可顯著降低成本。2金抗蒸篩管2003年夏季,哈里伯頓公司生產(chǎn)出?215.9mmPoroFlex可膨脹篩管系統(tǒng),該系統(tǒng)使用了耐腐蝕合金,?155.6mm篩管在其后不久也生產(chǎn)推出,2003年末實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。2003年三季度推出兩種額外尺寸的“標準”VersaFlex可膨脹尾管系統(tǒng),適合深水作業(yè)的其他尺寸產(chǎn)品在2004年早期推出。SecurityDBS正在開發(fā)一種特殊尺寸鉆頭和附件以配合Enventure公司的一系列膨脹管產(chǎn)品,不久即可交付使用。3合作單位膨脹套管制作Enventure公司的SlimWell工藝可以減小套管縮徑效應。MonoDiameter(等徑)系統(tǒng)可以完全消除縮徑效應,使井眼直徑減小,但是總井深處的井眼直徑反而增大。等徑井眼技術(shù)的首次現(xiàn)場應用是在得克薩斯州的一口氣井中進行的,合作單位包括Enventure、殼牌勘探開發(fā)公司、殼牌國際勘探開發(fā)公司。為了進行此次作業(yè),首先在井內(nèi)下入?298.5mm套管,后來又下入?244.5mm可膨脹套管。套管膨脹到內(nèi)徑251.5mm,可膨脹套管與外層套管通過橡