龐德新 艾白布·阿不力米提 焦文夫 陳 波 郭新維 王一全 白華明

中國石油新疆油田公司

0 引言

隨著致密油氣、頁巖油氣等的規(guī)?？碧介_發(fā)，“三超井”（儲層溫度超過177 ℃、儲層壓力超過105 MPa、井深超過6 000 m）的數(shù)量越來越多，為了保證“三超井”的投產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)，需要對井筒及產(chǎn)層進行各類作業(yè)措施。近年來，連續(xù)油管作業(yè)技術在“三超井”測井、修井、增產(chǎn)措施等作業(yè)中得到了廣泛應用，并已成為“三超井”作業(yè)中的主體技術之一[1-4]，并取得了好的效果。但是“三超井”完井生產(chǎn)管柱的多變徑組合，制約了連續(xù)油管的應用，并提出了新的要求[5-9]：①安全載荷受限，連續(xù)油管下入垂深6 000 m 以上時安全系數(shù)將達到極限，載荷安全閾值極??；②泵注壓力高，小直徑內(nèi)變徑連續(xù)油管能下入預定深度，但沿程摩阻大，地面所需泵壓較高；③末端效應小，由于沿程摩阻大，泵入小排量水動力無法滿足末端執(zhí)行部件所需的能量；④返屑效率低，與生產(chǎn)管柱之間的間隙較大，返屑能力差。近年來內(nèi)變徑連續(xù)油管的應用使得連續(xù)油管的下入深度提高了30%[10]，但同時降低了水動力轉(zhuǎn)換效率。劉亞明等[11]對連續(xù)油管最大下入深度問題進行了探索，但都集中于水平井、斜直井[12-14]；Lubinski 等[15]在不考慮連續(xù)油管自重與摩擦力的前提下研究了垂直井中的屈曲問題，并采用能量法獲得了屈曲的臨界載荷；Mitchell 等[16]假設屈曲后螺距隨軸向力的變化而變化，并通過解析法獲得靜力平衡方程的解析解；李子豐等[17]根據(jù)幾何非線性動力學分析了管柱的動態(tài)過程，并構建了動態(tài)力學控制方程；針對連續(xù)油管管內(nèi)流動問題國內(nèi)外許多學者在理論方面進行了深入的試驗研究[18-19]，張小寧等[20-22]以連續(xù)性方程和N-S 控制方程為基礎，將迪恩數(shù)和曲率為自變量，考慮曲率和管路的幾何尺寸對連續(xù)油管螺旋段牛頓流體流動性及摩阻壓耗的變化規(guī)律進行研究。Pandya等[23]通過牛頓流體和非牛頓流體在層流和湍流中的摩擦系數(shù)關聯(lián)式對連續(xù)油管彎曲引起的二次流流動阻力進行了研究，并建立了液體和液固兩相的預測模型。但不同外徑和內(nèi)徑連續(xù)油管作業(yè)深度和摩阻方面的分析和現(xiàn)場應用鮮見。

為此，基于連續(xù)油管規(guī)格不同尺寸、設備模塊化移動靈活、高自動化程度、可帶壓起下的優(yōu)勢[24-26]，結(jié)合“三超井”的地質(zhì)條件、井筒結(jié)構和流體介質(zhì)變化等實際特點，研發(fā)了多徑組合連續(xù)油管作業(yè)工藝技術，配套研發(fā)了多徑連續(xù)油管對接裝置，并成功應用于中國石油塔里木油田公司XX11 井。實踐證明，該工藝技術安全可靠、效率高、作業(yè)成功率高，配套研制工具可靠性高、耐用性強，為超深井連續(xù)油管井筒作業(yè)提供了一種新的解決方案。

1 技術思路

根據(jù)作業(yè)井的地質(zhì)油氣藏特性、井身結(jié)構特點、流動介質(zhì)性質(zhì)和作業(yè)要求，入井組合連續(xù)油管應具備以下基本性能：①機械強度滿足施工條件，能夠下入作業(yè)深度，且能夠順利提出；②最大外徑滿足井身結(jié)構尺寸，能夠通過最小尺寸、保證順利下入；③抗腐蝕能力滿足施工要求，可實現(xiàn)安全施工作業(yè)；④抗內(nèi)外壓力等級滿足施工要求，避免發(fā)生擠毀或爆裂。

綜合考慮上述連續(xù)油管基本要求，優(yōu)選不同外徑組合的連續(xù)油管管柱，在同一口井實施全過程作業(yè)。底部使用小直徑連續(xù)油管，不僅提高連續(xù)油管的通過性，且降低管柱自重提高載荷安全系數(shù)；上部使用大直徑連續(xù)油管、不僅降低泵注沿程摩阻，且提高載荷安全系數(shù)，同時提高返屑速度。

2 多徑對接裝置設計

多徑連續(xù)油管對接裝置是不同外徑連續(xù)油管對接的主要工具，其主體結(jié)構如圖1 所示。多徑連續(xù)油管對接裝置主體結(jié)構主要由上接頭、密封圈、對接螺母、限位螺釘、抗扭卡瓦、插桿和下接頭組成。上下管柱預安裝的插桿和上接頭對插完成后，通過對接螺母進行軸向固定，抗扭卡瓦提供所需反扭矩。

圖1 多徑連續(xù)油管對接裝置結(jié)構與實物圖

圖2 所示為連接螺母最大變形與等效應力云圖，圖2-a 顯示螺母最大變形處為0.005 8 mm，在材料允許應變量范圍內(nèi)，圖2-b 顯示螺母最大等效應力為102.51 MPa，遠小于材料的屈服強度。

圖2 對接螺母變形與等效應力云圖

對接裝置螺紋連接部位的抗拉載荷應滿足現(xiàn)場施工要求。對連接部位進行了有限元強度分析，采用材料為42CrMo。

圖3-a 為抗扭卡瓦結(jié)構圖，最大變形處為0.004 7 mm（圖3-b），在材料允許應變量范圍內(nèi)，最大等效應力為720.35 MPa（圖3-c），接觸應力滿足施工要求。

圖3 抗扭卡瓦結(jié)構及力學仿真云圖

3 多徑連續(xù)油管組合參數(shù)分析

3.1 多徑管柱下入深度分析

結(jié)合CT90連續(xù)油管規(guī)格尺寸及機械力學特性[27-30]，對不同外徑連續(xù)油管的極限下入深度進行了分析計算。表1 所示為CT90 連續(xù)油管規(guī)格尺寸及機械力學特性參數(shù)表。

表1 CT90 鋼級連續(xù)油管規(guī)格尺寸及力學特性參數(shù)表

表2 所示為不同外徑CT90 連續(xù)油管在極限載荷時的最大下入深度，?38.100 mm 極限深度為7 621 m，無法滿足末端效應所需的泵注排量；?60.325 mm 極限深度8 268 m，管徑大又不能滿足通過性。

表2 CT90 不同外徑連續(xù)油管極限載荷下入深度表

由表2 可知，組合連續(xù)油管的極限下入深度，?38.100 mm+?60.325 mm 組合連續(xù)油管最大靜載下深12 278 m，比4 號?60.325 mm 等徑的連續(xù)油管多下入4 010 m，提高了48.5%，比1 號?38.100 mm等徑的連續(xù)油管多下入4 657 m，提高了61.1%，組合方式提高了連續(xù)油管的通過性。

3.2 多徑管柱泵注參數(shù)分析

取作業(yè)深度7 000 m 為例，對CT90 不同外徑連續(xù)油管的沿程摩阻進行了分析。表3 為井筒與連續(xù)油管尺寸和流體介質(zhì)性能參數(shù)表，計算結(jié)果如表4 所示。在井口和工具節(jié)流壓力為0 時，各種規(guī)格連續(xù)油管不同排量下的摩阻數(shù)據(jù)曲線，350 L/min 排量時，?38.100 mm 沿程總摩阻達141.4 MPa，?60.325 mm沿程總摩阻為59.2 MPa。

表3 井筒與連續(xù)油管尺寸和流體介質(zhì)性能參數(shù)表

表4 7 000 m 作業(yè)深度CT90 同外徑連續(xù)油管沿程摩阻計算結(jié)果表

按作業(yè)井深7 000 m，作業(yè)井筒內(nèi)徑76 mm，綜合考慮機械強度、通過性、泵效和末端效應[31-32]，將連續(xù)油管排列組合如表5 所示。

如表6 所示為作業(yè)井深7 000 m、井口和工具節(jié)流壓力為0 時，組合連續(xù)油管不同排量下的摩阻數(shù)據(jù)曲線，350 L/min 排量時，2 號組合連續(xù)油管作業(yè)總沿程摩阻73.2 MPa，同?38.100 mm 等徑連續(xù)油管比較摩阻降低48.2%，4 號組合最優(yōu)，總摩阻51.4 MPa，相比?44.450 mm 等徑連續(xù)油管減少7.3 MPa，降阻12.4%。

表5 7 000 m 作業(yè)深度CT90 不同外徑連續(xù)油管組合表

表6 7 000 m 作業(yè)深度CT90 組合連續(xù)油管不同排量下沿程摩阻計算結(jié)果表

3.3 末端效應分析

以內(nèi)徑76 mm 油管內(nèi)水射流解堵作業(yè)為例，采用2 個?4 mm 噴嘴旋轉(zhuǎn)水射流噴頭，不同排量下水射流沖擊力曲線如圖4 所示，350 L/min 射流沖擊力為0.68 kN，?38.100 mm 施工壓力高達168.3 MPa，?44.450 mm 的 施 工 壓 力 達85.6 MPa，?50.800 mm×2 170 m 與?44.450 mm×4 831 m 的組合連續(xù)油管施工壓力為77.6 MPa，同樣施工壓力下組合管柱的所獲得的末端效應提高75%和9.3%。

圖5 為連續(xù)油管多徑組合射流沖擊壓力曲線。

3.4 優(yōu)選組合

在現(xiàn)場實際應用過程中，為達到最優(yōu)組合方式，根據(jù)機械強度、通過性、最低施工壓力、最高末端效應選取相應合適方式。

圖4 2×?4 mm 噴嘴旋轉(zhuǎn)噴頭的末端效應圖

圖5 2×?4 mm 噴嘴連續(xù)油管多徑組合射流沖擊壓力曲線圖

建立約束關系：①組合各段連續(xù)油管機械強度滿足要求；②作業(yè)深度滿足作業(yè)要求；③通過性滿足井筒尺寸要求；③泵注效率最高；④末端效應施工要求。

約束條件都滿足時即為最優(yōu)組合，篩選方法：優(yōu)選組合為最大下深時i 由小至大，反之為最大泵注效率。

式中i 表示連續(xù)油管規(guī)格；Wi表示i 規(guī)格下的連續(xù)油管懸重，kg；Li表示i 規(guī)格連續(xù)油管長度，m；L目標表示作業(yè)深度，m；pi表示第i 段的管內(nèi)/外沿程摩阻，MPa；p末表示末端節(jié)流壓力，MPa；p井表示液面平衡時的井口壓力，MPa；p泵表示地面泵組額定工作壓力，MPa。

4 現(xiàn)場應用

4.1 目標井井況

塔里木油田XX11 井是庫車坳陷東秋立塔克構造帶的1 口預探直井，在生產(chǎn)過程中地層出砂上產(chǎn)管柱堵塞，產(chǎn)量下降關井，分析認為生產(chǎn)通道堵塞。需疏通至5 549 m 深度。該井MHR 封隔器位置5 358.07 m，通徑僅48.51 mm。

4.2 現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)及效果

優(yōu)選?50.800 mm 油管×4 477.26 m（鋼級QT900、壁 厚3.96 mm）+ 對 接 裝 置+?38.100 mm 油 管×1 037.0 m（鋼級CT90、壁厚3.40 mm）組合連續(xù)油管進行作業(yè)。

作業(yè)液體為1.50 g/cm3密度有機鹽沖砂液，現(xiàn)場施工排量300 L/min，套管內(nèi)返速0.66 m/s，油管（井口～3 880 m）內(nèi)返速2.1 m/s，油管（3 880 ～4 512 m）內(nèi)返速5.0 m/s，油管（4 512 ～5 382 m）內(nèi)返速2.6 m/s，返速滿足沖砂要求。射流沖洗返出鐵屑、巖、凝析蠟塊、細鐵絲等混合物，如圖6 所示。外排點火，出口焰高0.5 ～5 m，井筒得到有效疏通，作業(yè)后產(chǎn)量恢復至13×104m3/d。

圖6 XX11 井返出物照片

5 總結(jié)

1）開發(fā)了連續(xù)油管多徑組合地面、井下對接裝置及工具，并現(xiàn)場成功應用。

2）連續(xù)油管多徑組合作業(yè)工藝技術可提高下入深度48.5%以上、降低摩阻41.7%、增強末端效應33%以上。

3）通過現(xiàn)場應用，驗證了對接方式、各項參數(shù)及工藝技術的可行性。

4）為連續(xù)油管模塊化、工廠化、連續(xù)油管現(xiàn)場作業(yè)管柱的系列化應用提供了新的思路。