封上采下一体化挤压充填防砂工艺研究
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摘 要:本文结合孤东油田井下作业小修工艺特点，针对有可能对套管造成损伤的施工工艺进行了原因分析，并根据不同施工工艺，提出了相应的保护措施，以其最大限度地降低修井作业过程中对套管的损伤。
主题词:修井作业 套管 分析 保护
0 引言
孤东油田因地层疏松且出砂严重，防砂治砂一直是孤东油田作业生产的一项主要任务，从开发初期到目前采用机械、化学几十种的防砂方法，通过多年的摸索论证，绕丝管砾石充填防砂方法对孤东油田地层类型较适应而被目前广泛采用。特别是高压砾石充填防砂具有疏通地层，提高流面积，提高油井产量的效果，而被较广泛的采用，目前孤东油田高压砾石充填防砂占防砂井的75％以上。
目前孤东油田防砂油井约有2100余口，其中封上采下生产井近360口，占17％左右，目前这部分井的主要防砂方法：一是对夹层较大（10m以上）进行分层挤压充填、分层地填、分层化防后，再卡封非生产层生产。二是对夹层较小（10m以下）进行盲封非生产层，全井挤压充填生产；盲封非生产层，循环充填生产。每年这部分的作业井有90口左右，因工艺技术的限制，在进行分层挤压充填、分层地填、分层化防时经常会出现套管返水不能施工（这部分井每年有近20口）；充填后无法实现丢手，造成事故复杂化；小夹层无法实现分层防砂，只能采用盲封施工，使目的层不能达到理想防砂效果；工序复杂，施工周期长加砂量过少，压力起升快，特别在多层大斜度井和低压井施工时有为突出。
1.1封上采下绕丝挤压充填防砂工艺存在的问题
a、受工艺的限制，小夹层无法实现分层挤压充填防砂。只能采用盲封施工，使目的层不能达到理想的防砂和生产效果；
b、在进行分层挤压充填或分层地填、化防时，如果出现管外串槽套管返水，则不能施工（这部分井每年有近40口井）。有时会因卡封层出砂而不能正常实现丢手，造成井下事故复杂化（这部分井每年有近20多口井） ；
c、在分层挤压充填施工过程中，当压力过高或充填封锚定不牢时，易产生绕丝上移；
d、分层挤压充填只能完成地层的改造，而无法实现环空的循环充填；
e、分层绕丝挤压充填防砂井，防砂后再下卡封，工序复杂，施工周期长。
1.2目前绕丝分层挤压充填原理及方法
1.2.1管柱结构（图1）：
目前绕丝分层挤压充填防砂管柱结构，分生产层防砂部分和卡封部分。
a、生产层防砂部分
防砂绕丝管＋光管2根＋信筛＋光管1根＋充填封
b、卡封部分
底部卡封封隔器＋光管＋顶部封隔器
1.2.2工艺方法（图1）：
a、完成生产层防砂：按设计下入防砂管柱，投球前正循环洗井10m3，投球15分钟后上提管拄10cm，水泥车正打压8MPa；10MPa；12MPa各稳压3min后，上提管拄240kN验封，确认封座牢后，打压丢手。防砂施工：管线试压25MPa不刺不漏，正循环洗井出口见液，正挤压力小于25 MPa，排量大于900L/min加砂，1 m3砂量以内携砂比在7.5%以内，压力稳定携砂比可增加到15%，设计砂量剩余1 m3时，压力不起携砂比可增加到30%，砂子加完换一档小排量顶替起至压力升到25MPa，不反洗井，正转丢手。如油管外溢关闸门使砂子沉淀堵住油管后再倒扣。丢手后，起出防砂管柱。
b、冲砂：下冲管冲出卡封层及绕丝内充填砂。
c、卡封闭层：下入卡封组合，底部卡封封隔器（Y211）＋光管＋顶部封隔器(Y445)，下至设计深度，座Y211封隔器，投球15min后上提管拄10cm，水泥车正打压8MPa；10MPa；12MPa各稳压3min后，打压丢手，丢封后完成卡封工序。
d、冲砂：下冲管重新探冲砂，防止卡封过程中出砂有可能埋绕丝。
1.3目前封上采下挤压充填防砂存在问题分析
1.3.1小夹层无法实现挤压充填、分层开采的问题
受工艺的限制，小夹层无法实现分层挤压充填防砂（这类井占到了大约25％）。只有采用盲封生产，使生产层不能达到理想的防砂和生产效果。如图3所示，目前绕丝分层挤压充填防砂管柱，由生产层防砂部分和非生产层卡封两部分组成。
a、生产层防砂部分包括：
防砂绕丝管＋光管＋信筛＋光管＋充填封
b、非生产层卡封部分包括：
底部封隔器＋光管＋顶部封隔器
由管柱结构可以看出，在生产层与非生产层之间要有两级封隔器及信筛（可选择）占用的长度，以及工具所需要的最小间距长度。在目前工艺技术的条件下，封上采下挤压充填最小夹层距离一般要大于15m。
1.3.2分层挤压充填防砂易卡管柱问题。
如图4所示，封上采下分层挤压充填防砂，挤压充填封采用的是不循环封座在两层之间，封闭生产层和非生产层环空。造成挤压充填防砂卡管柱主要有两方面：一是在挤压充填时，卡封层吐砂；二是施工管柱在承受挤压充填高压时油管破裂，充填砂进入环空；三是充填封失效。如果砂子沉降在充填封上，便会造成在丢手时倒扣不开，卡管柱的井下事故发生。如果拔出防砂管柱重新施工，最少需5道工序，4天时间。不能顺利捞出，则发生的无效工序会更多。
1.3.3在进行分层挤压充填施工时，如果出现管外串槽不能施工问题。
在进行分层挤压充填或分层地填、化防时，如果出现管外串槽套管返水，则不能施工（这部分井每年大约有10井次，占这类施工井的5％左右）。有时会因卡封层出砂而不能正常实现丢手，造成井下事故复杂化（据2009年统计，这类井有13口，占施工井的7.2％）。如图5所示，这种现象表现在挤压充填施工时，套管返水或起压力。原因是生产层与非生产层之间有串槽，当挤压充填施工时，高压液体就会沿串槽部位由非生产层进入套管，而使挤压充填施工无法进行。
1.3.4分层挤压充填只能完成地层的改造，而无法实现环空循环充填的问题。
因分层挤压充填封隔器采用的是不循环封，携砂液只能由油管通过充填封进入防砂管与套管环空，再进入地层，完成地层改造。绕丝与套管环空内的充填砂，是在砂子进入地层时，部分砂子从携砂液内析出沉积而成，当砂面埋住地层时，压力会快速升高。这样环空内的砂子是靠沉降充填的，易产生砂桥，且砂面也只能填到油层上界。
1.3.5在挤压充填过程中，产生充填封上移的问题。
在分层挤压充填施工过程中，当压力过高或充填封锚定不牢时，易产生绕丝上移，需重新进行换绕丝施工（这种情况每年发生5-10井次） 。如图6所示，因充填封为不循环封，在挤压充填时，封上与封下会形成压差，这个压差会使充填封产生一个向上的推力，推力的大小与压力有关。以D177.8mm套管为例，当施工压力达到25.0MPa时，上顶力可达400kN，这时如果充填封与套管的锚定力小于上顶力时，便会发生上移。
1.3.6分层绕丝挤压充填防砂井，防砂后再下卡封，工序复杂，施工周期长的问题。
目前的分层挤压充填防砂工艺工序：
下防砂管柱挤压充填冲砂下卡封冲砂下泵六道工序。
1.3.7生产层位多，层间渗透率差异大，使部分地层得不到改善。
如图7所示，目前挤压充填施工，携砂液基本是采用污水，排量在1000L/min左右，当携砂液到达地层时，液体被炮眼分流，流速会大幅度降低，携砂液在进入地层的同时，有部分砂子会下沉在套管内快速堆积，这样相对高渗透层或吸液启动压力低的油层（一般是上部油层），在没有填饱砂子时，下部油层已经被砂子掩埋。造成结果是没有得到充填疏通的油层渗透率明显低于得到充填疏通的油层，生产时便不能发挥出最大能力。
1.3.8对大厚度油层井，不能发挥最佳的产能。
如图8所示，同一层内，携砂液首先进入层内亏空部位（这个部位一般在油层顶部），和多层井一样，携砂液在进入地层的同时，有部分砂子会下沉在套管内堆积，会很快将油层中下部埋住，使这部分层段没有得到充填疏通，这样在生产时，也就发挥不出最佳产能。
1.3.9不能实现筛套环空的循环充填
如图9所示，绕丝与套管环空内的充填砂，是在砂子进入地层时，部分砂子从携砂液内析出沉积而成，当砂面埋住地层时，压力会快速升高。这样环空内的砂子是靠沉降充填的，易产生砂桥，且砂面也只能填到油层上界。
3.1工艺原理
如图10所示，封上采下挤压充填防砂一次完成工艺技术，就是将目前封上采下挤压充填防砂工艺，先防砂后卡封的两次完成的管柱一次下入，座封丢手后在完成防砂管柱的同时也完成卡封管柱。然后下入挤压充填施工管柱，打开底部开关，采用逆向充填法，完成挤压和循环充填。
管柱结构：
自下而上－底部开关＋生产筛管＋信筛＋底部封隔器＋盲封管＋顶部封隔器组成。
施工工序：
下防砂管柱下挤压充填管柱挤压充填+循环充填下泵四道工序（比目前工艺减少两道工序）。
封上采下一体化工艺挤压充填防砂与常规挤压充填不同的还有是它的逆向性。如果常规绕丝挤压充填携砂液携带砾石经过油管自充填工具进入筛套环空，下行后进入地层的流向由上而下为正充填方式。那么，携砂液携带砾石经过油管自井下开关进入筛套环空，上行后进入地层的流向由下而上便为逆向充填方式。
3.2防砂工艺管柱的设计与研究
一是采用一级双向锚定，一级机械座封液压锚定的两级封隔器，便可实现一次完成悬挂防砂筛管，封卡非生产层的一体管柱。
二是D177.8mm套管下井工具内径设计为D76mm，D139.7mm套管下井工具内径设计为D62mm，为挤压充填液体流经通道提供最大过流面积，减少节流引起的压力损失。
该工艺管柱主要包括：底部开关、防砂筛管、信号筛管、底部封隔器、盲封管、顶部封隔器四部分组成。
a、底部开关（图11）――主要由插管、滑动芯管、回位弹簧、出液孔、防护罩、插管、密封圈组成。作用是在挤压充填和循环充填时，为进入地层的液体提供通道。它是由插管打开，在挤压循环充填施工完毕后，拔出插头通道自动关闭。
b、防砂筛管――采用强度高，过流面积大的绕丝筛管，可最大限度的提高产液能力，成本相对较低。 D177.8mm套管采用D89mm绕丝； D139.7mm套管采用D73mm绕丝。
c、信号筛管――是在挤压充填完成后，为循环充填提供通道，确保环空充填质量。
d、底部封隔器（图12）――主要由座封部分、密封部分、锚定部分等组成。作用一是机械座封后，悬挂防砂筛管；二是密封生产层与封闭层之间的油套环空。并设计有液压锚定装置，在挤压充填施工时起到锚定作用，防止因生产层与封闭层之间产生的压差使封隔器产生上移解封。
e、顶部封隔器（Y445）――为液压座封，双向锚定丢手封隔器。它的作用一是封闭非生产层上部环空；二是维持底部封隔器座封负荷，丢手后实现独立的防砂与卡封管柱。
施工程序：下入防砂管柱洗井座封丢手起出管柱下入挤压充填管柱挤压充填施工+循环充填反洗井起出挤压充填管柱。
充填过程：一是携砂液采用未胶连的压裂液携带砾石由下而上地进入筛套环空后，根据各个油气层的渗透率大小自动由高到低对每个层进行深部挤压充填；二是用油田污水进行近井地带及炮眼的挤压充填；三是对筛管与套管环形空间进行循环砾石充填；最后在完成砾石充填后，上提管柱，关闭井下开关，使“地层---炮眼---筛套环空”形成一个密闭、连续的防砂层。反洗出管内砾石，充填施工结束。
3.3封隔器在高压下的受力分析研究
这两级封隔器在挤压充填施工时主要受力有：
顶部封隔器（如图13），一是受底部封隔器座封时管柱加压的上顶力（一般为80-100kN）；二是在挤压充填施工时，封上油套环空与卡封层之间的压差所产生的向下推力。因而将顶部封隔器要具有双向锚定功能。
底部封隔器（如图14），一是受座封时管柱的下压力（一般为80-100kN）；二是在挤压充填施工时，封下与卡封层之间的压差所产生的向上推力。当推力大于最小座封力时，封隔器胶筒会因座封力达不到要求而产生漏失。因而底部封隔器设计为单向机械座封，靠顶部封隔器维持座封载荷，并在封隔器上部设计有液压防顶装置，在挤压充填施工时起到锚定作用，施工结束锚定解除。
3.4挤压充填与循环充填一次完成工艺的研究
如图15所示，挤压充填施工时，携砂液经油管下行，由底部开关进入套管，再进入地层。挤压充填完成后，开启套管闸门，携砂液由绕丝缝隙进入挤压充填施工管柱与绕丝的环空，经油套环空返出，充填砂被阻挡在绕丝外，当环空填实压力起升后，上提管柱反洗出油管内多余的充填砂，完成施工。
3.5防砂管柱后期处理技术的研究
为在后期能顺利将防砂管柱拔出，主要采取的措施有：
①在卡封层出砂，底部封隔器解卡无效时，主要措施是在顶部封隔器下接头设计有反扣，可从反扣处倒开，起出顶部封隔器，用套铣管冲出盲封管环空砂子。
②如果防砂筛管卡死不能解卡时，主要措施是底部封隔器下接头同样设计有反扣，解卡无效时，可从反扣处倒开，起出底部封隔器，用套铣管冲出防砂管环空砂子，便可将防砂管顺利捞出。
③除封隔器外，防砂管柱工具本体最大外径为107mm，可实现常规套铣管套冲。
3.6施工参数及施工方式的研究
①挤压充填施工时，采用目前采油厂压裂车组来完成施工。同时总结出适合孤东油田特点的施工参数。
②利用目前逆向挤压充填施工的地面工具设备，不需要其它多的投入，来完成该工艺。
③携砂液的使用。首先采用一定黏度的携砂液进行地层挤压充填，再使用污水进行环空循环充填。
4封上采下挤压充填一次完成工艺技术应用效果
4.1现场应用情况
该工艺2011年6月至10月在7-26-186、 2-18-50 、7-43-276三口井应用，施工一次成功。施工一井次可节省两道冲砂工序，减少占井周期两天，提前开井两天。
4.2 应用效果
封上采下挤压充填一次完成工艺技术可实现小夹层分层防砂分层生产，避免常规分层挤压充填、分层地填卡管柱，可提高作业效率，减少作业占井周期。
①每施工一口井可减少两次冲砂工序，减少占井周期2天。
②实现小夹层、层间串槽井封上采下分层挤压充填、分层开采。
③避免常规分层挤压充填防砂卡管柱，提高作业效率，减少事故处理所发生的作业费用。
④可实现挤压充填完成地层的改造，循环充填提高环空充填质量，改善防砂效果，延长油井免修期。
⑤避免在分层挤压充填施工过程中，产生绕丝上移，而重新换绕的费用支出。
⑥与常规挤压充填相比，提高加砂量25%。
⑦因施工管柱不产生压差，不会存在油管破裂而造成的施工失败问题。
4.3 推广应用前景
孤东油田每年封上采下施工井的工作量预计在150口井左右，它的推广应用对于提高作业效率，节省作业费用，同时在防砂工艺的完善上，将起到重要作用。
预计年可减少占井周期300天，近一台作业动力一年工作量；提前开井300天，可增加原油产量600t；减少300道冲砂工序，节省作业费用300多万元。
5 结论
封上采下挤压充填一次完成工艺技术对完善挤压充填工艺技术，有效的解决了常规挤压充填时经常会出现套管返水不能施工；充填后无法实现丢手，造成事故复杂化；小夹层无法实现分层挤压充填，只能采用盲封施工，使目的层不能达到理想效果；工序复杂，施工周期长加砂量过少的问题。对改善分层防砂效果，实现提高作业时效，降本增效起到了重要作用。
参考文献:
[1]《井下作业实用数据手册》.北京：石油工业出版社，2007.8
作者简介：
林维民（1962.9-），男，技师，现任胜利油田分公司孤东采油厂作业二大队技师办主任，从事井下作业工作。地址：（257237）山东省东营市河口区孤东采油厂。