CN101126311B - 石油水平井膨胀防砂筛管装置和膨胀工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油水平井膨胀防砂筛管装置和膨胀工艺方法。该装置包括普通套管、水平套管、膨胀装置，水平套管包括依次连接的前端的悬挂副，中间的水平套管筛管，相对后部的发射室和后端部的地矛。膨胀装置包括胀头、盘根、发射室、钻杆、钻杆管接头和滑珠管套。本发明能大幅度提高石油单井抽油产量，与垂直井比较，水平井膨胀筛管单井原油日产可提高4～10倍。特别是可以使油流流速与地层渗透速度匹配，以达到合理使用资源，能持续达到稳产高产的目的。本发明装置结构简单、施工方便、稳定可靠、经济可行，便于推广。

Description

石油水平井膨胀防砂筛管装置和膨胀工艺方法

技术领域

本发明涉及石油套管技术，特别是一种石油水平井膨胀防砂筛管装置和膨胀工艺方法，它是一种简单结构的大油流界面膨胀复合防砂筛管。

背景技术

为了提高油田原油产量和质量，目前广泛使用不膨胀的水平井防砂衬管。由于传统防砂衬管内径较小，衬管与钻井裸眼壁之间有较大空隙，局部造成瘫塌，形成死砂层，缩小了油流界面，则影响原油产出；另外衬管本身有0.3-0.4mm的宽缝影响除沙效果。胜利油田河口采油厂沾18-P5#水平井采用非膨胀防沙管筛，尽管产出一定效果，但除砂效果不好。

目前Bake、Harriburdon、Weatherford三公司提出多层防砂筛管，为避免事先充填砾石，其主要除砂设计使用多孔滤网或编制绕丝，但价格昂贵，难以大面积推广。另外，油流界面依然偏小，日产量有待进一步提高，为扩大油流界面，Weatherford推出旋转膨胀多层筛管。它由于采取旋转碾压膨胀，其创程滚球本身受力不均，内表面凹凸不平，筛管层间错动；此外，过弯道采用大量带滑球钻杆，经济耗费巨大。

发明内容

本发明的目的是提供一种石油水平井膨胀防砂筛管装置和膨胀工艺方法。本发明是利用滑珠管套有效地减少套管弯道阻力，提高钻杆使用的通用性。本发明能大幅度提高石油单井抽油产量，与垂直井比较，水平井膨胀筛管单井原油日产可提高5～10倍。本发明特别匹配了油流与地层渗透速度，合理使用资源，能持续达到稳产高产的目的。具有结构简单、施工方便、经济实惠、稳定可靠等特点。

本发明提供的石油水平井膨胀防砂筛管装置包括普通套管、水平套管、膨胀装置三部分。

所述的普通套管包括上部垂直走向套管和下部弯曲套管两部分，整个套管用管接头螺纹连接各根套管而成，套管外部按传统工艺先行注浆固井。弯曲套管的初始端到终端逐渐弯曲转向，其尾端与水平套管前端组成悬挂副。悬挂副为带外胶带的水平套管前端插入弯曲套管的尾端，经胀头膨胀压合，形成相互固定式连接。

所述的弯曲套管的初始端到终端逐渐弯曲转向是每米近1°，积累转向90°。

所述的水平套管包括依次连接的前端悬挂副，中间的水平套管筛管，相对后部的发射室和后端部的地矛。

所述的水平套管的地矛包括滑块、连杆、支持端、定位块和矛爪。滑块与连杆之间、连杆与矛爪之间、矛爪与支持端之间均用铰链连接，可以相对转动。所述的滑块端部带有密封橡胶。

所述的水平套管的发射室包括一段实体管，其前端有胀头，后端有滑块，形成密闭空间。由胀头底部中孔注水馈给水压，可以推动胀头和滑块前后运动，设计膨胀管的推动力大于滑块支起的推动力，以使滑块的右移运动先干胀头左移。

所述的水平套管筛管由单一定长的筛管组成，单一筛管之间借助筛管管接头用螺纹连接，筛管本体是多层复合管，按自外而内的顺序由外圆孔层、包石层、绕孔层和内圆孔层组成。

所述的外圆孔层紧靠油井的裸眼壁，外圆孔层的孔呈有序分布，周向排孔位置均分圆周，排孔中心的管轴方向距离大于圆的直径，相邻排孔位置错落分布。

通用的防砂管装置采用外围填充砾石，预先工程量大技术也非常复杂。本发明将砾石包容于管壁之中，施工方便、简单实用。所述的筛管次外层的包石层，是指该层金属管本身有排列有序的圆孔，孔中充填近等直径的砾石或陶粒。砾石或陶粒直径D决定于阻止砂粒的最小直径d_o，有：

D＝6.45d_o；

其间缝隙油液可自由通行，但防止大于内切圆直径d_o砂粒通过。

所述的筛管绕孔层，是都分布着连续环绕三角形的孔。

所述的筛管实质由外圆孔层管、内圆孔层管和包石层管组成，相邻管的两个界面：即外圆孔层与包石层的界面，内圆孔层与包石层的界面都分布着绕孔层。正三角形的边长L于阻止砂粒最小尺寸d_o关系如下该层界面：

L＝1.732d_o，

对底边为L的等腰三角形有

L＝ctgθ/2·d_o

孔中油流汇集到贯通壁的圆孔中排入筛管内。油层渗透的油流通过外圆孔层，再经过绕孔层和包石层砾石缝隙的过滤，馈给到绕孔层，汇集到内圆孔，最后流入筛管内腔。

所述的筛管的装配方法：用分度头夹具将直径分别近于装配直径98％的三层管按滑配方法安装，其周向圆心位置与相邻管周向圆心同一平面，由分度夹具控。其轴向平面相对位置依靠推入模具表面尺寸控制，使圆孔坐标位置在相邻管圆孔中心连线的二分之一处；先装配内圆孔管及包石层管，圆孔中放入砾石后再行套入外圆孔层。分度定位后用胀头压合筛管的三层管、相互贴紧压配组合为一体。膨胀扩径2％左右达到装配尺寸，并三层管中以包石层管作为筛管的主体骨架，借助其端部偏梯螺纹与筛管管接头螺结。

所述的膨胀装置包括胀头、盘根、发射室、钻杆、钻杆管接头和滑珠管套。所述的滑珠管套是两端带滑珠的管套，滑珠是带轴的球，球轴被支承在管套的轴承座上，滑珠可以悬空绕轴自由转动，转动平面与管轴平行。由于将滑动摩擦转换为短力臂的滚动摩擦，这大大减少了弯曲的套管摩擦阻力。在钻杆连接时，同时将滑珠管套套在钻杆上，后旋紧螺纹。借助钻杆管接头突起部位推动滑珠管套，因而被带动与钻杆一起同步运动。钻杆螺接在胀头上，并贯穿胀头底部。

所述的石油水平井膨胀防砂筛管装置的膨胀工艺方法包括下述步骤：用钻杆将筛管送于水平井底端后，通过钻杆中间孔注入高压水，发射室增压，滑块开始右移，借助连杆支起矛爪，当滑块接触定位块，则运动停止。此时由于地矛定位，水平套管右端已被固定。当继续加压则推动胀头向左移动，当移出发射室段遇到筛管，筛管扩径网孔扩张，则压力显示陡降，此时开始向上拉拔钻杆，借助滑珠管套帮助经过弯道转向，拉动钻杆左移。滑珠管套减少了钻杆过弯道的阻力，一般拉拔力小于15吨，胀头在向左移动的过程中胀开筛管，内径比传统筛管扩大75％以上。

本发明提供的膨胀割缝多层复合筛管，能够大幅度提高石油单井抽油产量，与垂直井比较，水平井膨胀筛管单井原油日产可提高5～10倍。本发明特别匹配油流流速与地层渗透速度，合理使用资源，能持续达到稳产高产的目的。本发明装置简单、施工方便、稳定可靠、经济可行，便于推广。

附图说明：

图1为本发明石油水平井膨胀防砂筛管装置整体剖面示意图。

具体实施方式：

如图所示：1.套管、2.滑珠管套、3.悬挂副、4.套管管接头、5.钻杆、6.筛管管接头、7.胀头、8.盘根、9.外圆孔层、10.包石层、11.绕孔层、12.内圆孔层、13.发射室、14.滑块、15.连杆、16.定位块、17.支持端、18.矛爪。

本发明的石油水平井膨胀防砂筛管装置包括普通套管、水平套管、膨胀装置三部分组成。水平井膨胀防砂筛管的水平套管由前端的悬挂副，中间的筛管，相对后部的发射室和后端部的地矛组成。所述的水平去向中间的筛管由单一定长的筛管组成，单一筛管之间借助筛管管接头6用螺纹连接，筛管本体是多层复合管，按自外而内的顺序由外圆孔层9、包石层10、绕孔层11、内圆孔层12组成。油层渗透的油流通过外圆孔层9，再经过绕孔层11和包石层10砾石缝隙的过滤，馈给到绕孔层11，汇集到内圆孔12，最后流入筛管内腔。

水平套管的地矛由滑块14、连杆15、支持端17、定位块16和矛爪18组成。滑块与连杆之间、连杆15与矛爪18之间、矛爪18与支持端17之间均用铰链连接，可以相对转动。所述的滑块14端部带有密封橡胶。

水平套管的发射室13包括一段实体管，其前端有胀头7，后端有滑块14，形成密闭空间。由胀头7底部中孔注水馈给水压，可以推动胀头7和滑块14前后运动，设计膨胀管的推动力大于滑块14支起的推动力，以使滑块14的右移运动先于胀头7左移。

膨胀装置包括胀头7、盘根8、发射室13、钻杆5、钻杆管接头和滑珠管套2。所述的滑珠管套2是两端带滑珠的管套，滑珠是带轴的球，球轴被支承在管套的轴承座上，滑珠可以悬空绕轴自由转动，转动平面与管轴平行。由于将滑动摩擦转换为短力臂的滚动摩擦，这大大减少了弯曲套管摩擦阻力。在钻杆5连接时，同时将滑珠管套套在钻杆上，后旋紧螺纹。借助钻杆5管接头突起部位卡住滑珠管套2，因而可与钻杆5一起同步运动。钻杆5螺接在胀头7上，并贯穿胀头7的底部。

膨胀工艺方法是：用钻杆5将筛管送于水平井底端后，通过钻杆5中间孔注入高压水，发射室13增压，滑块14开始右移，借助连杆支起矛爪18，当滑块14接触定位块16后，则运动停止。此时由于地矛定位，水平套管右端已被固定。当继续加压则推动胀头7向后左移动，当移出发射室13段遇到筛管，筛管扩径网孔扩张，则压力显示陡降，此时开始向上拉拔钻杆5，借助滑珠管套2帮助经过弯道转向，拉动钻杆5左移。滑珠环减少了钻杆过弯道的阻力，一般拉拔力小于15吨，胀头7在向左移动的过程中胀开筛管，内径比传统筛管扩大75％以上。

应用实施例：

油田实验51/2＂井、外径Φ139.7mm、内径Φ124.5mm，井的垂直段2008m，弯曲段88m，转折90°直角。此两部分按普通套管注浆加固，水平井长1832m，钻5″的裸眼(实际尺寸4.9″)，水平位置的裸眼长1840m，利用23/8″钻杆将筛管导入水平井底端，筛管一律采用膨胀管材料ZP08制造，原筛管三层复合管其最大外径尺寸Φ112mm、其最小小内径尺寸97mm。分度定位后用Φ100.5mm胀头压合三层管、相互贴紧压配组合为一体。膨胀扩径2％左右达到装配尺寸：外径Φ114mm，内径Φ100mm，厚度7mm，筛管圆孔及包石圆孔均为Φ10，每周8个均布，管排间中心距15mm，相邻管排错落分布。包石层储存砾石为石英河砂Φ0.129mm，绕孔截面为正三角边长L＝3。胀头外径Φ110.5mm，发射室长度50mm。当注入水压22MPa后，推动地矛滑块右移，借助连杆支起矛爪，伸入裸眼壁与地层、悬挂并限位，防止向左松动。当滑块接触定位块后，停止向右移动。此时增加水压至26MPa，推动胀头向左移动，当移出发射室段遇筛管即显示卸压。以后借助向上提拉钻杆，提拉力10吨，提拉过程中胀头左移，同时胀开筛网。

本发明在施工过程中显示有以下特点：

与固定式筛管相比产油量提高50-70％以上，这种水平井膨胀防砂筛管是传统直井每日单产的4～10倍。

由于水平套管膨胀扩径，筛管壁与裸眼壁直接接触，消除间隙不均匀流动和死砂层，扩大了油流界面，降低了表皮系数，单位面积的油流流速与自然渗透率相匹配，形成自然平衡油流装置，保护油矿资源，并有利控制原油含水量，能达到长期稳产高产的目的。

包石层是将砾石现场外充填，改变为在防砂装置中预先内充填。并且能适应膨胀塑变过程，砾石可不被压碎，节约施工工时和降低材料消耗成本。

由于油井的水平套管段不固井，免除射孔，降低了直接施工工艺成本15％。

本发明的膨胀方式属于筛管环状均匀膨胀，能保证筛管精确和光滑的内表面。根据膨胀变形程度，可改变网眼参量，便于控制除砂效果。

利用综合机制，互相补充除砂、效果良好，原油中粒度大于0.02～0.2的砂粒、原含量5.8％，除砂后仅为0.174％，可以清除99.7％。可根据原油含砂粒度配比设计复合防砂筛管几何参量及膨胀变形度。

本发明利用滑珠管套有效地减少了套管弯道阻力，提高钻杆使用的通用性。具有结构简单、施工方便、经济实惠、稳定可靠特点。

Claims (5)

1.一种石油水平井膨胀防砂筛管装置，包括普通套管、水平套管、膨胀装置；

所述的普通套管包括上部垂直走向套管和下部弯曲套管两部分，整个套管用管接头螺纹连接单根套管而成，弯曲套管的初始端到终端逐渐弯曲转向，普通套管尾端与水平套管前端的悬挂副相连接，悬挂副为带外胶带的水平套管前端插入弯曲套管的尾端，经胀头膨胀压合，形成的固定式连接；其特征在于：

所述的水平套管包括：依次连接的水平套管前端的悬挂副，中间的水平套管筛管，相对后部的膨胀装置和后端部的地矛；

所述的膨胀装置包括胀头、盘根、发射室、钻杆、钻杆管接头和滑珠管套，滑珠管套是两端带滑珠的管套，滑珠是带轴的球，球轴被支承在管套的轴承座上，滑珠可以悬空绕轴自由转动，转动平面与管轴平行，钻杆连接时同时将滑珠管套套在钻杆上，后旋紧螺纹，借助钻杆管接头突起部位卡位滑珠管套，因而与钻杆一起同步运动，钻杆螺接在胀头上，并贯穿胀头底部；

所述的发射室是指位于其前端的上述的胀头，后端的滑块，中间的一段实体套管，形成密闭空间；由胀头底部中孔注水馈给水压，可以推动胀头左移和滑块右移，设计膨胀管的推动力大于滑块支起的推动力，以使滑块的右移运动先干胀头左移。

2.按照权利要求1所述的石油水平井膨胀防砂筛管装置，其特征在于所述的水平套管筛管由单一定长的筛管组成，单一筛管之间借助筛管管接头用螺纹连接，筛管本体是多层复合管，按自外而内的顺序由外圆孔层、包石层、绕孔层和内圆孔层组成；所述的外圆孔层紧靠油井的裸眼壁，外圆孔层的孔呈有序分布，周向排孔位置均分圆周，周向排孔在膨胀管面上，其圆周边缘的距离大于孔圆的直径，隔一排排孔周向位置相同，相邻排孔位置错落分布；所述的筛管次外层的包石层，是指该层金属管本身有排列有序的圆孔，孔中充填近等直径的砾石或陶粒；所述的筛管绕孔层，是三角形孔环绕的表面层。

3.按照权利要求2所述的石油水平井膨胀防砂筛管装置，其特征在于所述的砾石或陶粒的直径D与砂粒最小直径d_o的关系式：D＝6.45d_o。

4.按照权利要求1所述的石油水平井膨胀防砂筛管装置，其特征在于所述的水平套管筛管的装配方法：用分度头夹具将直径分别近于装配直径98％的三个管按滑配方法安装，其周向圆心位置与相邻管周向圆心同一平面，由分度夹具控制，其轴向平面相对位置依靠推入模具表面尺寸控制，即圆孔坐标位置在相邻管圆孔中心连线的二分之一处；先装配内圆孔管及包石层管，圆孔中放入砾石后再行套入外圆孔层；分度定位后用胀头压合筛管的三层管、相互贴紧压配组合为一体。

5.一种利用权利要求1所述的石油水平井膨胀防砂筛管装置的膨胀工艺方法，其特征在于它是包括下述步骤：用钻杆将筛管送于水平井底端后，通过钻杆中间孔注入高压水，发射室增压，滑块开始右移，借助连杆支起矛爪，当滑块接触定位块，则运动停止，此时由于地矛定位，水平套管右端已被固定，当继续加压则推动胀头向左移动，当移出发射室段遇到筛管，筛管扩径网孔扩张，则压力显示陡降，此时开始向上拉拔钻杆，借助滑珠管套帮助经过弯道转向，拉动钻杆左移，滑珠环减少了钻杆过弯道的阻力，胀头在向左移动的过程中胀开筛管。

Images