超短半徑水平井礫石充填優化設計研究

王嘯，曲躍，張彬奇，張曉誠，張文博

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

0 引言

海上油田多屬于疏松砂巖地層，完井方式多采用防砂完井。礫石充填被廣泛認為是一種高效實用的防砂方式，有助于防止井壁坍塌，保持井壁穩定，同時礫石充填層最大程度維持了地層的滲透性，可防止地層出砂隨高速流體進入井筒。

1 礫石充填摩阻分析

1.1 礫石充填過程分析

礫石充填過程可分為三個階段[1]：(1)砂漿注入階段：礫石砂漿自地面泵入，此時由于泵入的礫石砂漿和井筒中原有的流體之間存在密度差，地面壓力逐漸降低，到達轉換工具時達到最小值；(2)α波充填階段：當砂漿經轉換工具進入裸眼井筒后，由于井筒環空截面面積增加，流速降低，一部分礫石沉降下來，形成砂丘，此階段為α波充填階段，在這個階段，充填壓力緩慢上升，一直到α波到達井筒趾端；(3)β波反向充填階段：α波充填到達井筒趾端后，開始在α波砂床上部反向充填，此即β波充填的開始。在這個階段，充填壓力迅速增加，直至脫砂，壓力達到最大值，充填結束。

1.2 各階段摩阻分析計算模型

水平井礫石充填過程中，砂漿通過井下轉換工具進入井筒環空后，由于重力的作用礫石開始沉積，形成砂丘。在一定的泵排量下，礫石的沉積和懸浮達到平衡狀態，形成平衡堤。平衡堤上部流體的流動與篩管與沖管環形空間的流動相互平行，壓力梯度相等，即有：

式中：f*、ftp為平衡堤上部、沖篩環空液體流動摩擦系數，無因次；ρ為純攜砂液的密度(kg/m3)；v*、vtp為平衡堤上部、沖篩環空的流速(m/s)；DH*、DHtp為平衡堤上部、沖篩環空的直徑(m)；Ψ為平衡堤上部由于礫石的存在而產生的附加壓力梯度(Pa/m)。

α充填階段水平井筒摩阻損失[2]為：

式中：Δpα為摩阻損失 (Pa)；Qp為泵排量 (m3/s)；Lα(t)為t時間α波充填前沿距離(m)；Aup、Aan分別為砂床上部過流面積和井筒環空截面面積(m2)；ftp為摩阻系數；ρm、ρf分別為砂漿密度和攜砂液密度(kg/m3)；Dup、Dan分別為砂床上部流道直徑和井筒環空直徑(m)；L為井筒長度(m)。

β充填階段水平井筒摩阻損失[2]為：

式中：Δpβ為摩阻損失(Pa)；Lβ(t)為t時間β波充填前沿距離(m)；Di、De分別為篩管內徑和沖管外徑 (m)。

2 充填各階段摩阻分布規律分析

2.1 模擬計算參數

根據水平井礫石充填的階段劃分方式，以及摩阻計算分析模型，針對礫石充填過程，進行分階段精細化計算，具體模擬參數如表1所示。

表1 超短半徑水平井模擬計算參數

2.2 計算結果分析

根據上述超短半徑水平井模擬參數進行模擬計算，得出礫石充填各階段摩阻分布情況：

(1)注入段：沖管回流摩阻最大，占總摩阻的63%；管柱-套管環空摩阻，占31%；管柱注入摩阻，占5%；由于注入階段水平裸眼段沒有形成砂層，純凈攜砂液在水平井井筒的摩阻相對較小，僅占1%；

(2) α段：摩阻分布比例與注入段類似，沖管回流摩阻最大，占總摩阻的62%；管柱-套管環空摩阻占31%；管柱注入摩阻占5%；由于采用超輕質礫石，與攜砂液密度差很小，礫石懸浮性強，基本不會形成α砂床，水平段總摩阻仍然很小，僅占2%；

(3) β段：充填方式為末端脫砂擠壓充填，隨著充填長度增加，在沖管-篩管環空中攜砂液流動阻力迅速增加，最終水平井段摩阻占總摩阻的64%；沖管回流摩阻占23%；管柱-套管環空摩阻占11%；管柱注入摩阻較小，占2%。

由計算結果可知，水平井段充填阻力在前兩個階段相對較小，在第三階段，由于充填方式為擠壓充填，且攜砂液的流動長度逐漸增加，水平井段摩擦阻力變大，導致整個充填摩擦阻力在第三階段迅速升高。

3 礫石充填參數敏感性分析

3.1 漏失率和泵排量對充填壓力的影響

針對礫石充填過程中各個水力參數，進行相應的敏感性分析，以獲得各參數對礫石充填壓力及充填長度的影響。圖1給出了不同地層漏失率和泵排量組合下的β最大充填壓力的變化曲線。由圖可知，泵排量越高，充填壓力越高；地層漏失率越高，充填壓力越低。因此，對不同地層漏失率和排量需綜合設計，需關注β階段的壓力影響。

圖1 β階段最大充填壓力變化曲線

3.2 漏失率和泵排量對充填長度的影響

在α波充填階段，基本不形成砂床，不存在提前堵塞風險，所以重點需考慮β階段的可充填長度。在β充填后期，由于末端脫砂式的擠壓充填，且攜砂液的流動長度逐漸增加，水平井段摩擦阻力變大，導致整個充填摩擦阻力在充填后期迅速升高，極易突破地層破裂壓力。因此，針對漏失率和泵排量對β可充填長度進行了計算分析。結果表明，泵排量越高，β階段壓力上升越快，突破地層破裂壓力越早，可充填長度越短。

3.3 可行泵排量分析

綜合考慮充填砂床高度、充填壓力控制條件，確定礫石充填可行泵排量區間。由于超輕質礫石與攜砂液密度差很小，礫石懸浮性強，基本不會形成α砂床，不存在提前堵塞風險，所以無需考慮可行排量下限值，應重點考慮壓力控制條件。計算結果表明，泵排量越高，充填壓力越高，當排量大于3.0桶/min時，β壓力超過破裂壓力，因此可行泵排量應小于3.0桶/min。

4 結語

(1)礫石充填過程中，管柱注入摩阻、管柱-套管環空內摩阻及沖管回流摩阻相對穩定，水平段摩阻在充填前期較小，在充填后期快速增加，導致充填阻力在后期明顯增大。

(2)采用輕質礫石充填時，由于礫石密度較小，容易懸浮于攜砂液中，不能形成有效砂床，充填主要依靠β階段末端擠壓充填。

(3)計算分析了漏失率和泵排量對充填壓力和充填長度的影響，在超短半徑水平井礫石充填施工設計中應注意β充填階段的壓力影響。