渤海套管井多層壓裂充填管柱沿程摩阻修正與應用

幸雪松，陳 彬，張彬奇，龔 寧，張 磊，李 強，徐鳳祥，仲兆宇

（1中海石油（中國）有限公司天津分公司2海洋石油高效開發國家重點實驗室3中海油田服務股份有限公司）

幸雪松等.渤海套管井多層壓裂充填管柱沿程摩阻修正與應用.鉆采工藝，2019，42（5）：49-51

我國渤海區塊大部分油藏分布在疏松砂巖地層中，其中90%以上均需要進行防砂，其中一次多層礫石充填防砂具有作業效率高、防砂有效期長、保持產能好、能夠實現分層選擇性注采等優點，已經成為我國主流的防砂完井技術之一。其中?244.61 mm套管井常用的內沖管為?73.03 mm，?177.8 mm套管井常用的內沖管為?48.26 mm，因壓裂充填時沖管管徑小，充填層段距離長，攜砂液在泵送過程中會產生很大壓降，故準確計算、預測這些壓力損失對壓裂防砂工藝確定施工壓力和充填成功與否是十分重要的［1-3］，然而隨著工藝升級，常規管柱沿程摩阻計算方法出現了較大的誤差；同時，壓裂液在管柱中的流動為復雜的紊流，管柱沿程摩阻采用經典流體力學公式計算不能完全適用于現場，本文基于常規降阻比法計算管柱沿程摩阻［4-6］，結合蓬萊PL19-9區塊現場作業數據，對降阻比公式中的參數進行修正，得到更精確地計算沿程摩阻新公式，并將其應用于J21 井；依據該機理，論證渤海地區新型?193.675 mm套管一次多層壓裂礫石充填工藝，其內沖管尺寸?60.33 mm，結果表明，新型?193.675 mm套管壓裂防砂工藝在實現排量3.18m3基礎上，沖管長度達400 m，該技術后期將大范圍應用于渤海地區。

一、管柱沿程摩阻機理研究

目前，海上壓裂充填所采用的是高溫海水基壓裂液，其低濃度，高黏度，與地層的液體有良好的配伍性，攜砂和懸砂性能力特別強。壓裂液為塑性流體（非牛頓流體），其沿程摩阻計算比較復雜，壓裂充填過程中的管柱沿程摩阻計算一般都采用降阻比法計算，即采用清水的管柱沿程摩阻計算公式來計算壓裂液的沿程摩阻［7-8］，見式（1）。

式中：δ—降阻比；

ΔPG，P—壓裂液管柱沿程摩阻，Pa；

ΔP0—采用清水的管柱沿程摩阻公式計算的摩阻，Pa；

λ—達西摩阻系數；

f—范寧摩阻系數；

v—流體的流速，m／s；

D—管柱的內徑，m；

L—管長，m。

流體力學規定流體的流態（層流和紊流）可用雷諾數Re來判斷，Re≤2 000時為層流，Re＞2 000時為紊流。流體的雷諾數可用式（3）求得：

式中：μ—流體黏度，Pa·s。

在壓裂充填過程中，流體的流態都是紊流，流體力學Blasius公式描述的紊流的雷諾數與范寧摩阻系數關系見式（4）：

根據海上大量的施工經驗，對式（4）加以修正，得到修正式（5）：

由式（2）、式（3）、式（5）可以求出ΔP0。

大量的實驗證明，壓裂充填過程中胍膠濃度和支撐劑的支撐劑濃度對沿程摩阻都有影響，D.L.Lord和J.M.Mcgowen對實驗結果加以分析，修正得到降阻比計算公式（6）［9-10］：

式中：G—胍膠濃度，kg／m3；

P—支撐劑濃度，kg／m3。

綜上可得壓裂液的沿程摩阻公式（7）：

式中：σ—壓裂液的降阻比系數。

二、探討管柱沿程摩阻修正系數

目前，隨著工藝升級，常規管柱沿程摩阻計算方法出現較大的誤差，提高了作業難度、風險，引起充填工藝的失敗，僅僅用胍膠濃度和支撐劑濃度不足以準確的表達壓裂液的降阻比系數σ，因此，為了有效的解決這類問題，參照PL19-9油田的多年現場作業數據，采用實際的施工數據（見表1、表2）與計算公式進行對比校正，得到較為實際的修正系數。

將PL19-9區塊壓裂施工參數：?127 mm鉆桿內徑D：108 mm；?88.9 mm鉆桿內徑D：70.2 mm；?73.16 mm 沖管內徑D：62 mm；壓裂液密度ρ：1 030 kg／m3；壓裂液黏度：500 mPa·s；胍膠濃度：3 kg／m3；支撐劑濃度：958 kg／m3和各個管柱組合的長度L代入公式，可求得基于降阻比法計算出的摩阻，采用此摩阻與實際施工摩阻對比可得出其較為切合實際的修正系數，見表3。

表1 PL19-9區塊示例井壓裂充填配管組合

表2 PL19-9區塊示例井施工參數

表3 依據降阻比法計算的管柱摩阻與修正系數

由表3可知，計算出的平均修正系數A為0.5746，由此得出修正后的壓裂液摩阻計算公式（8）：

三、現場應用

2017年7月，將該方法應用于PL19-9-J平臺21井（壓裂充填防砂），經驗證一趟三層沿程摩阻過大，無法滿足現場作業，故采用一趟兩層防砂管柱+逐層充填行防砂作業。一趟兩層采用?127 mm鉆桿649.83 m，?88.9 mm鉆桿1 212.80 m，?73.16 mm沖管141.12m，設計砂量26 671.23 kg，主充填設計最高砂比為798.21 kg／m3，泵注排量為2.86 m3／min，最終打砂量為17 417.49 kg，返出5 605.49 kg，充填 系 數575.92 kg／m，盲 管 埋 高3.87 m，破裂壓力梯度0.016 MPa／m，測得實際摩阻10.97 MPa，該層順利完成按設計砂量實現誘導脫砂，充填完成，效果良好，見圖1。

四、新型?193.675 mm套管壓裂充填工藝摩阻研究

為應對當前乃至未來的低油價運行，基于常規的?177.8 mm和?244.61 mm套管一次多層礫石充填防砂工藝完井方式，特提出新型?193.675 mm套管壓裂充填防砂。就壓裂充填過程中沿程摩阻進行研究，沿程摩阻直接影響防砂層段長度（除去底層），基于式（8），對該新型壓裂防砂完井工藝進行論證（按照渤海常規壓裂參數進行計算），假設?88.9 mm鉆桿長度L：2 000 m，鉆桿內徑D：70.2 mm；?60.46 mm沖管長度L：400 m，沖管內徑D：50.6 mm；壓裂液密度ρ：1 030 kg／m3；壓裂液黏度：500 mPa·s；儲層垂深：1 500 m；破裂梯度：0.018 MPa／m；胍膠濃度：3 kg／m3；支撐劑濃度：960 kg／m3，進行模擬計算。

圖1 一次多層底層充填曲線

圖2 沖管長度與管柱沿程摩阻的關系曲線

由圖2可知，當地層破裂壓力為26.89 MPa，靜液柱壓力為15 MPa，壓裂液摩阻為39 MPa時，地面泵壓為50.90 MPa，整套新型礫石充填工藝管柱壓力級別為51.72 MPa（渤海地區要求不超過51.72 MPa），壓裂充填層段長度達到400 m（不考慮最下層射孔段），滿足現場需求。

五、結論

（1）依據現場施工參數，得出基于降阻比法的管柱沿程摩阻的修正系數，為相關工藝技術提供理論參考。

（2）該方法應用于J21井，取得良好效果，表明其可廣泛應用于渤海區塊，特別是蓬萊區塊多層壓裂充填的施工作業模擬。

（3）基于該修正系數，論證新型?193.675 mm套管一次多層壓裂防砂工藝，在實現排量3.18 m3基礎上，沖管長度可達400 m（不考慮最下層射孔段），該新型套管完井方式將大面積應用于渤海地區。