超短半径水平井砾石充填优化设计研究

王啸，曲跃，张彬奇，张晓诚，张文博

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

0 引言

海上油田多属于疏松砂岩地层，完井方式多采用防砂完井。砾石充填被广泛认为是一种高效实用的防砂方式，有助于防止井壁坍塌，保持井壁稳定，同时砾石充填层最大程度维持了地层的渗透性，可防止地层出砂随高速流体进入井筒。

1 砾石充填摩阻分析

1.1 砾石充填过程分析

砾石充填过程可分为三个阶段[1]：(1)砂浆注入阶段：砾石砂浆自地面泵入，此时由于泵入的砾石砂浆和井筒中原有的流体之间存在密度差，地面压力逐渐降低，到达转换工具时达到最小值；(2)α波充填阶段：当砂浆经转换工具进入裸眼井筒后，由于井筒环空截面面积增加，流速降低，一部分砾石沉降下来，形成砂丘，此阶段为α波充填阶段，在这个阶段，充填压力缓慢上升，一直到α波到达井筒趾端；(3)β波反向充填阶段：α波充填到达井筒趾端后，开始在α波砂床上部反向充填，此即β波充填的开始。在这个阶段，充填压力迅速增加，直至脱砂，压力达到最大值，充填结束。

1.2 各阶段摩阻分析计算模型

水平井砾石充填过程中，砂浆通过井下转换工具进入井筒环空后，由于重力的作用砾石开始沉积，形成砂丘。在一定的泵排量下，砾石的沉积和悬浮达到平衡状态，形成平衡堤。平衡堤上部流体的流动与筛管与冲管环形空间的流动相互平行，压力梯度相等，即有：

式中：f*、ftp为平衡堤上部、冲筛环空液体流动摩擦系数，无因次；ρ为纯携砂液的密度(kg/m3)；v*、vtp为平衡堤上部、冲筛环空的流速(m/s)；DH*、DHtp为平衡堤上部、冲筛环空的直径(m)；Ψ为平衡堤上部由于砾石的存在而产生的附加压力梯度(Pa/m)。

α充填阶段水平井筒摩阻损失[2]为：

式中：Δpα为摩阻损失 (Pa)；Qp为泵排量 (m3/s)；Lα(t)为t时间α波充填前沿距离(m)；Aup、Aan分别为砂床上部过流面积和井筒环空截面面积(m2)；ftp为摩阻系数；ρm、ρf分别为砂浆密度和携砂液密度(kg/m3)；Dup、Dan分别为砂床上部流道直径和井筒环空直径(m)；L为井筒长度(m)。

β充填阶段水平井筒摩阻损失[2]为：

式中：Δpβ为摩阻损失(Pa)；Lβ(t)为t时间β波充填前沿距离(m)；Di、De分别为筛管内径和冲管外径 (m)。

2 充填各阶段摩阻分布规律分析

2.1 模拟计算参数

根据水平井砾石充填的阶段划分方式，以及摩阻计算分析模型，针对砾石充填过程，进行分阶段精细化计算，具体模拟参数如表1所示。

表1 超短半径水平井模拟计算参数

2.2 计算结果分析

根据上述超短半径水平井模拟参数进行模拟计算，得出砾石充填各阶段摩阻分布情况：

(1)注入段：冲管回流摩阻最大，占总摩阻的63%；管柱-套管环空摩阻，占31%；管柱注入摩阻，占5%；由于注入阶段水平裸眼段没有形成砂层，纯净携砂液在水平井井筒的摩阻相对较小，仅占1%；

(2) α段：摩阻分布比例与注入段类似，冲管回流摩阻最大，占总摩阻的62%；管柱-套管环空摩阻占31%；管柱注入摩阻占5%；由于采用超轻质砾石，与携砂液密度差很小，砾石悬浮性强，基本不会形成α砂床，水平段总摩阻仍然很小，仅占2%；

(3) β段：充填方式为末端脱砂挤压充填，随着充填长度增加，在冲管-筛管环空中携砂液流动阻力迅速增加，最终水平井段摩阻占总摩阻的64%；冲管回流摩阻占23%；管柱-套管环空摩阻占11%；管柱注入摩阻较小，占2%。

由计算结果可知，水平井段充填阻力在前两个阶段相对较小，在第三阶段，由于充填方式为挤压充填，且携砂液的流动长度逐渐增加，水平井段摩擦阻力变大，导致整个充填摩擦阻力在第三阶段迅速升高。

3 砾石充填参数敏感性分析

3.1 漏失率和泵排量对充填压力的影响

针对砾石充填过程中各个水力参数，进行相应的敏感性分析，以获得各参数对砾石充填压力及充填长度的影响。图1给出了不同地层漏失率和泵排量组合下的β最大充填压力的变化曲线。由图可知，泵排量越高，充填压力越高；地层漏失率越高，充填压力越低。因此，对不同地层漏失率和排量需综合设计，需关注β阶段的压力影响。

图1 β阶段最大充填压力变化曲线

3.2 漏失率和泵排量对充填长度的影响

在α波充填阶段，基本不形成砂床，不存在提前堵塞风险，所以重点需考虑β阶段的可充填长度。在β充填后期，由于末端脱砂式的挤压充填，且携砂液的流动长度逐渐增加，水平井段摩擦阻力变大，导致整个充填摩擦阻力在充填后期迅速升高，极易突破地层破裂压力。因此，针对漏失率和泵排量对β可充填长度进行了计算分析。结果表明，泵排量越高，β阶段压力上升越快，突破地层破裂压力越早，可充填长度越短。

3.3 可行泵排量分析

综合考虑充填砂床高度、充填压力控制条件，确定砾石充填可行泵排量区间。由于超轻质砾石与携砂液密度差很小，砾石悬浮性强，基本不会形成α砂床，不存在提前堵塞风险，所以无需考虑可行排量下限值，应重点考虑压力控制条件。计算结果表明，泵排量越高，充填压力越高，当排量大于3.0桶/min时，β压力超过破裂压力，因此可行泵排量应小于3.0桶/min。

4 结语

(1)砾石充填过程中，管柱注入摩阻、管柱-套管环空内摩阻及冲管回流摩阻相对稳定，水平段摩阻在充填前期较小，在充填后期快速增加，导致充填阻力在后期明显增大。

(2)采用轻质砾石充填时，由于砾石密度较小，容易悬浮于携砂液中，不能形成有效砂床，充填主要依靠β阶段末端挤压充填。

(3)计算分析了漏失率和泵排量对充填压力和充填长度的影响，在超短半径水平井砾石充填施工设计中应注意β充填阶段的压力影响。