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(wù)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(rèn)為是一種高效實(shí)用的防砂方式，有助于防止井壁坍塌，保持井壁穩(wěn)定，同時(shí)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(jìn)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(gè)階段[1]：(1)砂漿注入階段：礫石砂漿自地面泵入，此時(shí)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(dá)轉(zhuǎn)換工具時(shí)達(dá)到最小值；(2)α波充填階段：當(dāng)砂漿經(jīng)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)入裸眼井筒后，由于井筒環(huán)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(gè)階段，充填壓力緩慢上升，一直到α波到達(dá)井筒趾端；(3)β波反向充填階段：α波充填到達(dá)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(gè)階段，充填壓力迅速增加，直至脫砂，壓力達(dá)到最大值，充填結(jié)束。

1.2 各階段摩阻分析計(jì)算模型

水平井礫石充填過程中，砂漿通過井下轉(zhuǎn)換工具進(jìn)入井筒環(huán)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(dá)到平衡狀態(tài)，形成平衡堤。平衡堤上部流體的流動(dòng)與篩管與沖管環(huán)形空間的流動(dòng)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(huán)空液體流動(dòng)摩擦系數(shù)，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(huán)空的流速(m/s)；DH*、DHtp為平衡堤上部、沖篩環(huán)空的直徑(m)；Ψ為平衡堤上部由于礫石的存在而產(chǎn)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(shí)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(huán)空截面面積(m2)；ftp為摩阻系數(shù)；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(huán)空直徑(m)；L為井筒長(zhǎng)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(shí)間β波充填前沿距離(m)；Di、De分別為篩管內(nèi)徑和沖管外徑 (m)。

2 充填各階段摩阻分布規(guī)律分析

2.1 模擬計(jì)算參數(shù)

根據(jù)水平井礫石充填的階段劃分方式，以及摩阻計(jì)算分析模型，針對(duì)礫石充填過程，進(jìn)行分階段精細(xì)化計(jì)算，具體模擬參數(shù)如表1所示。

表1 超短半徑水平井模擬計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述超短半徑水平井模擬參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)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(huán)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(duì)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(huán)空摩阻占31%；管柱注入摩阻占5%；由于采用超輕質(zhì)礫石，與攜砂液密度差很小，礫石懸浮性強(qiáng)，基本不會(huì)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(zhǎng)度增加，在沖管-篩管環(huán)空中攜砂液流動(dòng)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(huán)空摩阻占11%；管柱注入摩阻較小，占2%。

由計(jì)算結(jié)果可知，水平井段充填阻力在前兩個(gè)階段相對(duì)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(dòng)長(zhǎng)度逐漸增加，水平井段摩擦阻力變大，導(dǎo)致整個(gè)充填摩擦阻力在第三階段迅速升高。

3 礫石充填參數(shù)敏感性分析

3.1 漏失率和泵排量對(duì)充填壓力的影響

針對(duì)礫石充填過程中各個(gè)水力參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的敏感性分析，以獲得各參數(shù)對(duì)礫石充填壓力及充填長(zhǎng)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(duì)不同地層漏失率和排量需綜合設(shè)計(jì)，需關(guān)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(duì)充填長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)，所以重點(diǎn)需考慮β階段的可充填長(zhǎng)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(dòng)長(zhǎng)度逐漸增加，水平井段摩擦阻力變大，導(dǎo)致整個(gè)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(duì)漏失率和泵排量對(duì)β可充填長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)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(zhǎng)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(qū)間。由于超輕質(zhì)礫石與攜砂液密度差很小，礫石懸浮性強(qiáng)，基本不會(huì)形成α砂床，不存在提前堵塞風(fēng)險(xiǎn)，所以無需考慮可行排量下限值，應(yīng)重點(diǎn)考慮壓力控制條件。計(jì)算結(jié)果表明，泵排量越高，充填壓力越高，當(dāng)排量大于3.0桶/min時(shí)，β壓力超過破裂壓力，因此可行泵排量應(yīng)小于3.0桶/min。

4 結(jié)語

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

(2)采用輕質(zhì)礫石充填時(shí)，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(jì)算分析了漏失率和泵排量對(duì)充填壓力和充填長(zhǎng)度的影響，在超短半徑水平井礫石充填施工設(shè)計(jì)中應(yīng)注意β充填階段的壓力影響。