董長銀 高凱歌 徐鴻志 鄧君宇 胡高偉 陳強

1.中國石油大學(xué)（華東）；2.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司；3.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所

礫石充填是目前疏松砂巖油氣藏廣泛使用的主流防砂方式，礫石充填層用來阻擋地層砂侵入井筒并保持一定滲透率使油氣暢流入井，因此礫石層擋砂性能決定了防砂井產(chǎn)能及防砂綜合效果［1-5］。因此，礫石充填防砂工藝參數(shù)優(yōu)化是近年來研究重點，國內(nèi)外研究者對機械篩管優(yōu)化、礫石尺寸優(yōu)化、施工參數(shù)設(shè)計等方面展開了大量理論和實驗研究，但在這些實驗研究中，礫石層充填密實程度對其擋砂效果和穩(wěn)定性的影響卻鮮有提及，其影響程度和規(guī)律也研究較少［6-8］。文獻［9-14］針對特定的油氣儲層和地層砂通過實驗測試進行礫石尺寸優(yōu)化，但在實驗中礫石層充填層是通過人工壓實的方式預(yù)先充填，使得礫石層達到最高密實充填程度，這是一種理想狀態(tài)。實際礦場實踐中，礫石材料是由攜砂液攜帶到井底實現(xiàn)管外擠壓和管內(nèi)充填，作業(yè)完畢后礫石層很難完全達到理想密實充填狀態(tài)。充填密實程度是影響礫石充填防砂效果的重要因素，但其影響規(guī)律和程度，以及孔眼出流對礫石層穩(wěn)定性的影響等目前尚不明確，一定程度上影響了防砂工藝參數(shù)的科學(xué)設(shè)計。

針對上述問題，利用擋砂介質(zhì)綜合性能測試實驗裝置和典型的地層砂，使用石英砂礫石和人造陶粒2種材料，模擬100%、98%、96%和95%共4種充填密實程度進行礫石層擋砂徑向流驅(qū)替實驗，通過滲透率變化、過砂率和礫石層沖蝕孔洞形態(tài)變化評價充填密實程度對礫石層擋砂效果及其穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為礫石充填施工參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理與實驗裝置

對于射孔完井的垂直井礫石充填防砂，井筒內(nèi)充填層為徑向流，充填層外部為射孔孔眼內(nèi)液體攜帶地層砂的混合入流。為了模擬這種徑向流驅(qū)替狀態(tài)，實驗采用徑向流驅(qū)替模擬方式，即使用流體攜帶地層砂模擬地層流體從孔眼的產(chǎn)出沖擊礫石層，測量通過礫石層的流量和壓力差，計算其滲透率隨時間的變化；并收集通過礫石層的地層砂計算過砂率，同時觀察實驗過程中礫石層的沖蝕孔洞形態(tài)和穩(wěn)定性。

實驗采用的擋砂介質(zhì)綜合性能測試實驗裝置流程圖如圖1（a）所示，實驗裝置由主體徑向驅(qū)替容器、儲液罐、加砂器、集砂器、砂漿泵、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。主體徑向驅(qū)替容器示意圖如圖1（b）所示。

圖1 實驗裝置流程及示意圖Fig.1 Flow chart and sketch of experimental device

主體徑向驅(qū)替容器由透明耐壓材料制成，內(nèi)徑為300 mm，高度為250 mm，能夠放置外徑為100～250 mm、長度為246～248 mm的篩管短節(jié)。實驗時將篩管短節(jié)放置于容器中心，將礫石充填到篩管外壁與模擬井筒內(nèi)壁之間的環(huán)形空間后兩端封閉以確保攜砂流體從側(cè)面進入礫石層內(nèi)部；實驗流體攜帶地層砂從分布于裝置外筒上的6個入流口進入容器，直接沖擊礫石層，用于模擬射孔完井條件下管內(nèi)礫石層受到產(chǎn)出液沖刷、堵塞的過程。實驗時通過設(shè)置于容器底部篩管內(nèi)外的4對差壓傳感器測量通過礫石層的壓差。實驗裝置實物圖如圖2所示。

圖2 擋砂介質(zhì)綜合性能測試實驗裝置Fig.2 Experimental device for testing the comprehensive performance of sand blocking media performance evaluation

為了定量表征礫石層的充填密實程度，定義其為在相同的驅(qū)替容器和篩管外徑條件下，實際充填的礫石質(zhì)量與理想密實充填狀態(tài)下的礫石質(zhì)量之比，用百分比表示。理想密實充填狀態(tài)礫石質(zhì)量是指完全使用人工壓實（保證容器頂蓋能夠密封且不漏失）下能夠充填的最大礫石質(zhì)量，理想密實狀態(tài)對應(yīng)充填密實程度為100%。要控制充填密實程度，首先測試得到100%密實程度對應(yīng)的充填礫石質(zhì)量，然后根據(jù)預(yù)期充填密實程度，控制相應(yīng)的充填礫石質(zhì)量即可。

1.2 實驗方法與實驗材料

實驗時，針對給定的地層砂設(shè)定相同的流體流量、攜砂濃度等條件后，使用相同的篩管類型和精度以及相同粒徑的同種充填材料，但設(shè)置不同的充填密實程度進行擋砂驅(qū)替實驗；使用攜帶地層砂的流體以穩(wěn)定的含砂率進行長時間驅(qū)替，驅(qū)替的過程即是礫石層擋砂介質(zhì)擋砂和同時被堵塞的過程。實時測量流量、壓力、礫石層兩側(cè)壓差等數(shù)據(jù)以計算礫石層滲透率變化，并最終收集通過礫石層擋砂介質(zhì)的地層砂量，使用過砂率表示不同充填密實程度礫石層的擋砂能力。

礫石層的擋砂和堵塞取決于通過礫石層內(nèi)外的流量和壓差，和絕對壓力無關(guān)，因此本實驗采用低壓系統(tǒng)，流體排出至儲液罐的出口壓力為大氣壓，實驗壓力取決于實驗排量和礫石層堵塞程度以及流動阻力。

為了便于觀察礫石穩(wěn)定性及沖刷形態(tài)，實驗驅(qū)替流體使用黏度約為1.0 mPa·s的清水。使用的地層砂、充填材料和篩管如圖3所示。模擬地層砂根據(jù)某儲層地層砂篩析曲線使用工業(yè)石英砂復(fù)配得到，地層砂粒度中值為60 μm，泥質(zhì)含量30%，其中蒙脫石粉4.5%、伊利石粉20.1%、高嶺石粉5.4%。實驗充填材料使用普通石英砂礫石和人造陶粒兩種，粒徑均為40～70目（0.212～0.425 mm）。實驗篩管樣品使用金屬棉篩管；選取篩管精度為120 μm使其不具備擋砂功能，僅用于支撐礫石層。

圖3 擋砂驅(qū)替實驗材料Fig.3 Materials for sand blocking displacement experiment

使用上述模擬地層砂、金屬棉篩管及充填砂樣品，分別使用不同的充填密實程度進行擋砂驅(qū)替實驗，礫石充填密實程度分別取100%、98%、96%和95%。針對同一充填砂，將礫石充填密實程度作為唯一變量，實驗設(shè)定初始流量約2.12 m3/h驅(qū)替，實驗時起初3～5 min不加砂測量礫石層初始滲透率，然后開始加砂驅(qū)替，模擬擋砂和堵塞過程，觀察實驗壓差變化曲線。當(dāng)壓差曲線平穩(wěn)后，說明礫石層達到堵塞平衡狀態(tài)，即停止實驗。收集通過擋砂介質(zhì)的地層砂，晾干后測量重量，每次實驗加砂量為400 g。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 礫石層擋砂驅(qū)替實驗動態(tài)分析

采用上述實驗方法，在金屬棉篩管外部充填40～70目陶粒砂，使用清水?dāng)y帶粒度中值60 μm的地層砂驅(qū)替。在相同的實驗條件下，分別設(shè)置充填密實程度為100%、98%、96%和95%。使用陶粒進行的4次實驗的驅(qū)替流量和充填層內(nèi)外壓差隨時間的變化對比如圖4和圖5所示，計算得到的總體滲透率變化如圖6所示。使用石英砂進行的不同充填密實程度下4次驅(qū)替實驗的充填層滲透率隨時間變化如圖7所示。

圖4 不同充填程度陶粒擋砂驅(qū)替實驗流量變化曲線Fig.4 Flow rate variation in the sand blocking displacement experiment of ceramsite with different packing degrees

圖5 不同充填程度陶粒擋砂驅(qū)替實驗驅(qū)替壓差變化曲線Fig.5 Displacement pressure difference in the sand blocking experiment of ceramsite with different packing degrees

圖6 不同充填程度陶粒擋砂驅(qū)替實驗滲透率變化曲線Fig.6 Permeability in the sand blocking displacement experiment of ceramsite with different packing degrees

圖7 不同充填程度石英砂擋砂驅(qū)替實驗滲透率變化曲線Fig.7 Permeability in the sand blocking displacement experiment of quartz sand with different packing degrees

如圖4～圖7所示，驅(qū)替流量、壓差和滲透率變化可以反映礫石層擋砂及堵塞過程。實驗起始階段用清水驅(qū)替5 min，流量、壓差和滲透率穩(wěn)定；加砂后，由于擋砂和堵塞效應(yīng)，流量略有波動但基本穩(wěn)定，驅(qū)替壓差逐步上升，表明礫石層和篩管介質(zhì)逐步被堵塞，滲透率明顯下降；實驗后期，驅(qū)替壓差基本不變，堵塞達到平衡狀態(tài)，滲透率也基本保持穩(wěn)定。4種充填密實程度下的充填層初始滲透率及最終滲透率和滲透率比不同，體現(xiàn)充填程度對充填層擋砂性能和流通性能的直接影響。石英砂和陶粒2種充填材料實驗表現(xiàn)出基本相同的規(guī)律。

2.2 礫石層沖蝕孔洞與侵入形態(tài)及穩(wěn)定性分析

圖8和圖9分別使用40～70目陶粒和石英砂，充填密實程度分別為100%、98%、96%和95%下?lián)跎膀?qū)替實驗結(jié)束時的最終孔眼入流處沖蝕形態(tài)。每次驅(qū)替實驗大約持續(xù)時長42 min。在加砂驅(qū)替完畢后，使用清水不加砂持續(xù)驅(qū)替。在礫石層外圍的模擬孔眼入流處（整個容器共6個）由于水流沖擊造成礫石和陶粒顆粒的壓實和重新排列組合，逐步形成沖蝕孔洞。

分析圖8和圖9發(fā)現(xiàn)，即使在100%充填密實程度下，無論是陶粒還是石英砂，在孔眼入流處均有明顯的小型沖蝕孔洞。這表明，即使在人工密實充填情況下，射孔孔眼入流口的礫石充填層沖蝕孔洞也不可避免。當(dāng)充填密實程度為98%和96%時，入流口的沖蝕孔洞出現(xiàn)明顯的長條形并依次加長。即隨著充填密實程度降低，沖蝕孔洞的面積和區(qū)域不斷擴大；尤其在充填率95%時，形成較大區(qū)域的充填孔洞，呈明顯的倒三角形狀，地層砂可以在“三角斜坡面”上形成橋架層。所有實驗均可以觀察到地層砂侵入表層充填砂并逐漸在孔洞表面形成穩(wěn)定的橋架層的現(xiàn)象。

圖8 陶粒砂充填不同充填密實程度孔洞形態(tài)對比Fig.8 Comparison of vug morphology in the pattern of ceramsite sand packing with different packing solidities

圖9 石英砂充填不同充填密實程度孔洞形態(tài)對比Fig.9 Comparison of vug morphology in the pattern of quartz sand packing with different packing solidities

圖10和圖11分別為使用40～70目陶粒和石英砂，充填密實程度100%、98%、96%和95%下?lián)跎膀?qū)替實驗結(jié)束時，打開容器頂蓋觀察到的最頂部孔眼的地層砂侵入深度對比。圖中充填層中的白色或淺色區(qū)域即為侵入的地層砂，從容器外部向內(nèi)延伸的白色區(qū)域代表地層砂的侵入深度。

圖10 陶粒砂充填不同充填密實程度孔洞深度對比Fig.10 Comparison of vug depth in the pattern of ceramsite sand packing with different packing solidities

圖11 石英砂充填不同充填密實程度孔洞深度對比Fig.11 Comparison of vug depth in the pattern of quartz sand packing with different packing solidities

從圖10、11可看出，使用陶粒和石英砂實驗結(jié)果類似，地層砂的侵入深度隨著充填密實程度的降低而增加，礫石層穩(wěn)定性變差。充填密實程度100%時，地層砂侵入?yún)^(qū)域為近圓形，深度約為礫石層厚度的1/3；之外區(qū)域基本保持干凈。充填密實程度為98%和96%時，侵入形狀范圍開始變得不規(guī)則，并且深度增加，幾乎接近篩管外壁。當(dāng)充填密實程度為95%，地層砂完全穿透礫石層，侵入?yún)^(qū)域呈不規(guī)則狀。

綜合分析圖8～圖11的充填形態(tài)和深度隨充填密實程度的變化規(guī)律可知，即使完全密實充填情況下，在孔眼入流處由于流體沖刷排列重組作用，礫石層中也會形成沖蝕孔洞，造成地層砂侵入礫石層，但侵入深度較淺。而隨著充填密實程度降低，沖蝕孔洞逐步擴大，地層砂侵入深度也明顯增加，甚至穿透礫石層突破到篩管外壁。這表明，對于現(xiàn)場實踐中的管內(nèi)礫石充填防砂，由于很難達到100%密實充填，生產(chǎn)過程中地層流體產(chǎn)出沖擊篩套環(huán)空礫石層，并形成孔洞造成地層砂侵入是可能的，并且可能是普遍存在的。這種情況下，礫石層失去穩(wěn)定性，很難再起到擋砂作用。要起到防砂作用，必須使篩管承擔(dān)擋砂功能。鑒于此，在進行管內(nèi)循環(huán)礫石充填防砂設(shè)計時，考慮礫石層的不穩(wěn)定性而失去擋砂功能的可能性，機械篩管縫寬或擋砂精度設(shè)計需要根據(jù)篩管直接阻擋地層砂的原則來設(shè)計（精度或縫寬更細(xì)），而不是傳統(tǒng)的按照篩管僅用于阻擋礫石層的原則設(shè)計（只需要篩管精度或縫寬略低于礫石最小粒徑即可）［15-19］。

2.3 不同充填密實程度下的礫石層擋砂效果分析

上述驅(qū)替實驗結(jié)束后，使用集砂器測量過砂量。為了測試礫石層的擋砂能力，實驗時使用的篩管擋砂精度遠(yuǎn)大于粒度中值使之不具備擋砂功能。因此集砂器中的地層砂為通過礫石層的地層砂。定義過砂率為通過礫石層的砂質(zhì)量與總質(zhì)量的比值，計算得到使用陶粒和石英砂在不同充填密實程度下的過砂率如圖12所示。

分析圖12可知，陶粒砂在100%、98%、96%、95%的充填密實程度條件下，過砂率分別為0.23%、1.645%、2.398%和4.493%；而對石英砂充填對應(yīng)的最終過砂率分別0.255%、1.855%、3.1%和4.245%。兩者體現(xiàn)了基本一致的規(guī)律，隨著充填密實程度的降低，過砂率迅速增大，擋砂效果變差；在95%的充填密實程度下的過砂率是充填密實程度100%的過砂率的20倍左右。其根本原因還是由于在較低的充填密實程度下，礫石顆粒排列松散，在流體沖擊作用下固體顆粒重新的排列組合的空間和可能性越大也越容易，地層砂侵入礫石層的深度也越大，過砂率越高。這與從圖8～圖11分析得到的規(guī)律基本一致。

圖12 不同充填密實程度陶粒及石英砂的過砂率對比Fig.12 Comparison of sand passing ratio of ceramsite with different packing solidities

圖13為使用陶粒和石英砂在不同充填密實程度下?lián)跎膀?qū)替實驗結(jié)束時的充填滲透率比（充填層最終滲透率與初始滲透率的比值）。分析可知，驅(qū)替完畢后，由于地層砂的侵入和堵塞作用，充填層滲透率比約為15%～30%左右，滲透率均有較大幅度的降低。隨著充填密實程度的降低，陶粒和石英砂充填層的最終滲透率比越高，即礫石層由于堵塞造成的滲透率降低幅度越小。分析其原因，由于實驗時使用的金屬棉篩管精度較大無擋砂作用，通過沖蝕孔洞穿透礫石層的地層砂會從篩管順利排出。隨著充填密實程度降低，沖蝕孔洞越大地層砂侵入深度越深，越容易穿過礫石層從而排出，最終造成滲透率比較高?，F(xiàn)場實踐中，如果機械篩管具備擋砂作用，則侵入的地層砂會堵塞滯留在礫石層中；充填密實程度越低，則地層砂堵塞越嚴(yán)重，滲透率會越低。

圖13不同充填密實程度陶粒擋砂及石英砂擋砂的最終滲透率比Fig.13 Final permeability ratio of ceramsite with different packing solidities for sand blocking

2.4 提高充填密實程度的措施及應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果，礫石充填密實程度對于擋砂效果有直接影響。固相充填材料的充填密實程度取決于施工參數(shù)及工藝過程，與充填方式、攜砂液物性、充填材料密度等物性以及砂比排量等參數(shù)有關(guān)。為了提高充填密實程度，主要采取的措施包括：使用圓球度較高的固相材料，例如人造陶粒的圓球度高于普通天然石英砂；使用高黏度攜砂液提高攜帶固相顆粒的能力，避免提前堵塞；在保證懸砂前提下，盡量降低攜砂液排量，減少湍流程度，利于固相顆粒沉積并充填密實；對于垂直井，加大光管充填段長度以有利于生產(chǎn)段礫石補充，保持充填密實程度；對于水平井充填的情況，采用合理的沖篩比（一般推薦0.7～0.8左右）避免提前堵塞，使保持α波充填平衡砂床高度為井眼直徑的50%～60%左右有利于β波充填時形成密實充填層。

渤海某油區(qū)為出砂油藏，采用水平井開發(fā)。某水平井生產(chǎn)段長420 m，為了控制出砂，該井采用篩管循環(huán)礫石充填防砂完井，出于降低海上作業(yè)成本考慮，要求防砂完井保證長有效期。為了提高充填密實程度保證防砂效果，使用了0.3～0.6 mm的高圓球度人造陶粒作為固相充填材料，攜砂液采用黏度約30 mPa·s的增黏攜砂液，通過充填過程可視化模擬軟件優(yōu)化砂比15%～30%和排量2.0～2.5 m3/min，保持α波和β波的密實充填，最終充填率達到99.7%，接近100%。該井礫石充填作業(yè)后穩(wěn)定生產(chǎn)3年，無出砂現(xiàn)象，產(chǎn)量保持基本穩(wěn)定。

3 結(jié)論與認(rèn)識

（1）射孔孔眼入流會造成礫石層沖蝕孔洞，形態(tài)和深度與充填密實程度直接相關(guān)。即使在人工密實充填情況下，孔眼入流口充填層沖蝕孔洞也不可避免。隨著充填密實程度降低，沖蝕孔洞的面積和區(qū)域不斷擴大；當(dāng)充填率低于95%時，礫石層會形成相對較大的沖蝕孔洞從而失去穩(wěn)定性。

（2）充填密實程度對于地層砂侵入礫石層的深度有明顯影響。充填密實程度100%時，地層砂侵入深度約為礫石層厚度的1/3；隨著充填密實程度增加，侵入形狀開始不規(guī)則并且深度增加；當(dāng)充填密實程度低于95%，侵入?yún)^(qū)域呈不規(guī)則狀，地層砂完全穿透礫石層從而失去擋砂作用。

（3）隨著充填密實程度降低，顆粒排列越松散，在流體沖擊作用下重新排列組合的空間越大，地層砂侵入礫石層的深度也越大，過砂率越高，擋砂效果越差。另外，由于實驗時篩管無擋砂作用，通過沖蝕孔洞穿透礫石層的地層砂會順利產(chǎn)出，最終造成滲透率比較高。建議在礫石充填施工時應(yīng)盡可能提高密實程度使其高于95%，并且機械篩管縫寬或擋砂精度需要按照能夠直接阻擋地層砂的原則設(shè)計。

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