孟文波 周生田 蔣東雷 徐 斐 董 釗 楊 蕾 刁 歡 任冠龍 張 健

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東青島 266580)

水平井裸眼礫石充填是疏松砂巖油氣藏常用的完井方法，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①礫石充填層可防止井壁坍塌，保持井壁穩(wěn)定；②形成高滲透擋砂屏障，有效避免粉細(xì)砂和泥質(zhì)含量高而導(dǎo)致的供氣液能力差、近井地帶堵塞和防砂有效期延長(zhǎng)；③提高油氣井完善程度，明顯改善近井地帶流通能力；④滿(mǎn)足水平井高強(qiáng)度生產(chǎn)要求。

盡管近20年來(lái)水平井裸眼礫石充填被廣泛認(rèn)為是一種可靠的完井技術(shù)[1-3]，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于發(fā)展之中，且遇到了新的挑戰(zhàn)[4-9]。對(duì)于極端條件(長(zhǎng)井筒、低破裂壓力地層、疏松砂巖地層等)下成功實(shí)現(xiàn)礫石充填的可操作區(qū)間越來(lái)越小，需要采用新技術(shù)、新實(shí)踐對(duì)水平井礫石充填參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。井底壓力、井筒礫石濃度、攜砂液向沖篩環(huán)空的分流量等因素將直接影響礫石充填是否成功，所以在對(duì)低破裂壓力地層內(nèi)長(zhǎng)水平井礫石充填時(shí)應(yīng)該綜合考慮影響礫石充填的各個(gè)因素，進(jìn)行對(duì)比、計(jì)算和優(yōu)化。筆者針對(duì)南海樂(lè)東22-1氣田長(zhǎng)水平井礫石充填的施工需求，開(kāi)展了低密度礫石充填模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)提出了“低密度礫石-多重β波”的完井施工方案。

1 樂(lè)東22-1氣田長(zhǎng)水平井礫石充填技術(shù)難點(diǎn)

樂(lè)東22-1氣田位于南海西部海域鶯歌海盆地，目前該氣田共有16口生產(chǎn)井(開(kāi)井14口，關(guān)停2口)，截至2016年6月已累積產(chǎn)氣89.6×108m3。由于樂(lè)東22-1氣田整體埋深淺(440.1～716.9 m)、儲(chǔ)層壓實(shí)程度低，儲(chǔ)層疏松，開(kāi)采水平段長(zhǎng)(可達(dá)800 m)，在已完成的裸眼水平井礫石充填施工中表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：①地層疏松，地層破裂壓力低(1.58～1.86 MPa/100 m)，循環(huán)測(cè)試漏失嚴(yán)重；②水平井裸眼段長(zhǎng)(500～800 m)，易造成過(guò)早砂堵，導(dǎo)致充填失敗，故需要保證攜砂液有足夠的攜帶能力和較高的設(shè)計(jì)泵排量；③常規(guī)中、高密度礫石(視密度2 411.8～2 531.4 kg/m3)充填作業(yè)易出現(xiàn)復(fù)雜情況，導(dǎo)致充填效果不理想。

針對(duì)樂(lè)東22-1氣田在水平井裸眼礫石充填中出現(xiàn)的低地層破裂壓力、長(zhǎng)水平井筒等不利因素，一方面需要控制充填壓力，設(shè)置泵排量上限；另一方面需要較高的設(shè)計(jì)排量和懸浮性高強(qiáng)的低密度礫石，保證礫石能夠充填至井筒末端，避免過(guò)早砂堵、充填失敗。因此，在實(shí)際的充填施工過(guò)程中，各階段的摩阻分析、泵排量設(shè)計(jì)及礫石密度選取成為決定充填效果的關(guān)鍵因素。

本文在對(duì)水平井低密度礫石充填壓降進(jìn)行詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上，分析了礫石密度、地層濾失對(duì)α波充填長(zhǎng)度的影響，進(jìn)而推廣發(fā)展了長(zhǎng)水平井筒的α-多重β波充填模擬方法，設(shè)計(jì)提出低密度礫石結(jié)合多重β波充填技術(shù)，并在樂(lè)東22-1氣田4口調(diào)整井中按照設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行施工均獲得了成功。

2 充填各階段摩阻計(jì)算和分析

2.1 水平井礫石充填階段劃分

水平井循環(huán)礫石充填過(guò)程中，砂漿、攜砂液經(jīng)過(guò)不同的位置，在不同的時(shí)間及不同的充填階段隨著壓力消耗存在相應(yīng)的流動(dòng)阻力。為有效描述充填壓力損耗，將水平井裸眼礫石充填分為3個(gè)階段：①砂漿注入階段，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，壓力慢慢上升，直到α波到達(dá)井筒趾端。③ β波反向充填階段，攜砂液流體徑向通過(guò)篩管，然后沿沖篩環(huán)空軸向流動(dòng)。隨著β波充填階段的進(jìn)行，流體在沖篩環(huán)空中流動(dòng)距離逐漸增加，在趾端進(jìn)入沖管，然后返出，所以在此階段井筒壓力及泵壓逐漸升高，當(dāng)β波充填階段到達(dá)井筒根部時(shí)壓力達(dá)到最大值。

α波充填階段井筒摩阻損失[6]為

(1)

式(1)中:Δpα為摩阻損失,Pa；Qp為泵排量，m3/s；Lα(t)為t時(shí)間α波動(dòng)前沿距離，m；ρm、ρf分別為砂漿密度和攜砂液密度,kg/m3；Aup、Aan分別表示砂床上部過(guò)流面積和井筒環(huán)空截面面積，m2；φ、f和摩阻系數(shù)；Dup、Dan分別為砂床上部流道水力直徑和井筒環(huán)空水力直徑，m；L為井筒長(zhǎng)度，m。

β波充填階段井筒摩阻損失[6]為

(2)

式(2)中：Δpβ為β波充填階段井筒摩擦壓降,Pa；Lβ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。

具體各階段流動(dòng)阻力描述見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2.2 低密度礫石充填壓降分析

針對(duì)樂(lè)東22-1氣田超淺層長(zhǎng)水平井A20井的礫石充填施工需求，開(kāi)展相應(yīng)的充填壓降模擬計(jì)算，基本參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 樂(lè)東22-1氣田A20井模擬參數(shù)Table 1 Modeling parameters of Well A20 in LD22-1 gas field

充填液采用1.00 g/cm3的鹽水，為了降低整個(gè)充填階段的摩阻，充填液中加入減阻劑。利用流動(dòng)阻力計(jì)算模型，進(jìn)行流動(dòng)阻力計(jì)算分析，可得到各階段充填流動(dòng)阻力，如圖1所示。

圖1 樂(lè)東22-1氣田A20井模擬礫石充填階段摩阻分布Fig .1 Distribution of frictional resistance of during gravel-packing stages of Well A20 in LD22-1 gas field

由圖1可以得到：在注入階段和α波充填階段，摩阻變化相對(duì)平緩；鉆柱內(nèi)砂漿注入的摩阻最大，均為1.14 MPa，占比在60%～70%；其次為沖管回流摩阻壓降，均為0.43 MPa，占比在23%～26%。由于在注入階段水平裸眼段尚無(wú)砂床形成，水平井筒的摩阻相對(duì)較小，僅為0.047 MPa，但隨著α波階段砂床逐漸形成向前推移，水平井筒摩阻逐漸增大到0.21 MPa，占比也由3%增大到9%。然而，當(dāng)β波反向充填階段開(kāi)始后，攜砂液在沖篩環(huán)空的流動(dòng)距離逐漸增大，摩阻逐漸增大，最高達(dá)3.93 MPa，總占比達(dá)60%；同時(shí)，對(duì)于覆蓋篩管的砂床而言，在反向充填過(guò)程中，過(guò)流長(zhǎng)度減小，滲流速度增大，滲流摩阻隨之增大，最終占比達(dá)15%，而鉆柱內(nèi)砂漿注入摩阻占比減小為17%，沖管摩阻占比減小為6%。

通過(guò)上述計(jì)算分析結(jié)果可知：在整個(gè)充填階段，注入階段和α波充填階段，流動(dòng)摩阻變化相對(duì)平緩，充填壓力上升緩慢；相反，摩阻主要產(chǎn)生在β波反向充填階段的沖篩環(huán)空中，所以需要對(duì)β波階段的壓力進(jìn)行控制。因此，對(duì)沖篩比進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是充填成功的關(guān)鍵因素。

3 水平井低密度礫石α波充填效果分析

3.1 地層濾失及礫石密度影響分析

在水平井礫石充填中，影響充填效果的因素很多，主要有泵排量、井筒長(zhǎng)度、地層漏失、沖篩比、礫石密度等。本文主要討論計(jì)算地層漏失和礫石密度的影響。攜砂液向地層的漏失會(huì)導(dǎo)致：①漏失處砂丘高度增加；②漏失處礫石快速脫水，從而導(dǎo)致砂堵，β波階段提前開(kāi)始，充填失敗；③漏失的存在導(dǎo)致后面的砂比增加。因此，攜砂液的漏失減弱了攜砂液的攜帶能力，使得α波階段砂床高度增加，減小了α波階段的充填長(zhǎng)度。

常規(guī)礫石由于其密度遠(yuǎn)大于攜砂液密度，當(dāng)砂漿經(jīng)井下轉(zhuǎn)換工具流向井筒環(huán)空時(shí)，過(guò)流斷面增大，流速下降，此時(shí)由于礫石和攜砂液密度差的作用，一部分礫石被沉降下來(lái)。因此，要想減少礫石的沉降量，就要減少礫石和攜砂液的密度差，所以采用低密度礫石是解決這種極端條件充填的一種有效方法。低密度礫石由于減小了礫石和攜砂液的密度差，導(dǎo)致礫石沉降速度降低，所以在較低的排量下并不會(huì)引起α波階段砂床高度的增加，利用低密度礫石充填拓寬了泵排量的安全操作區(qū)間。

3.2 α波充填長(zhǎng)度綜合模擬結(jié)果分析

在泵排量一定(0.014 575 m3/s)的情況下，對(duì)于不同礫石密度、不同地層漏失量，計(jì)算得到的α波充填長(zhǎng)度的變化如圖2所示。

從圖2可以看出，隨攜砂液漏失比例的增加，α波充填長(zhǎng)度越來(lái)越短;當(dāng)?shù)貙勇┦П壤^(guò)40%后，對(duì)于各種礫石密度而言，α波充填均無(wú)法完全完成，說(shuō)明高漏失地層對(duì)于水平井礫石充填施工存在極大風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，在相同排量下，對(duì)于同一種漏失比例(如20%)礫石密度對(duì)充填長(zhǎng)度影響較大，低密度礫石(視密度為1 220 kg/m3和1 464 kg/m3)時(shí)基本上都能完成α波充填，但對(duì)于常規(guī)礫石(視密度為1 708 kg/m3和1 952 kg/m3)，α波充填均無(wú)法完全完成，分別只能充填348 m 和143 m，這表明低密度礫石對(duì)于α波充填具有極大優(yōu)勢(shì)。

圖2 不同濾失比例與不同礫石密度下樂(lè)東22-1氣田A20井α波充填長(zhǎng)度(泵排量0.014 575 m3/s)Fig .2 Gravel packing length of α wave for different fluid leakoff and gravel density of Well A20 in LD22-1 gas field(pumpage 0.014 575 m3/s)

4 多重β波充填機(jī)理及計(jì)算結(jié)果分析

4.1 多重β波充填機(jī)理

在長(zhǎng)水平井礫石充填時(shí)，有可能當(dāng)α波砂床高度小于最大值83%時(shí)，α波充填可以成功完成而不壓開(kāi)地層。然而計(jì)算預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在β波充填開(kāi)始后，泵壓開(kāi)始顯著增加，特別是在β波充填快結(jié)束時(shí)，泵壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層破裂壓力。為了完成礫石充填，開(kāi)始設(shè)計(jì)稍高的泵排量，當(dāng)α波充填完成后，β波充填開(kāi)始，此時(shí)壓力增加，在β波充填壓力接近地層破裂壓力時(shí)，降低泵排量。當(dāng)泵壓再次接近地層破裂壓力時(shí)，再次降低泵排量，直到誘導(dǎo)脫砂。當(dāng)然，在降低泵排量時(shí)，每次降低不能過(guò)多，同時(shí)為了避免砂堵，可以適當(dāng)降低砂比。

多重β波充填技術(shù)主要是為了解決β波充填壓力控制難題[6-7]，其充填原理是：當(dāng)α波充填完成后，β波充填壓力迅速增大并接近地層破裂壓力時(shí)，調(diào)低泵排量，以降低β波充填壓力；然而，泵排量的降低會(huì)破壞原有α波平衡砂床的平衡狀態(tài)，進(jìn)而重新建立新的α波平衡砂床，并在低排量下繼續(xù)β波反向充填；最后，當(dāng)β波反向充填壓力再次接近地層破裂壓力時(shí)，重復(fù)上述多重β波充填過(guò)程。

4.2 充填模擬計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)樂(lè)東22-1氣田A20井在水平井裸眼礫石充填中出現(xiàn)的極端條件，設(shè)計(jì)采用了低密度礫石進(jìn)行多重β波充填，并開(kāi)展模擬計(jì)算(設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 樂(lè)東22-1氣田水平井A20礫石充填計(jì)算結(jié)果與 實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比分析Table 2 Comparison analysis for calculation results and actual data of horizontal Well A20 in LD22-1 gas field

模擬計(jì)算所得的井口泵壓變化曲線(xiàn)如圖3所示,可以看出，在β波充填一段時(shí)間后，由于充填壓力增加很快，當(dāng)β波反向充填292.95 m時(shí)，充填壓力將要達(dá)到地層破裂壓力，此時(shí)開(kāi)始第1次降低泵排量，控制壓力的增加。由于地層破裂壓力較低，在β波充填時(shí)其壓力非常敏感，根據(jù)施工中每次按0.000 53 m3/s 的幅度降低排量，這樣需要多次降低排量才能完成整個(gè)充填(表3)。

圖3 樂(lè)東22-1氣田A20井井口泵壓曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果Fig .3 Calculation results for wellhead pump pressure of Well A20 in LD22-1 gas field表3 樂(lè)東22-1氣田A20井多重β波技術(shù)降排過(guò)程計(jì)算結(jié)果Table 3 Multiple β wave pump rate process and calculation results of Well A20 in LD22-1 gas field

降排次數(shù)多重β波逐次降排施工排量/(m3·s-1)β波充填長(zhǎng)度/m初始0.014575292.950第1次0.014045325.350第2次0.013515362.475第3次0.012985403.650第4次0.012455450.900第5次0.011925504.900第6次0.011395567.000第7次0.010865638.550第8次0.010335675.000

按照模擬參數(shù)進(jìn)行充填施工，模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際充填施工結(jié)果高度吻合，且最終排量降低到0.010 335 m3/s，可以完成β波階段的充填，此時(shí)的泵排量大于鉆桿砂堵的最小排量0.005 167 5 m3/s,這表明采用低密度礫石結(jié)合多重β波技術(shù)可以有效解決樂(lè)東氣田長(zhǎng)水平井極端條件下的礫石充填。樂(lè)東22-1氣田現(xiàn)場(chǎng)4口調(diào)整井采用這種復(fù)合充填技術(shù)獲得成功(表4)。

表4 樂(lè)東22-1氣田4口調(diào)整井多重β波技術(shù)礫石充填效果Table 4 Gravel packing results of multiple β wave for 4 wells in LD22-1 gas field

5 結(jié)論

針對(duì)樂(lè)東22-1氣田長(zhǎng)水平井礫石充填完井技術(shù)難點(diǎn)，考慮低密度礫石的充填特性，開(kāi)展了相應(yīng)的充填計(jì)算方法和技術(shù)研究，得到如下認(rèn)識(shí)：

1) 根據(jù)礫石充填過(guò)程的不同階段，進(jìn)行了各階段壓降分析計(jì)算,結(jié)果表明：注入階段和α波充填階段，鉆柱內(nèi)砂漿擦阻占比最大，在60%～70%；β波充填階段，摩阻主要發(fā)生在沖篩環(huán)空，占比接近60%。井口泵壓計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，吻合度高。

2) 計(jì)算分析了攜砂液漏失和礫石密度對(duì)α波充填階段砂床高度及長(zhǎng)度的影響，結(jié)果表明低密度礫石可以拓寬泵排量的安全操作區(qū)間，應(yīng)用低密度礫石進(jìn)行極端條件下充填是可行的。

3) 針對(duì)樂(lè)東22-1氣田長(zhǎng)水平井的礫石充填施工需求，采用低密度礫石結(jié)合多重β波充填技術(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，成功完成4口井的礫石充填，計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果吻合良好。