賈立新，韓耀圖，李 進(jìn)，張 磊，陳 毅.

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459；2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300459)

套管井礫石充填完井工藝目前相對(duì)較為成熟，李愛芬、付繼統(tǒng)等利用水平管中清水及低黏液體攜砂時(shí)的臨界流速公式研究分析了垂直井礫石充填防砂的最小排量，得到了充填臨界流速和射孔孔眼尺寸、孔密、層厚等因素的關(guān)系[7]。陳新安針對(duì)高速水充填防砂的適應(yīng)條件及選井原則進(jìn)行了研究，形成了高速水充填防砂工藝優(yōu)化方法[8]。但目前的礫石充填完井工藝對(duì)于油層厚度大或防砂層段長(zhǎng)的井成功率不是很高，主要原因在于長(zhǎng)射孔段條件下的礫石充填在參數(shù)設(shè)計(jì)中存在經(jīng)驗(yàn)主義，未根據(jù)油井特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[7-10]。因此，如何有效提高長(zhǎng)射孔段礫石充填完井的充填效果和降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)是現(xiàn)階段的技術(shù)難題所在。筆者針對(duì)渤海油田一口長(zhǎng)射孔段礫石充填完井S1充填系數(shù)較低的原因進(jìn)行分析，計(jì)算得到攜砂液在射孔孔道內(nèi)的最低充填速度、單次充填允許的最大充填長(zhǎng)度，并將研究成果應(yīng)用于后續(xù)類似井的作業(yè)中，取得了較好效果。對(duì)于提高礫石充填防砂的成功率和延長(zhǎng)防砂有效期具有重要意義。

1 S1井礫石充填方案分析

1.1 S1井礫石充填作業(yè)概述

S1井設(shè)計(jì)采用礫石充填防砂完井方式。S1井深度為2 426.93 m，最大井斜角為49.31°，采用射孔完井方式，射孔層位為2 317.9～3 049.2 m，射孔參數(shù)組合：孔密為40SPM，相位角為45°/135°，平均孔徑為0.62″ (15.7 mm)，平均穿深為16.28″ (413.5 mm)。

由于S1井射孔防砂層段較長(zhǎng)，因此，為降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)分兩趟射孔、兩趟礫石充填防砂作業(yè)。其中底層射孔層段為2 733.9～3 049.2 m，射孔段長(zhǎng)度為315.3 m，凈射孔段長(zhǎng)度為103.2 m；頂層射孔層段為2 317.9～2 710.5 m，射孔長(zhǎng)度為392.6 m，凈射孔段長(zhǎng)度為71 m。

設(shè)計(jì)采用單層充填工具分別對(duì)底層和頂層進(jìn)行礫石充填。按表1所示參數(shù)對(duì)底層射孔段進(jìn)行循環(huán)測(cè)試和擠注測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果最終選擇充填泵速為953.94 L/min，砂比為2.3%，累計(jì)泵入7 153 kg陶粒后出現(xiàn)脫砂壓力28.28 MPa，充填過程順利。后經(jīng)驗(yàn)充填測(cè)算盲管埋高2.71 m，充填系數(shù)為12.65 kg/m。

結(jié)合底層礫石充填實(shí)際效果，在進(jìn)行頂層礫石充填時(shí)，優(yōu)化提升初始充填排量至1 112.93 L/min，砂比仍為2.3%，后經(jīng)驗(yàn)充填測(cè)算盲管埋高為2.71 m，充填系數(shù)為14.14 kg/m。

表1 S1井底層循環(huán)和擠注測(cè)試參數(shù)Table 1 Testing parameters of bottom hole circulation and squeeze injection

結(jié)合兩層礫石充填過程可以看出，整個(gè)礫石充填作業(yè)較為順利，但最終充填系數(shù)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的14.89 kg/m，與同油田同層位已完成井的平均44.66 kg/m的充填系數(shù)相去甚遠(yuǎn)。因此，需對(duì)本井兩層位充填系數(shù)較低的原因進(jìn)行分析，指導(dǎo)后續(xù)同類井的礫石充填作業(yè)，以獲得較好的充填效果。

1.2 S1井礫石充填系數(shù)低的原因分析

對(duì)于井斜小于45°的直井或斜井，礫石在篩管和環(huán)空中充填沉降的先后順序不因井斜角變化而變化，均為自下而上，攜砂液在射孔孔道內(nèi)的流動(dòng)方式為水平管流[11]。

針對(duì)母管制背壓機(jī)組,在任一鍋爐主要輔機(jī)跳閘時(shí),首先要考慮的是將本臺(tái)鍋爐負(fù)荷迅速降至單側(cè)輔機(jī)的出力范圍內(nèi),同時(shí)由于背壓機(jī)正常運(yùn)行時(shí)高壓調(diào)門控制排汽壓力,沒有主汽壓力控制器,不能在鍋爐RB時(shí)控制主汽壓力。因此,采用“選擇相應(yīng)的汽機(jī)自動(dòng)按預(yù)設(shè)的速率降低總閥位指令”的控制方式實(shí)現(xiàn)機(jī)組的滑壓運(yùn)行,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

將射孔孔道內(nèi)的礫石充填過程簡(jiǎn)化為水平管內(nèi)的礫石充填過程。低黏度攜砂液由于攜帶能力差，砂漿中的礫石往往會(huì)在射孔孔道口處沉積。若孔道內(nèi)吸液速度高于淤積流速，則礫石會(huì)隨攜砂液推進(jìn)而逐漸沉積；待礫石堆積至孔道尾部，則反向充填滿孔道上部空隙，如圖1下部所示；若孔道內(nèi)吸液速度低于淤積流速，則礫石在孔道口處逐步堆積填滿，無法充填孔道尾部，如圖1上部所示[12-15]。

套管井礫石充填施工的關(guān)鍵是攜砂液能夠順利地將礫石攜帶至射孔孔道內(nèi)，因此，為保證礫石充填過程中射孔孔道內(nèi)完全充填礫石，則至少保證射孔孔道內(nèi)的吸液速度高于淤積流速，即充填臨界流速[16-18]。礫石充填流速為臨界流速時(shí)，此時(shí)的充填排量即為礫石充填臨界排量，計(jì)算方法見式(1)。對(duì)比S1井施工排量和臨界排量，詳見表2。

(1)

式中vk——臨界流速，m/ s；

dhs——射孔孔道的直徑，m。

由表2可知，盡管作業(yè)時(shí)該井采用兩趟射孔兩趟防砂的措施已提高防砂效果，但通過計(jì)算可知，S1井礫石充填初始排量較理論臨界排量小得多，礫石過早沉降在射孔孔道口，未能完全充填整個(gè)孔道，最終充填系數(shù)較低，未達(dá)設(shè)計(jì)要求。故初始充填排量低是造成S1井充填系數(shù)低的主要原因。

圖1 低黏度攜砂液孔道內(nèi)的礫石充填過程Fig.1 Process of gravel packing with low viscosity sand-carrying fluid

表2 S1井理論臨界排量與施工排量對(duì)比Table 2 Comparison of theoretical critical displacement and construction displacement in well S1

2 S2井礫石充填方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

S2井為與S1井同層位的9-5/8＂套管射孔井，S2井深度為2 853.61 m，最大井斜角為46.7°，射孔層位為1 903.3～2 634.9 m，射孔參數(shù)組合：孔密為40SPM，相位角為45°/135°，平均孔徑為0.84″ (21.3 mm)，平均穿深為26.18″ (663.4 mm)。

由于S2井射孔段較長(zhǎng)，達(dá)到731.6 m，為降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，初始設(shè)計(jì)S2井采用兩趟射孔兩趟礫石充填作業(yè)，其中底層射孔層段為2 275.1～2 634.9 m，射孔段長(zhǎng)度為359.8 m，凈射孔段長(zhǎng)度為118.6 m；頂層射孔層段為1 903.3～2 238.2 m，射孔長(zhǎng)度為334.9 m，凈射孔段長(zhǎng)度為78.1 m。設(shè)計(jì)選擇充填泵速為953.94 L/min。

S2井與S1井位于相同層位，且兩井具有相似的射孔防砂方式、射孔段長(zhǎng)度，鑒于S1井充填系數(shù)較低，計(jì)算分析S2井設(shè)計(jì)充填條件下的最小施工排量：若S2井沿用設(shè)計(jì)方案的兩趟射孔兩趟礫石充填防砂作業(yè)，則兩段射孔段所需最小有效充填排量分別為1 938 L/min和1 302 L/min，高于設(shè)計(jì)充填排量。根據(jù)S1井低礫石充填系數(shù)原因可知，S2井同樣無法達(dá)到充填系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 S2井礫石充填參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由式(1)可知，礫石充填最低排量與射孔孔道內(nèi)的臨界流速和射孔層段厚度、射孔密度成正比關(guān)系；對(duì)于臨界流速，則與充填礫石直徑、射孔孔道直徑、攜砂液黏度、礫石濃度等參數(shù)相關(guān)?？紤]充填礫石直徑與攜砂液中砂漿濃度不變，在清水為攜砂液條件下，射孔孔道直徑與臨界流速關(guān)系如圖2所示。

圖2 孔徑對(duì)臨界流速的影響Fig.2 Influence of perforation diameter on critical velocity

由圖2可知，對(duì)于單個(gè)射孔孔道而言，臨界流速隨射孔孔道直徑的增大而增大。對(duì)于礫石充填井而言，油流通過礫石充填孔道的壓降除了和原油性質(zhì)及充填礫石的滲透性相關(guān)外，壓降更大程度取決于射孔孔道的流通面積[19]?；诖耍瑢?duì)于礫石充填井射孔方案的選擇，盡管小孔徑低孔密有利于降低防砂井的臨界充填排量，但從產(chǎn)能角度而言，仍需要優(yōu)先考慮大孔徑和高孔密。綜合S2井的射孔敏感性分析，射孔參數(shù)仍選用孔密40孔/米，孔徑0.84″，穿深26.18″，射孔相位角45°/135°。

為更好地對(duì)S2井進(jìn)行防砂設(shè)計(jì)，在不改變充填方式的基礎(chǔ)上，需要對(duì)最大允許充填厚度進(jìn)行計(jì)算，以確保充填過程中礫石不在孔道入口處沉積。根據(jù)式(1)，可以求出最大允許充填厚度。

(2)

根據(jù)式(2)對(duì)S2井最大允許充填厚度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 S2井充填長(zhǎng)度敏感性測(cè)算Table 3 Sensitivity measurement of gravel packing length in well S2

由于S2井兩段射孔段凈長(zhǎng)度分別為118.6 m和78.1 m，根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可知，S2井射孔段均無法實(shí)現(xiàn)完全充填，且隨著充填排量的增加，最大允許充填厚度顯著提升。

綜合以上研究分析，推薦S2井射孔參數(shù)組合為孔密40孔/米，孔徑0.84″，在充填排量保持不變的條件下，各層段充填厚度分別按照計(jì)算所得最大允許充填厚度執(zhí)行。

2.2 S2井礫石充填施工配套措施

考慮S2井9-5/8″套管射孔層位礫石充填段較長(zhǎng)，為保證礫石充填效果，施工過程中提出如下配套方案：

(1)由于S2井2層段凈射孔厚度均較長(zhǎng)，超過設(shè)計(jì)排量最大允許充填厚度，因此，將S2井礫石充填層位優(yōu)化分為4個(gè)層段，采用兩趟射孔兩趟管柱多層充填方式完成充填作業(yè)，確保充填效果。

(2)井筒漏失會(huì)導(dǎo)致礫石充填的有效排量降低，不利于獲得較好的充填效果。S2井射孔前替入簡(jiǎn)易PRD射孔液控制井筒漏失，在射孔及再刮管期間做好循環(huán)漏失監(jiān)測(cè)，提高礫石充填作業(yè)的有效充填排量。

(3)鑒于充填排量的提高有利于增大充填厚度、提高充填系數(shù)，應(yīng)根據(jù)防砂模擬結(jié)果選擇盡可能高的排量。S2井中上層純射開厚度為27.1 m，根據(jù)擠注測(cè)試結(jié)果，提升初始充填排量至1 112.93 L/min。

2.3 S2井礫石充填效果評(píng)價(jià)

通過以上方案優(yōu)化或措施，最終S2井礫石充填理論充填排量、實(shí)際施工排量與充填系數(shù)詳見表4，除底層一次射開厚度較高未達(dá)預(yù)期外，其余層位充填效果較佳。同時(shí)由表4可知，在相同排量下，充填系數(shù)隨射開厚度的增加而減小，驗(yàn)證了理論排量計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

表4 S2井理論臨界排量與施工排量對(duì)比Table 4 Comparison of theoretical critical displacement and construction displacement in well S2

3 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)射孔孔道內(nèi)礫石充填過程機(jī)理分析，以及充填臨界流速和排量的模擬計(jì)算可知：充填排量低會(huì)影響井眼的充填系數(shù)，有效初始充填排量的提升有利于提高最大允許充填厚度。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)礫石充填施工參數(shù)，并結(jié)合配套的施工措施，使得S2井充填系數(shù)達(dá)40以上，超過標(biāo)準(zhǔn)要求的14.89 kg/m。

(3)實(shí)踐證明，對(duì)于純射開層段較厚的礫石充填防砂井，通過細(xì)分層段、提升有效初始充填排量和控制井筒漏失的方式，有效提升了礫石充填效果，對(duì)于后續(xù)類似井具有良好的借鑒意義。