海上油田長射孔段井礫石充填設計方案優(yōu)化

賈立新，韓耀圖，李 進，張 磊，陳 毅.

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津 300459)

套管井礫石充填完井工藝目前相對較為成熟，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、層厚等因素的關系[7]。陳新安針對高速水充填防砂的適應條件及選井原則進行了研究，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于油層厚度大或防砂層段長的井成功率不是很高，主要原因在于長射孔段條件下的礫石充填在參數設計中存在經驗主義，未根據油井特點進行詳細設計[7-10]。因此，如何有效提高長射孔段礫石充填完井的充填效果和降低作業(yè)風險是現階段的技術難題所在。筆者針對渤海油田一口長射孔段礫石充填完井S1充填系數較低的原因進行分析，計算得到攜砂液在射孔孔道內的最低充填速度、單次充填允許的最大充填長度，并將研究成果應用于后續(xù)類似井的作業(yè)中，取得了較好效果。對于提高礫石充填防砂的成功率和延長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井設計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，因此，為降低作業(yè)風險，設計分兩趟射孔、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，射孔段長度為315.3 m，凈射孔段長度為103.2 m；頂層射孔層段為2 317.9～2 710.5 m，射孔長度為392.6 m，凈射孔段長度為71 m。

設計采用單層充填工具分別對底層和頂層進行礫石充填。按表1所示參數對底層射孔段進行循環(huán)測試和擠注測試，根據測試結果最終選擇充填泵速為953.94 L/min，砂比為2.3%，累計泵入7 153 kg陶粒后出現脫砂壓力28.28 MPa，充填過程順利。后經驗充填測算盲管埋高2.71 m，充填系數為12.65 kg/m。

結合底層礫石充填實際效果，在進行頂層礫石充填時，優(yōu)化提升初始充填排量至1 112.93 L/min，砂比仍為2.3%，后經驗充填測算盲管埋高為2.71 m，充填系數為14.14 kg/m。

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

結合兩層礫石充填過程可以看出，整個礫石充填作業(yè)較為順利，但最終充填系數均未達到標準要求的14.89 kg/m，與同油田同層位已完成井的平均44.66 kg/m的充填系數相去甚遠。因此，需對本井兩層位充填系數較低的原因進行分析，指導后續(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井礫石充填系數低的原因分析

對于井斜小于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的流動方式為水平管流[11]。

針對母管制背壓機組,在任一鍋爐主要輔機跳閘時,首先要考慮的是將本臺鍋爐負荷迅速降至單側輔機的出力范圍內,同時由于背壓機正常運行時高壓調門控制排汽壓力,沒有主汽壓力控制器,不能在鍋爐RB時控制主汽壓力。因此,采用“選擇相應的汽機自動按預設的速率降低總閥位指令”的控制方式實現機組的滑壓運行,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

將射孔孔道內的礫石充填過程簡化為水平管內的礫石充填過程。低黏度攜砂液由于攜帶能力差，砂漿中的礫石往往會在射孔孔道口處沉積。若孔道內吸液速度高于淤積流速，則礫石會隨攜砂液推進而逐漸沉積；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鍵是攜砂液能夠順利地將礫石攜帶至射孔孔道內，因此，為保證礫石充填過程中射孔孔道內完全充填礫石，則至少保證射孔孔道內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，此時的充填排量即為礫石充填臨界排量，計算方法見式(1)。對比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，未能完全充填整個孔道，最終充填系數較低，未達設計要求。故初始充填排量低是造成S1井充填系數低的主要原因。

圖1 低黏度攜砂液孔道內的礫石充填過程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)化設計

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，達到731.6 m，為降低作業(yè)風險，初始設計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，射孔段長度為359.8 m，凈射孔段長度為118.6 m；頂層射孔層段為1 903.3～2 238.2 m，射孔長度為334.9 m，凈射孔段長度為78.1 m。設計選擇充填泵速為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、射孔段長度，鑒于S1井充填系數較低，計算分析S2井設計充填條件下的最小施工排量：若S2井沿用設計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，高于設計充填排量。根據S1井低礫石充填系數原因可知，S2井同樣無法達到充填系數的標準要求。

2.1 S2井礫石充填參數優(yōu)化設計

由式(1)可知，礫石充填最低排量與射孔孔道內的臨界流速和射孔層段厚度、射孔密度成正比關系；對于臨界流速，則與充填礫石直徑、射孔孔道直徑、攜砂液黏度、礫石濃度等參數相關?？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系如圖2所示。

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

由圖2可知，對于單個射孔孔道而言，臨界流速隨射孔孔道直徑的增大而增大。對于礫石充填井而言，油流通過礫石充填孔道的壓降除了和原油性質及充填礫石的滲透性相關外，壓降更大程度取決于射孔孔道的流通面積[19]。基于此，對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S2井進行防砂設計，在不改變充填方式的基礎上，需要對最大允許充填厚度進行計算，以確保充填過程中礫石不在孔道入口處沉積。根據式(1)，可以求出最大允許充填厚度。

(2)

根據式(2)對S2井最大允許充填厚度進行計算，結果見表3。

表3 S2井充填長度敏感性測算Table 3 Sensitivity measurement of gravel packing length in well S2

由于S2井兩段射孔段凈長度分別為118.6 m和78.1 m，根據表3計算結果可知，S2井射孔段均無法實現完全充填，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，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，超過設計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)井筒漏失會導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，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，應根據防砂模擬結果選擇盡可能高的排量。S2井中上層純射開厚度為27.1 m，根據擠注測試結果，提升初始充填排量至1 112.93 L/min。

2.3 S2井礫石充填效果評價

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、實際施工排量與充填系數詳見表4，除底層一次射開厚度較高未達預期外，其余層位充填效果較佳。同時由表4可知，在相同排量下，充填系數隨射開厚度的增加而減小，驗證了理論排量計算公式的準確性。

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

3 結論與建議

(1)根據射孔孔道內礫石充填過程機理分析，以及充填臨界流速和排量的模擬計算可知：充填排量低會影響井眼的充填系數，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)化設計礫石充填施工參數，并結合配套的施工措施，使得S2井充填系數達40以上，超過標準要求的14.89 kg/m。

(3)實踐證明，對于純射開層段較厚的礫石充填防砂井，通過細分層段、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，對于后續(xù)類似井具有良好的借鑒意義。