水平井及大斜度井礫石充填過程試驗

董長銀,武 龍,王愛萍,劉春苗,張 琪

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東東營 257061)

水平井及大斜度井礫石充填過程試驗

董長銀,武 龍,王愛萍,劉春苗,張 琪

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東東營 257061)

根據(jù)水平井及大斜度井礫石充填機制與過程,考慮地層濾失、井筒傾斜、篩管偏置等特殊情況,建立水平井及大斜度井管內(nèi)礫石循環(huán)充填試驗?zāi)M裝置。利用該試驗裝置模擬水平井及大斜度井管內(nèi)礫石循環(huán)充填全過程,分析α波及β波充填前沿特征,研究井筒傾角、篩管偏置度、流量、砂體積分?jǐn)?shù)對充填動態(tài)及α波砂床平衡高度的影響規(guī)律及機制。試驗結(jié)果表明:α波充填前沿在低流量下規(guī)則穩(wěn)定,在高流量下形狀不規(guī)則;α波充填結(jié)束前沉積砂床平衡高度會整體升高,導(dǎo)致β波充填空間較小;篩管偏置度與井筒傾角對充填動態(tài)有明顯影響,井筒傾斜會降低砂床平衡高度,而篩管偏置則會加劇沉積砂床的形成并增大平衡高度;流量、砂體積分?jǐn)?shù)是影響α波充填動態(tài)的直接因素。

水平井;大斜度井;礫石充填;α波;β波;砂床平衡高度;試驗?zāi)M

礫石充填是疏松砂巖油氣藏水平井及大斜度井的主要防砂完井方式之一,其充填過程是復(fù)雜條件下的固液兩相流動過程,涉及井筒傾斜、沖篩環(huán)空結(jié)構(gòu)、篩管偏置、地層濾失等諸多復(fù)雜條件,這些均會影響充填動態(tài)以及最終的充填效果[1-3],并給整個施工過程帶來風(fēng)險,限制了礫石充填這一理想的防砂完井工藝在水平井及大斜度井中的應(yīng)用。水平井及大斜度井礫石充填過程包括α波充填和β波充填。充填過程中,井筒篩管環(huán)空存在沉積砂床,上部為固液兩相流動,沖篩環(huán)空為攜砂液單相流動。充填過程中的流體質(zhì)量交換包括井筒環(huán)空中的攜砂液向地層濾失以及攜砂液通過篩管縫隙的竄流。近年來,對水平井及大斜度井礫石充填機制與試驗研究較多[4-7],但由于試驗條件所限,以往研制的試驗裝置對水平井及大斜度井礫石充填的一些特殊情況考慮不足,如不能模擬篩管偏置、未考慮攜砂液濾失等。另外,其試驗?zāi)康闹饕槍δ硢我灰蛩貙Τ涮顒討B(tài)的影響,對于水平井及大斜度井充填機制以及影響充填動態(tài)的各種因素研究尚不夠系統(tǒng)全面。筆者在已有研究基礎(chǔ)上[8],分析水平井及大斜度井管內(nèi)礫石循環(huán)充填機制,考慮地層濾失、井筒傾斜、篩管偏置等各種現(xiàn)場實際情況,研究建立一套全尺寸水平井及大斜度井礫石充填試驗?zāi)M裝置,模擬水平井及大斜度井管內(nèi)礫石循環(huán)充填全過程,分析α波及β波充填前沿特征,以及井筒傾角、篩管偏置度、流量、砂體積分?jǐn)?shù)對充填動態(tài)及α波砂床平衡高度的影響。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置與流程

研制了全尺寸水平井及大斜度井礫石充填試驗?zāi)M系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由主體模擬井筒、泵后加砂裝置、泵、儲液罐、起升系統(tǒng)、控制面板及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量計及壓力傳感器、管路與控制閥等組成,試驗裝置如圖 1所示。

圖1 試驗?zāi)M系統(tǒng)Fig.1 Exper imental s imulation system

主體井筒模擬裝置是該試驗系統(tǒng)的核心,采用透明耐壓材料制成,內(nèi)徑 140 mm,外徑 200 mm,長5.5 m,耐壓 1.2 MPa;模擬井筒內(nèi)安裝不銹鋼繞絲篩管,內(nèi)徑 74 mm,外徑 95.2 mm,縫寬 0.2 mm;篩管內(nèi)安裝外徑 45 mm的沖管。當(dāng)篩管采用無中心管的篩管時,篩管會在重力作用下下沉造成偏置,可以模擬現(xiàn)場的篩管偏置情況。在主體井筒上設(shè)計兩排濾孔,模擬射孔孔眼以及攜砂液向地層的濾失,孔密度 16孔/m。濾失量通過微型閥門開度控制。模擬井筒及篩管、中心管的尺寸均與油田現(xiàn)場實際使用的尺寸相等或接近。

井筒起升系統(tǒng)用于調(diào)整井筒傾角 (0°～30°)。試驗系統(tǒng)采用泵后加砂設(shè)計,砂體積分?jǐn)?shù)在 0～15%內(nèi)可調(diào)。在管路及主體井筒上安裝流量計及壓力傳感器,試驗數(shù)據(jù)采集到計算機系統(tǒng)。

1.2 試驗材料與試驗方法

試驗用攜砂液為清水或添加增黏劑形成的高黏攜砂液,試驗用固相充填材料為普通石英砂或陶粒砂。本次試驗使用清水和普通石英砂 (礫石),粒徑為 0.4～0.8 mm,相對密度為 2.632。

試驗步驟如下:

(1)用清水不加砂開泵循環(huán)至主體井筒清潔,并將井筒中氣泡排出。

(2)儲液罐蓄滿攜砂液 (清水),加砂裝置的儲砂罐裝滿石英砂。

(3)打開控制箱電源,在控制箱上設(shè)置好加砂速度。

(4)通過起升系統(tǒng)將模擬井筒調(diào)至水平,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)零。

(5)將模擬井筒調(diào)至試驗要求的傾斜角度。

(6)不加砂開泵循環(huán),根據(jù)流量計指示調(diào)整流量控制閥至試驗要求的流量。

(7)啟動數(shù)據(jù)采集軟件,開始數(shù)據(jù)采集 (流量、砂體積分?jǐn)?shù)及壓力)。

(8)打開加砂主控閥,啟動加砂開關(guān),按照設(shè)定的加砂速度開始加砂。

(9)觀察記錄井筒內(nèi)充填情況,形成穩(wěn)定的α砂床時,手動測量砂床平衡高度 (需多次多點測量)。

(10)待反向β波充填前沿即將到達(dá)井筒入口處時,關(guān)閉加砂閥與加砂開關(guān),直到管路內(nèi)無砂進(jìn)入井筒,停泵。

(11)更換至沖砂流程,沖出井筒內(nèi)填砂,整理試驗物品,一次試驗結(jié)束。

2 試驗結(jié)果分析

試驗主要模擬無濾失條件下流量、砂體積分?jǐn)?shù)、井筒傾角、篩管偏置對α波充填動態(tài)及砂床平衡高度的影響。

2.1 α波與β波充填前沿特征

為了便于清晰觀測α波與β波充填前沿特征,設(shè)定井筒傾角(θ)0°,砂體積分?jǐn)?shù)(φ)5%,篩管偏置度(δ)0 mm,關(guān)閉濾失,采用較低恒定流量 150 L/ min進(jìn)行水平井段的充填試驗。觀察到如圖 2,3所示的充填前沿特征。

圖2 α波充填前沿試驗圖像Fig.2 Exper imental image ofαwave gravel-packing forehead

圖3 β波充填前沿試驗圖像Fig.3 Exper imental image ofβwave gravel-packing forehead

試驗過程中能夠形成穩(wěn)定的α波與β波充填前沿。低流量條件下,α波充填前沿非常穩(wěn)定、規(guī)則(圖 2),而在較高的流量下 (大于 450 L/min),由于α波砂床前沿流動空間的突然改變導(dǎo)致的渦流,會使得α波充填前沿出現(xiàn)明顯的不規(guī)則形狀。α波前沿的坡度隨著砂床平衡高度的增加而變陡。當(dāng)α波充填前沿即將到達(dá)充填井段末端時,α波充填形成沉積砂床平衡高度會出現(xiàn)整體逐步升高的現(xiàn)象(在此之前則保持穩(wěn)定),無論低流量還是高流量,均能觀測到這一現(xiàn)象,造成的結(jié)果是留給β波充填的空間較小,導(dǎo)致β波充填回返速度較快,但前沿都比較穩(wěn)定(圖 3)。

2.2 井筒傾角對α波砂床平衡高度的影響

設(shè)定砂體積分?jǐn)?shù) 5%,關(guān)閉濾失,篩管偏置度 0 mm,測量平衡時的α波砂床高度,試驗結(jié)果見圖 4。

由圖 4可以看出,井筒傾角對于α波砂床平衡高度有明顯的影響。井筒傾角越大,沉積砂床礫石顆粒在重力作用下沿流動方向 (流動方向從高到底)滾動或滑動的趨勢增加,不利于形成穩(wěn)定的砂床,因此形成的α波砂床平衡高度隨著井筒傾角的增大而減小。不同井筒傾角下,砂床平衡高度隨流量的變化趨勢基本相同。在流量、砂體積分?jǐn)?shù)一定的條件下,當(dāng)井筒傾角達(dá)到某一臨界值時,砂床平衡高度將達(dá)到 0,平衡砂床消失,即形不成穩(wěn)定的α波與β波充填,而是類似于垂直井礫石充填的完全沉積充填方式。這一井筒傾角的臨界值稱為能夠形成α波與β波充填的臨界井筒傾角。

圖4 不同井筒傾角下α波砂床平衡高度隨流量的變化Fig.4 Variation ofαsand bed height with flow rate in different wellbore angle

2.3 篩管偏置度對α波砂床平衡高度影響

對于水平井及大斜度井礫石充填,水平或接近水平放置的防砂篩管在重力作用下會不同程度的彎曲下垂,形成所謂的篩管偏置。為了研究篩管偏置對礫石充填動態(tài)的影響規(guī)律,在砂體積分?jǐn)?shù) 5%、關(guān)閉濾失條件下進(jìn)行了模擬充填試驗,結(jié)果如圖 5所示。

由圖 5可以看出,無論在井筒水平還是傾斜條件下,篩管偏置對α波充填動態(tài)都有一定的影響。篩管向下偏置造成砂床平衡高度比無篩管偏置情況下略有升高。在井筒傾為角0°和5°條件下,偏置20 mm造成砂床平衡高度上升約 17%。篩管偏置尤其當(dāng)篩管底部接觸井筒底部井壁時,篩管偏置成為礫石顆粒流動的機械屏障,為礫石顆粒的沉積堵塞提供了條件,加劇了沉積砂床的形成。

圖 6為井筒傾角 5°的充填試驗過程中觀測到的篩管偏置造成礫石顆粒提前沉積的現(xiàn)象。圖 6中點A為篩管偏置下垂最大點,由于其流動阻礙作用,在點A處首先造成礫石顆粒的沉積而形成砂床,A點附近砂床的高度都逐漸降低。根據(jù)上述分析,在實際的水平井及大斜度井礫石充填作業(yè)中,防砂篩管的偏置都不利于充填過程的順利完成,在防砂完井管柱設(shè)計中應(yīng)盡量避免篩管的彎曲變形。

圖 5 不同篩管偏置度與井筒傾角下的α波砂床平衡高度隨流量的變化Fig.5 Variation ofαsand bed height with flow rate in different screen bending degree and wellbore angle

圖 6 篩管偏置加劇砂床沉積試驗照片F(xiàn)ig.6 Exper imental image of screen bending accelerating sand bed form ing

2.4 流量與砂體積分?jǐn)?shù)對α波砂床平衡高度的影響

根據(jù)圖 4,5的試驗結(jié)果,在各種條件下,流量都對α波砂床平衡高度有顯著的影響。隨著流量增大,砂床平衡高度逐漸降低。在低流量條件下,砂床平衡高度隨流量的加減降低較緩,而在高流量條件下,這一變化趨勢變得劇烈。在砂體積分?jǐn)?shù) 5%、井筒水平、關(guān)閉濾失的條件下,當(dāng)流量達(dá)到 600 L/min時,砂床平衡高度趨近于 0,即不能形成穩(wěn)定的α波充填。

在篩管偏置度 20 mm、流量 400 L/min、關(guān)閉濾失、井筒水平條件下,在 2%～8%范圍內(nèi)改變砂體積分?jǐn)?shù),測量砂床平衡高度的變化,結(jié)果如圖 7所示。

圖 7 α波砂床平衡高度隨加砂體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.7 Variation ofαsand bed height with sand volume fraction

增大砂體積分?jǐn)?shù)會導(dǎo)致砂床平衡高度升高。在其他條件不變的情況下,α波砂床平衡高度與砂體積分?jǐn)?shù)基本呈線性增長關(guān)系。在井身結(jié)構(gòu)和井筒管柱固定的條件下,流量和砂體積分?jǐn)?shù)對水平井及大斜度井礫石充填動態(tài)以致最終的充填效果有直接影響,這兩個參數(shù)也是礫石充填施工時可以調(diào)節(jié)的參數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)α波充填前沿在低流量下規(guī)則穩(wěn)定,在高流量下會出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象。當(dāng)α波充填前沿即將到達(dá)充填井段末端時,α波充填形成的沉積砂床平衡高度會出現(xiàn)整體逐步升高的現(xiàn)象,導(dǎo)致β波充填空間較小。

(2)增大井筒傾角會降低α波砂床平衡高度。在給定流動條件下,存在能夠形成穩(wěn)定α波與β波充填的臨界井筒傾角。篩管偏置會形成機械屏障,在下垂部位首先形成砂床沉積,造成砂床平衡高度比無篩管偏置情況下略有升高。篩管偏置不利于水平井及大斜度井礫石充填順利完成。

(3)流量和砂體積分?jǐn)?shù)是影響α波砂床平衡高度的直接因素,隨著流量的降低和砂體積分?jǐn)?shù)的增加,砂床平衡高度均明顯增加。

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Exper imental s imulation of gravel-packing in horizontal and highly deviated wells

DONG Chang-yin,WU Long,WANG Ai-ping,LIU Chun-miao,ZHANGQi

(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

According to the mechanism of gravel-packing in horizontal and highly deviated wells,an integral experimental system for inside-casing gravel-packing simulation was set up considering such complicated characteristics as carrier fluid loss off,wellbore deviating,screen bending.This experimental system can be used to simulate the wholeαandβwave process of gravel-packing in horizontal and highly deviatedwells.By a seriesof s imulation experiments,αandβwave forehead characteristicswere observed obviousily.The influences ofwellbore deviating,screen bending,flow rate,sand volume fraction on the packing perfor mance andαwave sand bed heightwere analyzed.The exper imental results indicate thatαwave forehead is steadywith low flow rate and not so regular with high flow rate.The space volume forβwave packing is very s mall ordinary.The wellbore deviating to the horizontal line tends to decreaseαwave bed equilibrium height and screen bending accelerates the forming ofαwave bed.Flow rate and sand volume fraction are the main two factors affecting the gravel -packing performance in horizongtal and highly deviated wells directly.

horizontalwell;highly deviated well;gravel-packing;αwave;βwave;sand bed equilibrium height;experimental s imulation

TE 257

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.015

1673-5005(2010)02-0074-04

2010-01-22

國家“863”計劃項目(2006AA09Z351);國家自然科學(xué)基金項目(50704035)

董長銀(1976-),男(漢族),河南衛(wèi)輝人,副教授,博士,從事采油工程、多相流、油氣井防砂理論與技術(shù)研究。

(編輯 李志芬)