水平井自適應(yīng)控水與礫石充填復(fù)合工藝試驗

趙 旭*

1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 朝陽 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 朝陽 100101

引 言

水平井自適應(yīng)調(diào)流控水完井作為一種新型完井技術(shù)，與常規(guī)完井方式相比[1-2]，能夠起到控制底水錐進、延長無水采油期，提高最終采收率的目的[3-5]。自適應(yīng)調(diào)流控水完井技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外多個油田進行了現(xiàn)場應(yīng)用，并取得了比較理想的控水穩(wěn)油效果[6-7]。但是，對于部分老井水平井完井，如何有效實現(xiàn)井筒封隔并保證后續(xù)方便地處理井筒是一個需要深入研究的問題，同時，對于粉細砂巖、疏松砂巖等易出砂儲層[8-11]，單獨應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)流控水篩管防砂很難有效防砂。通過礫石充填不僅能起到良好的防砂效果[12-16]，同時，也起到篩管間分隔作用，保證生產(chǎn)過程中液流不沿軸向流動[17]，因此，結(jié)合水平井自適應(yīng)調(diào)流控水技術(shù)與水平井礫石充填技術(shù)，利用自適應(yīng)調(diào)流控水篩管完成二次完井礫石充填的新型完井方式，值得進行深入研究。為此，本文針對水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填工藝，對各項工藝參數(shù)進行設(shè)計，并自主搭建了地面模擬試驗裝置，通過試驗分析得到合理的工藝參數(shù)范圍，為現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗工藝參數(shù)設(shè)計

要完成一口水平井的礫石充填，需要從多個方面考慮優(yōu)化施工參數(shù)，最終的目的是實現(xiàn)整個井筒充滿礫石顆粒[18]。礫石充填過程是一個礫石顆粒從充填部位逐步運移的過程，影響充填效果的主要參數(shù)有充填排量、砂比、沖篩比、漏失量、攜砂液黏度、充填礫石密度等[12，19-20]。自適應(yīng)調(diào)流控水與礫石充填相結(jié)合的完井工藝提高了自適應(yīng)調(diào)流控水的防砂能力，并實現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)流控水篩管與井筒環(huán)空的無限級封隔。試驗工藝參數(shù)設(shè)計，需要考慮自適應(yīng)調(diào)流控水造成的井筒流動方式的改變對礫石充填效果的影響，有針對性地選擇各項礫石充填工藝參數(shù)，其中，重點優(yōu)化的參數(shù)為充填排量和充填礫石密度。

1.1 充填排量

較高的充填排量具有較強的攜砂能力（圖1），礫石顆粒不容易沉積，充填過程中不易形成砂橋[21]。但是，過高的充填排量一方面會使α波的高度變低，導(dǎo)致充填效率降低；另一方面會導(dǎo)致較高的施工壓力，從而可能會破壞泥餅壓漏地層，造成充填失敗。

自適應(yīng)調(diào)流控水篩管的入流孔徑小，流體流經(jīng)調(diào)流控水篩管的阻力大，排量很難達到常規(guī)充填的排量，因此必須采用較小的充填排量。根據(jù)前期調(diào)流控水篩管測試的排量及壓力，并根據(jù)調(diào)流控水篩管數(shù)目，初步確定在試驗充填壓力下的充填排量為60～100 L/min。

圖1 充填排量與充填率關(guān)系Fig.1 Relation between flow rate and packing efficiency

1.2 砂比

砂比越高，礫石顆粒越不容易被攜帶，而且由于攜砂液漏失和砂拱高度升高，篩管和井眼環(huán)空會很快達到礫石極限濃度，導(dǎo)致提前脫砂，充填效果差（圖2）。另外，砂比直接影響砂漿固液兩相流動的壓力梯度。

為保險起見，試驗中選擇較低的砂比，充填排量確定后根據(jù)4%～6%體積比確定單位時間內(nèi)的加砂量，在加砂過程中要確保均勻加砂。

圖2 砂比與充填率關(guān)系Fig.2 Relation between gravel concentration in injected liquid and packing efficiency

1.3 沖篩比

較大的沖管尺寸會減小沖篩環(huán)空中攜砂液的流通面積，增大摩阻壓降，迫使更多的攜砂液在篩管和井眼環(huán)空中流動[22]，增大篩管和井眼環(huán)空中的砂漿流量，提高攜砂能力（圖3），降低充填過程的堵塞風(fēng)險。在水平井礫石充填中，要求沖篩比大于0.75。試驗中選擇′′（外徑110 mm，內(nèi)徑62 mm）的調(diào)流控水篩管（1′′=2.54 cm）和 1.66′′（外徑 48 mm，內(nèi)徑35 mm）的沖管，沖篩比為0.78。在調(diào)流控水篩管上使用′′×150 的扶正器。

圖3 沖篩比與充填率關(guān)系Fig.3 Relation between diameter ratio of tailpipe to screen and packing efficiency

1.4 漏失量

攜砂液的漏失會使砂拱出現(xiàn)“斜堤”特征。漏失量越大，砂拱沿充填位置向上傾斜的速度越快，越容易出現(xiàn)提前堵塞，導(dǎo)致充填效率降低（圖4），并增加對產(chǎn)層的污染。漏失量不但影響砂拱高度，而且直接決定充填的最大長度，因此需要提前測得循環(huán)的漏失情況，如果漏失小于20%，則根據(jù)情況調(diào)整施工參數(shù)；如果漏失大于20%，則需要考慮暫堵措施。本次試驗不考慮漏失影響。

圖4 漏失速率與充填率關(guān)系Fig.4 Relation between fluid loss rate and packing efficiency

1.5 攜砂液黏度

攜砂液黏度越大，攜砂能力越強[23]，礫石顆粒越不容易沉積，砂拱高度越低（圖5）。但是高黏攜砂液體中一般含有大量的大分子，更容易對油層造成污染。當(dāng)攜砂液黏度不小于1 mPa·s時，充填效率趨于穩(wěn)定?？紤]成本和產(chǎn)層保護方面的因素，一般采用普通完井液作為攜砂液，此次試驗選用清水作為攜砂液，黏度為1 mPa·s。

圖5 攜砂液黏度與充填率關(guān)系Fig.5 Relation between fluid viscosity and packing efficiency

1.6 充填礫石

由于調(diào)流控水裝置的流動阻力大，導(dǎo)致充填過程中的摩阻較大，所以需要較小的充填排量。如果采用常規(guī)充填中的中密度支撐劑，在低排量充填過程中易堵泵撬，形成砂橋、砂堵，無法保證充填質(zhì)量[24]。因此，根據(jù)充填時的沉降速度和目前存在的礫石種類等因素，試驗最終選擇超輕密度支撐劑，密度接近于水，充填過程支撐劑沉降速度慢，在小排量充填情況下不易形成砂橋，從而最大程度保證充填效率。

所選超輕密度支撐劑具體規(guī)格為：密度1.02～1.05 g/cm3，濁度 ＜80 FTU，圓度 ＞ 0.9，球度＞0.9，耐壓86 MPa，破碎率≤5%。在加砂時，配備礫石充填均勻加砂攪拌設(shè)備，實現(xiàn)均勻加砂，實時控制加砂量，避免卡泵現(xiàn)象，防止產(chǎn)生砂橋。

2 試驗裝置與步驟

2.1 試驗裝置

參照試驗工藝參數(shù)設(shè)計結(jié)果，自主設(shè)計并搭建了一套水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填的地面模擬試驗裝置，主要包括模擬井筒、井口起升裝置、礫石充填設(shè)備和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。試驗流程如圖6所示，實際的試驗裝置如圖7所示。

試驗中的模擬井筒長度50 m，選取與水平井篩管裸眼完井相同的API標(biāo)準(zhǔn)7′′套管（內(nèi)徑159.4 mm），在模擬井筒上開有視窗短節(jié)，便于觀察井筒流動和礫石的充填情況。調(diào)流控水裝置選用中石化工程院自主研制的自適應(yīng)調(diào)流控水篩管[25-26]。井口起升裝置高10 m，起升能力10 t。礫石充填設(shè)備選用700泵車及罐車，設(shè)備壓力≥20 MPa。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括進口壓力傳感器（量程0～25 MPa）、出口壓力傳感器（量程 0～2.5 MPa）、高清攝像頭和數(shù)據(jù)采集軟件等，可實時監(jiān)控充填過程中的流動和壓力變化并生成施工記錄曲線。

圖6 試驗流程圖Fig.6 Schematic diagram of experimental process

圖7 實際試驗裝置Fig.7 Actual experimental facilities

2.2 試驗步驟

（1）下入礫石充填管柱串，采用攜砂液攜帶充填砂，通過砂泵，在一定排量和壓力下，泵送至流程管線內(nèi)，送入礫石充填工具，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實時采集油管（進口）壓力的變化，生成進口壓力曲線。

（2）將礫石攜帶至自適應(yīng)調(diào)流控水篩管與套管的環(huán)形空間，攜砂液可進入篩管內(nèi)，經(jīng)充填工具轉(zhuǎn)換機構(gòu)（雙通體）進入充填工具上部油套管環(huán)空，經(jīng)井口四通流出，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實時采集套管（出口）壓力的變化，生成出口壓力曲線。

（3）充填過程中，礫石逐漸埋沒篩管，通過視窗短節(jié)觀察充填礫石的流動情況，并在充填結(jié)束后，經(jīng)由視窗觀察礫石充填的密實度。

（4）充填結(jié)束后，連接井口起升設(shè)備（通井機、井架）將服務(wù)工具起出，并下入與充填工具相對應(yīng)的分瓣對扣撈矛將充填工具解封并撈出，完成試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗參數(shù)

根據(jù)試驗工藝參數(shù)設(shè)計結(jié)果，分別選取不同數(shù)目的調(diào)流控水篩管，開展了兩次水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填試驗。第一次試驗在井筒中下入3根調(diào)流控水篩管，第二次試驗在井筒中下入5根調(diào)流控水篩管。由于不同數(shù)目的調(diào)流控水篩管的流動阻力不同，所以兩次試驗分別采用了不同的充填排量和砂比，施工壓力均控制在合理范圍內(nèi)。具體的試驗參數(shù)如表1所示。

表1 水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填試驗參數(shù)Tab.1 Parameters of autonomous inflow control gravel packing experiments

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 第一次試驗

第一次試驗曲線見圖8，由圖8可見，充填分為以下4個階段。

（1）α波充填階段。砂漿伴隨沉降并逐步從井口往井筒底部運移，井口壓力基本不變（實際井眼中可能出現(xiàn)漏失，導(dǎo)致礫石沉積，流通面積減小，流動阻力增加，排量穩(wěn)定的情況下地面泵壓會緩慢升高），此時整個井筒的砂量不能完全覆蓋篩管。

圖8 試驗一充填曲線Fig.8 Packing curves of the first experiment

充填過程中，除了排量增加造成的摩阻之外，最主要的流動阻力來自調(diào)流控水裝置的阻力，因此在現(xiàn)場施工時，可以根據(jù)井段長度及調(diào)流控水篩管的數(shù)量來預(yù)測循環(huán)排量，建議控水單元數(shù)量不少于6個。

（2）α波與β波轉(zhuǎn)換階段。充填壓力逐漸升高，但升高速度較慢，這個階段時間較短。此時因為流動通路的轉(zhuǎn)換，液流需要克服環(huán)空、沉積砂高及沖管的流動阻力，壓力出現(xiàn)波動。

（3）β波充填階段。此時攜砂液在沖管與篩管之間環(huán)形空間的流動距離變長，并且流速增加，導(dǎo)致沖管及沖篩環(huán)空中的摩阻迅速增加，壓力上升很快。此階段現(xiàn)場施工時，井口壓力往往大于地層壓力，可能會導(dǎo)致地層漏失，出現(xiàn)砂橋，造成充填中斷，充填效率難以保證，此時可通過減小泵入排量來控制井口壓力，降低流動摩阻，從而減少或消除漏失。通過試驗確定出較合適的排量為60 L/min。

（4）脫砂階段。此時β波已經(jīng)將整個篩管與套管之間環(huán)形空間全部覆蓋，液流繼續(xù)攜帶礫石堆積，此時液流沿軸向經(jīng)過一定的盲管堆積砂高，才能進入沖篩環(huán)空繼而進入沖管，所以此階段壓力上升速度快。此次試驗的整個充填過程中，充填壓力基本符合水平井礫石充填壓力的波動過程。與常規(guī)水平井充填礫石相比，超輕密度支撐劑密度低，形成的砂高大約為80%～85%環(huán)空高度。

現(xiàn)場施工時，需要精確計算井筒容積，并下入盡可能多的調(diào)流控水篩管，從而增加控水單元的入流面積，減小流動阻力，進而減小施工壓力。在可以控制的壓力范圍內(nèi)提高施工排量，有利于礫石充填的實施。

3.2.2 第二次試驗

第二次試驗曲線見圖9，與第一次試驗類似，第二次試驗充填分為以下4個階段。

（1）α波充填階段。由于調(diào)流控水篩管數(shù)量增加，因此整個環(huán)空容積增加，井筒內(nèi)攜砂能力增加，可以應(yīng)用更大的充填排量，可增加砂比，以節(jié)省施工時間。通過試驗分析可知，砂比在4%～8%較合理?，F(xiàn)場施工還要考慮漏失的情況，根據(jù)循環(huán)測試對比來判斷井底的漏失量。通過試驗研究得出，使用完井液作為攜砂液時，測試返出的最小排量大于60 L/min才能保證充填的正常實施，此時的砂比要盡量小于5%。

（2）α波與β波轉(zhuǎn)換階段。壓力出現(xiàn)輕微波動，說明開始出現(xiàn)α波與β波的充填轉(zhuǎn)換。情形與第一次試驗類似。

（3）β波充填階段。壓力緩慢上升，為了使施工壓力低于地層破裂壓力，將泵入排量從100 L/min降至80 L/min，施工壓力增長趨勢明顯變緩。因為排量降低，所以砂高頂部的流速降低，礫石沉降與推進重新建立了平衡關(guān)系，部分礫石重新在頂部沉降形成新的α砂高，因此沒有出現(xiàn)急劇的β波壓力上升。隨著充填繼續(xù)，礫石在新的砂高頂部進行反向β波充填，此時需要β波充填的環(huán)形空間變小，砂量也隨之減小，需克服的流動阻力增加，因此壓力上升加劇。

（4）脫砂階段。礫石堆積沉降在盲管段的體現(xiàn)，壓力急劇增長，判斷脫砂，停止充填。情形與第一次試驗類似。

圖9 試驗二充填曲線Fig.9 Packing curves of the second experiment

試驗結(jié)束后，從觀察視窗可明顯觀察到井筒已經(jīng)全部充填滿礫石顆粒，將觀察窗打開后，發(fā)現(xiàn)礫石密集程度很高，沿軸向的滲流阻力遠大于沿徑向的滲流阻力，礫石徑向厚度也能夠滿足擋砂需求，充填礫石可以有效封隔環(huán)空，起到封隔器的作用，從而充分發(fā)揮調(diào)流控水裝置的穩(wěn)油控水功能。

3.3 合理參數(shù)推薦

通過試驗結(jié)果分析，最終形成如下的施工參數(shù)。

與常規(guī)礫石充填相比，攜砂液流經(jīng)調(diào)流控水裝置時會產(chǎn)生額外的流動阻力，所以水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填的排量不宜過大，以減小施工壓力。根據(jù)試驗結(jié)果建議充填排量為N×20 L/min，其中N為自適應(yīng)調(diào)流控水篩管根數(shù)，每根篩管包含兩個控水單元。

為了配合較小的施工排量，防止支撐劑過早沉降形成砂堵，水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填中應(yīng)選擇超輕密度支撐劑，試驗中選取的超輕密度礫石的充填效率達100%，充填效果理想，根據(jù)試驗結(jié)果建議礫石密度為1.02～1.05 g/cm3。

由于水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填的排量較小，攜砂液流動阻力較大，為防止提前脫砂，減小施工壓力，提高充填效率，根據(jù)試驗結(jié)果建議施工砂比為4%～8%體積比，攜砂液黏度為1～5 mPa·s，沖篩比為 0.7～0.8。

4 結(jié) 論

（1）形成了一套水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填方法。該方法優(yōu)選低密度礫石進行充填，解決了充填排量受限的難題，既可使礫石完全充滿篩管和井筒環(huán)空，又可使礫石充填密實。

（2）自主設(shè)計并搭建了砂比可調(diào)，試驗數(shù)據(jù)實時記錄的水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填試驗裝置。該裝置能夠全程觀察并記錄礫石充填的整個試驗過程，實時準(zhǔn)確記錄試驗數(shù)據(jù)。

（3）完成兩次水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填試驗，充填效率均達到100%，形成了適用于水平井自適應(yīng)調(diào)流控水礫石充填的工藝參數(shù)，優(yōu)選出的施工參數(shù)為現(xiàn)場應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。

（4）充填礫石的軸向滲流阻力遠大于徑向滲流阻力，可實現(xiàn)環(huán)空有效封隔，充分發(fā)揮調(diào)流控水裝置的控水穩(wěn)油功能。