樂(lè)東氣田超淺層長(zhǎng)水平井礫石充填技術(shù)研究與應(yīng)用*

任冠龍 張 崇 董 釗 孟文波 余 意

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

南海西部海域已開發(fā)的樂(lè)東、東方等多個(gè)氣田的多數(shù)水平井需要進(jìn)行礫石充填防砂開發(fā)。裸眼水平井礫石充填完井具有長(zhǎng)期保持油井高產(chǎn)、井壁穩(wěn)定以及防止地層出砂等優(yōu)點(diǎn)，但隨著油氣田的進(jìn)一步開發(fā)，常規(guī)水平井礫石充填防砂方式已不能完全滿足水平井生產(chǎn)的需要[1-3]。樂(lè)東氣田后期開發(fā)調(diào)整的區(qū)塊埋深超淺(440.1～716.9 m)，儲(chǔ)層壓實(shí)程度低，預(yù)計(jì)儲(chǔ)層壓力系數(shù)衰減至0.80左右，鉆井作業(yè)漏失風(fēng)險(xiǎn)大;水平段長(zhǎng)(600～700 m)，且儲(chǔ)層屬于疏松砂巖，泥質(zhì)含量高、非均質(zhì)性強(qiáng)，超淺層長(zhǎng)水平井礫石充填作業(yè)尚無(wú)先例;采用常規(guī)技術(shù)模擬分析認(rèn)為施工期間破裂壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于施工壓力，無(wú)法正常完成礫石充填作業(yè)。

本文針對(duì)樂(lè)東氣田超淺層氣藏長(zhǎng)水平井的破裂壓力低、充填長(zhǎng)度長(zhǎng)等極端條件，建立了水平井礫石充填過(guò)程各階段的流動(dòng)阻力模型，并對(duì)主控影響因素進(jìn)行了分析，進(jìn)而引進(jìn)超輕質(zhì)礫石，結(jié)合鉆井液泥餅增強(qiáng)技術(shù)，采用適用超長(zhǎng)水平井筒的α-β波多次降排量充填模擬方法等關(guān)鍵配套技術(shù)，成功完成海上超淺層氣藏長(zhǎng)水平井輕質(zhì)礫石充填作業(yè)，保障了氣田的有效開發(fā)，可為我國(guó)海上類似氣田開發(fā)提供借鑒。

1 水平井礫石充填過(guò)程流動(dòng)阻力數(shù)值模擬

1.1 礫石充填各階段流動(dòng)阻力模型

礫石充填過(guò)程可分為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；②α波正向充填階段，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，直到亮波到達(dá)井筒趾端；③β波反向充填階段，此階段壓力升高較快，直至脫砂，壓力達(dá)到最大值。

在水平井礫石充填過(guò)程中，砂漿、攜砂液經(jīng)過(guò)不同的位置，在不同時(shí)間及不同充填階段都伴隨著壓力的消耗存在相應(yīng)的流動(dòng)阻力。在α波充填階段，流體總體來(lái)講都是在篩管/井筒環(huán)空之間流動(dòng)，而在β波充填階段，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，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離流動(dòng)后在趾端進(jìn)入沖管，然后返出，所以此階段井筒壓力及泵壓逐漸升高，到達(dá)井筒根部時(shí)壓力達(dá)到最大值[4-5]。具體各階段流動(dòng)阻力描述如下。

1) 注入階段。砂漿在鉆井平臺(tái)經(jīng)泵注入后，在t時(shí)間流過(guò)的距離為

(1)

式(1)中：Linj(t)為t時(shí)間砂漿流過(guò)的長(zhǎng)度，m；Qp為泵排量，L/min；Dint.col為管柱內(nèi)徑，m；t為時(shí)間，s。

在管柱內(nèi)摩阻損失可由下式計(jì)算：

(2)

式(2)中：Δpcol.inj為t時(shí)間套管鞋上部摩阻壓降，MPa；ρmix、ρf分別為砂漿和完井流體密度，g/cm3；Lcs為套管鞋處深度，m；f為摩擦系數(shù)，可由下式計(jì)算:

(3)

式(3)中：D為管柱水力直徑，m；v為流速，m/s；ρ為密度，g/cm3；μ為黏度，Pa·s。

水平井筒內(nèi)摩阻損失可由下式計(jì)算：

(4)

式(4)中：Δpoh.inj為注入階段水平段摩阻壓降，MPa；Loh為水平段井筒長(zhǎng)度，m；Aan為井筒環(huán)空截面積，m2；Dh為井筒水力直徑，m。

2) α波充填階段。α波動(dòng)前沿距離為

(5)

式(5)中：Qp為泵排量，L/min；Cmix為砂漿濃度，kg/m3；Alow為底部砂床截面面積，m3；φ為孔隙度，f。

水平井筒中摩阻損失為

(6)

式(6)中：Δpoh.α為α波充填階段井筒摩阻壓降，MPa；Lα(t)為t時(shí)間α波動(dòng)前沿距離，m；Dh.up、Dh.an分別表示α波砂床上部和井筒環(huán)空的水力直徑，m；Aup為α波砂床上部過(guò)流面積，m2。

3) β波充填階段。β波動(dòng)前沿距離為

(7)

式(7)中：Lβ(t)為t時(shí)間β波充填前沿距離，m。

水平井筒摩阻損失為

(8)

式(8)中：Δpoh.β為β波充填階段井筒摩阻壓降，MPa；Dint.scr、Dext.wp分別表示篩管內(nèi)徑和沖管外徑，m。

1.2 流動(dòng)阻力數(shù)值模擬結(jié)果

針對(duì)超淺層氣藏長(zhǎng)水平井X7井的礫石充填施工需求及具體模擬參數(shù)(表1)，利用上述流動(dòng)阻力計(jì)算模型進(jìn)行流動(dòng)阻力分析，獲得相應(yīng)的流動(dòng)阻力分析結(jié)果，如圖1、2所示。從圖1可以看出：

表1 樂(lè)東氣田X7井模擬參數(shù)表 Table 1 Simulation parameters of Well X7 in Ledong gas field

圖1 樂(lè)東氣田X7井礫石充填階段的各部分摩阻分布柱狀圖 Fig.1 Friction distribution map of the three stages of Well X7 in Ledong gas field

圖2 樂(lè)東氣田X7井各部分摩阻壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.2 Friction pressure varies with time of Well X7 in Ledong gas field

1) 注入階段：鉆柱內(nèi)砂漿注入的摩擦阻力最大，占總摩擦的69%；其次為沖管回流摩擦壓降，占26%。由于此階段水平裸眼段尚無(wú)砂床形成，且為純攜砂液流動(dòng)，所以水平井筒的摩擦相對(duì)較小，僅為3%；鉆套回流摩擦占2%。

2) α波充填階段：由于鉆柱注入距離長(zhǎng)，鉆柱內(nèi)砂漿注入摩擦阻力仍為最大，但占比減小為63%；其次，沖管回流摩擦壓降值不變，占比也為26%。由于此階段逐漸形成砂床向前推移，所以砂床上部摩擦阻力逐漸增大，占比為9%；砂床前沿?cái)y砂液摩擦阻力逐漸降低，初始最大占比為3%。

3) β波充填階段：在反充填過(guò)程中，攜砂液在沖篩環(huán)空的流動(dòng)長(zhǎng)度逐漸增大，摩擦阻力增大，所以最終其占比達(dá)到最大59%；對(duì)于覆蓋篩管的砂床而言，在反充填過(guò)程中，過(guò)流長(zhǎng)度減小，滲流速度增大，滲流摩擦阻力隨之增大，最終占比達(dá)到15%；而鉆柱內(nèi)砂漿注入摩擦阻力占比減小為17%；沖管摩擦阻力占比6%?？傮w來(lái)看，在礫石充填過(guò)程中，壓耗主要是發(fā)生在β波充填階段，特別是在β波充填階段的后期，因?yàn)榇藭r(shí)攜砂液需要流經(jīng)狹窄的沖篩環(huán)空，到達(dá)井筒趾端的沖管入口，返回到地面。

從圖2可以看出，在整個(gè)充填過(guò)程中，當(dāng)排量恒定時(shí)鉆柱內(nèi)摩擦阻力、沖管回流阻力及鉆柱-套管回流阻力基本不變，保持恒定；對(duì)于水平井筒充填阻力而言，在注入階段和α波充填階段相對(duì)較小，而在β波充填階段，由于沖-篩摩擦阻力和覆蓋砂床滲流阻力的增大，水平井筒總摩擦阻力迅速增大，從而導(dǎo)致整個(gè)充填摩擦阻力在β波充填階段迅速升高。

1.3 礫石充填關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施分析

從上述模擬分析結(jié)果可知，樂(lè)東氣田超淺層造成地層破裂壓力低，采用常規(guī)工藝易壓開地層；長(zhǎng)水平段充填需要有足夠的泵排量，常規(guī)工藝會(huì)存在高的充填壓力，從而造成施工區(qū)間可操作范圍很窄。因此，提出以下解決思路：①控制泵排量。泵排量太低，會(huì)造成提前堵塞，而泵排量太高則會(huì)壓開地層，造成漏失。②優(yōu)化沖篩比。沖篩比大有利于α波充填，沖篩比小有利于β波充填。③在礫石充填方面，采用低密度礫石+低排量或常規(guī)礫石+高排量可以達(dá)到相同的砂床高度。因此，針對(duì)礫石充填摩阻降低的難題，可采用攜砂液中增加減阻劑、旁通篩管工藝、多重β波充填技術(shù)等有效控制充填壓力。另外，針對(duì)礫石充填期間的漏失難題，可以通過(guò)增強(qiáng)鉆井液泥餅質(zhì)量提高地層壓力或引進(jìn)超輕質(zhì)礫石等新技術(shù)對(duì)漏失量進(jìn)行控制。在此基礎(chǔ)上，對(duì)影響充填效率的主控因素進(jìn)行了分析，得出超淺層長(zhǎng)水平井礫石充填主控因素的操作區(qū)間范圍。

2 水平井礫石充填主控因素影響分析

影響礫石充填的因素很多，包括井身結(jié)構(gòu)、攜砂液性質(zhì)、礫石性質(zhì)、充填施工參數(shù)、油藏壓力及滲透率參數(shù)等，而且超淺層長(zhǎng)水平井礫石充填還存在很多的要求和限制。這里選擇樂(lè)東氣田X7井進(jìn)行主要因素分析。

2.1 泵排量的影響

泵排量是影響礫石充填效果的重要因素，對(duì)于長(zhǎng)水平井筒的礫石充填，要使得攜砂液攜帶礫石到達(dá)井筒末端，需要有較高的流速，才能使攜砂液具有足夠的能量攜帶礫石，但高的流速會(huì)造成較高的充填壓力，很容易壓開低破裂壓力地層[6]。X7井α-β波充填最高壓力及砂丘比隨泵排量的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，隨著泵排量的增加，α、β波充填壓力增加，特別是β波充填壓力增加很快，很容易突破地層破裂壓力，當(dāng)泵排量為0.57 m3/min時(shí)，β波充填壓力已經(jīng)突破了地層破裂壓力；另一方面，隨著泵排量的增加，砂丘比逐漸降低，所以在充填壓力和砂丘比之間應(yīng)該選擇合適的泵排量，以利于礫石充填效果。

圖3 樂(lè)東氣田X7井α-β波充填最高壓力及砂丘比隨泵排量的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between maximum pressure and sand ratio along the pump volume of α-β wave Well X7 in Ledong gas field

2.2 沖篩比的影響

沖篩比是指沖管外徑與篩管內(nèi)徑的比值。沖篩比增大，更多的攜砂液在井筒環(huán)空中保持足夠的能量攜帶礫石到達(dá)趾端，有助于完成α波階段的充填；但β波充填階段會(huì)形成大的流動(dòng)阻力，易壓開地層[7]。所以,對(duì)于特定的礫石充填，需要優(yōu)化沖篩比這個(gè)參數(shù)。X7井模擬顯示:在β波充填階段沖篩比大，沖篩環(huán)空小，此時(shí)充填壓力上升很快。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，沖篩比一般在0.8左右。根據(jù)模擬參數(shù)分別設(shè)置沖篩比為0.82與0.86，模擬計(jì)算的α波和β波充填階段的充填壓力和β波可充填長(zhǎng)度如圖4所示。由圖4可以看出，沖篩比為0.82時(shí)沖篩環(huán)空大、阻力小，對(duì)應(yīng)的β波充填階段充填壓力減小、充填長(zhǎng)度增大。對(duì)比沖篩比0.86計(jì)算結(jié)果，在泵排量0.79 m3/min、漏失5%時(shí)，β波反向充填長(zhǎng)度可增長(zhǎng)160 m。

圖4 樂(lè)東氣田X7井α波和β波充填壓力及β波可充填長(zhǎng)度計(jì)算Fig.4 Calculation of filling pressure of α and β wave and filling length of β wave of Well X7 in Ledong gas field

2.3 礫石密度-地層漏失率的綜合影響

充填材料優(yōu)化考慮礫石密度、攜砂液密度及黏度的組合；對(duì)于設(shè)計(jì)和常規(guī)礫石充填相同的砂床高度，可以使得泵排量低于常規(guī)礫石充填時(shí)的排量。常規(guī)礫石密度遠(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)，由于過(guò)流斷面的增大，流速下降。低密度礫石由于減小了礫石和攜砂液的密度差，礫石沉降速度降低，可以利用降低的泵排量進(jìn)行礫石的運(yùn)移，拓寬安全操作區(qū)間[8]。X7井不同濾失、不同礫石密度的α波充填長(zhǎng)度如圖5所示。從圖5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。但對(duì)于同一種漏失比例，礫石密度對(duì)充填長(zhǎng)度影響較大。在泵排量0.87 m3/min下，若漏失為20%，1.25 g/cm3和1.5 g/cm3密度的礫石，基本上都能完成600 m的α波充填；但1.75 g/cm3的礫石只能充填350 m，而2.0 g/cm3的礫石也只能完成大約150 m的α波充填。這表明，低密度礫石能夠較好地完成α波充填。

圖5 樂(lè)東氣田X7井不同濾失、不同礫石密度的α波充填長(zhǎng)度Fig.5 Filling length of α wave with different filtration and gravel density of Well X7 in Ledong gas field

2.4 砂床覆蓋篩管的影響

砂床覆蓋篩管是指α波階段埋高是否全部覆蓋篩管。對(duì)于疏松砂巖，長(zhǎng)水平井礫石充填過(guò)程中難以形成穩(wěn)定的α波充填，其主要原因?yàn)椋孩僭讦敛ǔ涮钸^(guò)程中，一部分?jǐn)y砂流體分流到?jīng)_篩環(huán)空中，另一部分濾失進(jìn)入地層，使得攜砂液流速沿井筒從跟端到趾端逐漸降低，直接導(dǎo)致攜砂能力降低，同時(shí)導(dǎo)致了高的有效礫石濃度，使得α波充填砂床高度逐漸增高，形成了早期堵塞，造成了后面的虧空，充填失敗；②過(guò)低的地層破裂壓力在充填中很容易壓開地層，造成攜砂液大量流失，同樣造成過(guò)早堵塞，充填失敗。X7井α波全埋和不全埋時(shí)β波充填井底壓力隨充填百分比的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)α波階段充填150 m時(shí)，α波充填高度全部埋沒(méi)篩管時(shí)β波可反向充填175.3 m，當(dāng)α波充填高度不全部埋沒(méi)篩管時(shí)，β波可反向充填280.2 m。

圖6 樂(lè)東氣田X7井α波全埋和不全埋時(shí)β波充填井底壓力隨充填百分比的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the bottom pressure of β wave and the filling percentage of α wave of Well X7 in Ledong gas field

3 配套關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超輕質(zhì)陶粒技術(shù)

由以上分析可知，在同樣排量和砂比情況下，使用超輕質(zhì)充填陶?？墒故┕毫档?0%以上，排量下限可由0.79 m3/min降至0.44 m3/min，砂比下限可由0.062 g/m3降至0.038 g/m3，從而可使更小排量達(dá)到同樣的充填效果，更小砂比達(dá)到同樣的充填速度。表2為樂(lè)東氣田引進(jìn)的超輕質(zhì)陶粒主要技術(shù)參數(shù)。

表2 超輕質(zhì)陶粒主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of ultra light weight ceramsite

3.2 新型充填液體系

樂(lè)東氣田調(diào)整井引入PRD-Y新型鉆井液體系，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定其濾失量隨壓差增大變化較小，當(dāng)壓力為5 MPa時(shí)，20 min后濾失量?jī)H為3.5 mL，而同等條件下PRD體系為19 mL，并且其泥餅?zāi)蜎_刷能力增強(qiáng)80%，可有效提高充填過(guò)程中地層承壓能力。同時(shí)，所選用的攜砂液借鑒了頁(yè)巖氣滑溜水壓裂液的功能特點(diǎn)，兼顧了不壓裂情況下的儲(chǔ)層保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了礫石充填攜砂液的降阻，與鹽水做對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明攜砂液的減阻率穩(wěn)定在78%左右，大大減少了攜砂液的阻力。

3.3 多重β波充填技術(shù)

多重β波理論主要針對(duì)超淺層長(zhǎng)水平井β波階段充填壓力的控制難題，其基本原理為當(dāng)α波充填完成后，在β波階段充填壓力迅速增大，當(dāng)其將要接近地層破裂壓力時(shí)，降低泵排量，打破原有的α波砂床上部的平衡狀態(tài)，造成α波重建，直至新的α波砂床重建平衡后，開始β波反向充填；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。在降低泵排量時(shí)也需要考慮設(shè)備與人員的操作控制能力，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[9-10]。樂(lè)東氣田X7井采用該理論計(jì)算值與實(shí)際作業(yè)參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表3，可以看出模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際作業(yè)參數(shù)吻合度較高。

表3 樂(lè)東氣田X7井礫石充填作業(yè)理論計(jì)算值與實(shí)際施工值對(duì)比Table 3 Comparison of theoretical calculation value and actual operation value of Well X7 in Ledong gas field

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

樂(lè)東氣田X7井于2017年10月進(jìn)行完井作業(yè)，該井垂深596 m，井深1 737 m，水平裸眼段長(zhǎng)601.7 m。該井?dāng)y砂液密度選擇1.0 g/cm3，選擇超輕質(zhì)陶粒，砂比0.039 g/m3，充填泵速選取0.87 m3/min，返速0.82 m3/min，充填期間漏失7%，初始循環(huán)壓力2.55 MPa，按照φ215.9 mm井徑設(shè)計(jì)充填砂高72%，最終充填排量為0.53 m3/min，充填效率達(dá)到117%。該氣田另外3口井X8、X9、X10井充填效率分別為107%、107%、113%，充填期間3口井漏失量分別為7%、8%、5%。因此，樂(lè)東氣田4口井礫石充填作業(yè)中綜合應(yīng)用本文提出的超淺層長(zhǎng)水平井礫石充填技術(shù)均獲得成功，其中X7井清噴最高產(chǎn)量達(dá)11×104m3/d，無(wú)出砂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1) 針對(duì)樂(lè)東氣田超淺層長(zhǎng)水平井礫石充填面臨的難題，根據(jù)礫石充填過(guò)程的不同階段，建立了水平井礫石充填過(guò)程各階段的流動(dòng)阻力模型，并對(duì)主控影響因素進(jìn)行了敏感性分析，進(jìn)而引進(jìn)超輕質(zhì)礫石，結(jié)合鉆井液泥餅增強(qiáng)技術(shù)、攜砂液降摩阻技術(shù)、超長(zhǎng)水平井筒α-β波多次降排量充填模擬方法等關(guān)鍵配套技術(shù)，形成了海上超淺層氣藏水平井礫石充填技術(shù)。

2) 超淺層氣藏水平井礫石充填技術(shù)已在樂(lè)東氣田4口長(zhǎng)水平井礫石充填作業(yè)中成功應(yīng)用，礫石充填效率均超過(guò)100%、漏失量控制在5%～8%以內(nèi)，完井清噴最高產(chǎn)量達(dá)11×104m3/d，無(wú)出砂現(xiàn)象，可為我國(guó)海上超淺層氣藏長(zhǎng)水平井礫石充填提供借鑒。