水平井控水礫石充填防砂技術(shù)研究

周泓宇，萬小進(jìn)，吳紹偉，張 斌，孔 洋

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.東營市瑞豐石油技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司，山東東營257000）

水平井滲透率及壓力分布不均勻，極易造成局部油水界面突進(jìn)，導(dǎo)致含水率大幅升高[1]。20世紀(jì)9 0年代提出的水平井自適應(yīng)控水完井技術(shù)（autonomous inflow control device，AICD）在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛且效果良好[2-7]?？厮y為該技術(shù)的核心，對流量及流體性質(zhì)（黏度、密度、含水率等）敏感，具有自適應(yīng)控水特性[8]，可根據(jù)地層及流體特性控制差異性入流阻力，平衡產(chǎn)液剖面，達(dá)到延長無水及低含水采油期的目的[9]。

常見的控水方式有簡易懸掛控水篩管完井方式和中心管控水完井方式[10]，對于疏松砂巖地層，為滿足防砂要求還要進(jìn)行礫石充填[11]。目前國內(nèi)外對控水篩管礫石充填防砂方面的研究較少，控水閥的節(jié)流特性使礫石充填面臨一系列技術(shù)難題[12]，主要表現(xiàn)為：控水閥過流面積小，摩阻大，對礫石充填產(chǎn)生不利影響，采用常規(guī)AICD篩管進(jìn)行礫石充填對礫石、攜砂液、施工排量等完井參數(shù)要求高，設(shè)計難度大[13]。由于控水閥產(chǎn)生的節(jié)流阻力直接作用于地層，為保證施工壓力低于地層破裂壓力，只能采用超輕礫石進(jìn)行低排量充填，容易造成充填效率低、提前脫砂等意外情況，增大施工風(fēng)險。油井生產(chǎn)后期含水率上升，需要進(jìn)行提液，但往往受限于控水閥節(jié)流作用而難以實現(xiàn)，而裸眼水平井打撈更換控水篩管較為困難，可采取的措施較少。若油井發(fā)生堵塞污染等情況，需采取處理措施，而控水閥又大幅提高了泵注壓力，造成地層處理效率低或無法進(jìn)行。針對上述問題，亟需開發(fā)一種能夠同時兼顧控水、充填防砂及地層處理等多方面需求的技術(shù)。筆者從篩管結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計了一種旁通滑套AICD篩管，并自主搭建了物理模擬試驗平臺，通過模擬試驗分析驗證了該篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計及配套技術(shù)的可行性，可為下步研究和現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 旁通滑套AICD篩管的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 旁通滑套 AICD 篩管的結(jié)構(gòu)

旁通滑套AICD篩管主要結(jié)構(gòu)包括篩管、旁通滑套及AICD控水短節(jié)，見圖1。旁通滑套采用10個直徑為12.0mm的過流孔，過流面積遠(yuǎn)大于AICD控水閥（過流孔直徑1.5～4.5mm），可有效降低摩阻；通過專用工具開關(guān)，可實現(xiàn)液體按需求流經(jīng)不同通道，即攜砂液經(jīng)滑套循環(huán)以降低施工摩阻，地層產(chǎn)液經(jīng)控水閥進(jìn)入篩管起到控流作用，后期可開啟滑套進(jìn)行地層處理及提液作業(yè)，由此，防砂及控水效果均得以保證。

圖1 旁通滑套 AICD 篩管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of AICD screen with a by-pass sliding sleeve

1.2 工作原理

在礫石充填過程中，旁通滑套處于開啟狀態(tài)（見圖2（a）流道1），由旁通滑套提供返出液主循環(huán)通道，增大過流面積，降低節(jié)流阻力，有效解決控水閥節(jié)流作用導(dǎo)致的充填阻力過大問題。施工結(jié)束后，上提管柱，旁通滑套在開關(guān)工具的作用下強(qiáng)制關(guān)閉，地層流體經(jīng)控水閥產(chǎn)出（見圖2（a）流道2），控水效果不受影響。

若生產(chǎn)后期需提液，可下入旁通滑套開關(guān)工具，將旁通滑套依次開啟，此時地層流體產(chǎn)出主通道為旁通滑套（見圖 2（a）流道 1），控水作用失效。若需實施酸化解堵等處理措施，可將旁通滑套開關(guān)工具連接在處理管柱下部，管柱下入過程中將旁通滑套依次開啟，處理液經(jīng)旁通滑套進(jìn)入地層（見圖2（b）），處理完畢后上提管柱帶動下部開關(guān)工具將旁通滑套強(qiáng)制關(guān)閉，控水閥恢復(fù)控流作用。

2 控水礫石充填模擬試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

為驗證設(shè)計思路的可行性，設(shè)計可視化水平井控水充填模擬試驗平臺，模擬篩管在水平井中的充填過程，分析試驗過程中壓力和排量的關(guān)系，優(yōu)化充填試驗參數(shù)，量化評價常規(guī)AICD篩管與旁通滑套AICD篩管的充填效果。

2.2 試驗平臺

圖2 旁通滑套 AICD 篩管原理示意Fig.2 Principle diagram of the AICD screen with by-pass sliding sleeve

可視化水平井控水充填模擬評價試驗平臺主要包括模擬水平井筒、數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)、礫石充填設(shè)備和井下充填工具等，如圖3所示。

圖3 可視化水平井控水充填模擬試驗平臺示意Fig.3 Diagram of visual simulation test platform for gravel packing in horizontal wells

采用 API標(biāo)準(zhǔn)φ177.8mm 套管（內(nèi)徑為 159.4mm）模擬長度為30.0m的水平井筒，井筒帶有觀察視窗，充填過程中可直接觀察攜砂液流動情況和充填情況。數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)包括壓力傳感器（量程25.00MPa，精度 0.01MPa）、高清攝像頭、數(shù)據(jù)采集軟件等，可實時采集試驗數(shù)據(jù)并生成試驗曲線，監(jiān)控充填試驗狀態(tài)。礫石充填設(shè)備包括三缸柱塞泵、加砂漏斗和液罐，其中三缸柱塞泵最大排量可達(dá)0.80m3/min，限壓 30.00MPa。井下充填工具包括封隔器和充填轉(zhuǎn)換工具，采用頂部循環(huán)充填方式。試驗篩管為自主研發(fā)的常規(guī)AICD篩管和旁通滑套AICD篩管，各2根，每根配置2個控水閥（過流孔直徑4.5mm）。礫石根據(jù)循環(huán)排量和壓力可選用常規(guī)礫石（視密度2.70g/cm3）和超輕礫石（視密度1.06g/cm3），粒徑均為 250.0～425.0μm。攜砂液采用清水，黏度為 1.0mPa·s。

模擬試驗中，攜砂液由三缸泵泵入循環(huán)管線，經(jīng)充填轉(zhuǎn)換工具后由充填口進(jìn)入環(huán)空，經(jīng)篩管過濾層進(jìn)入沖管與篩管環(huán)空，此時礫石充填于篩管環(huán)空，攜砂液繼續(xù)從沖管與篩管環(huán)空流至底部進(jìn)入沖管，經(jīng)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)入上部套管環(huán)空返出進(jìn)入液罐，完成循環(huán)。充填過程中，通過視窗觀察攜砂液流動情況及礫石充填密實程度，采用傳感器實時采集壓力、排量等數(shù)據(jù)并生成試驗曲線。

2.3 試驗方法

1）連接下入試驗管柱，進(jìn)行循環(huán)，記錄采用常規(guī)AICD篩管和旁通滑套AICD篩管時不同排量下的循環(huán)壓力，優(yōu)化試驗排量、礫石類型等試驗參數(shù)，將施工壓力控制在合理范圍內(nèi)。

2）使用加砂漏斗加砂，進(jìn)行礫石充填試驗。充填過程中礫石逐漸堆積覆蓋篩管，通過可視窗口觀察礫石充填狀態(tài)與密實程度，數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)實時記錄生成試驗曲線，施工壓力超過限壓后停泵。

3）試驗結(jié)束后，起出充填管柱。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)與充填效果分析2種篩管礫石充填動態(tài)及充填效果，對于旁通滑套AICD篩管試驗，篩管起出后確認(rèn)滑套是否為關(guān)閉狀態(tài)，驗證旁通滑套結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

2.4 試驗參數(shù)優(yōu)化

循環(huán)測試結(jié)果見表1。由表1可以看出，常規(guī)AICD篩管在0.10m3/min排量下循環(huán)壓力已高達(dá)4.50MPa，旁通滑套 AICD 篩管在 0.40m3/min 排量下循環(huán)壓力僅為0.35MPa，僅略高于采用普通精密篩管在 0.40m3/min排量下的循環(huán)壓力（0.33MPa）?？梢钥闯?，返液通道對循環(huán)壓力起決定作用，控水閥的節(jié)流作用對礫石充填非常不利，而旁通滑套能夠有效解決循環(huán)壓力過高的問題。

結(jié)合循環(huán)測試結(jié)果，對礫石充填試驗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證施工壓力處于合理范圍之內(nèi)。采用常規(guī)AICD篩管時循環(huán)壓力過高，只能采用低排量循環(huán)，但由于排量過低無法有效攜帶密度較大的常規(guī)礫石，采用視密度為1.06g/cm3的超輕礫石，充填排量為0.10m3/min。旁通滑套AICD篩管循環(huán)壓力較低，與普通精密篩管循環(huán)壓力相差不大，因此試驗參數(shù)可參考普通精密篩管，即采用視密度為2.70g/cm3的常規(guī)礫石，充填排量為0.40m3/min。試驗參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表2。

表1循環(huán)測試結(jié)果Table1 Results of cycling tests

表2 模擬控水充填試驗參數(shù)Table2 Parameters of simulation test for gravel packing with water control

3 礫石充填動態(tài)及結(jié)果分析

水平井礫石充填一般分為α波階段、β波階段及脫砂階段。α波階段反映礫石在水平井筒底部的正向堆積過程，β波階段反映礫石在水平井井筒頂部的逆向堆積過程，脫砂階段為礫石覆蓋全部篩管流動通道后的壓力上升過程，是礫石充填試驗結(jié)束的標(biāo)志。通過可視窗口觀察礫石堆積狀態(tài)，對比常規(guī)AICD篩管與旁通滑套AICD篩管礫石充填試驗中的壓力變化，分析礫石充填試驗過程中攜砂液的流動及礫石運移、堆積動態(tài)，驗證旁通滑套AICD篩管礫石充填技術(shù)的可行性。

3.1 常規(guī) AICD 篩管礫石充填動態(tài)分析

常規(guī)AICD篩管礫石充填試驗曲線見圖4。結(jié)合觀察視窗可知，充填過程分為β波和脫砂2個階段。

β波階段。攜砂液經(jīng)沖管返液后完成循環(huán)，沖管和篩管環(huán)空較篩管和裸眼環(huán)空截面積更小，流動阻力更大，表現(xiàn)為施工壓力逐漸升高。此外，由于常規(guī)AICD篩管返液通道為控水閥，當(dāng)?shù)撞亢Y管完全被覆蓋后，返液通道減半，施工壓力進(jìn)一步升高，壓力曲線的斜率出現(xiàn)明顯變化（見圖4）。篩管被完全覆蓋的瞬間，攜砂液完全通過沖管和篩管環(huán)空到達(dá)沖管末端返液，施工壓力達(dá)到階段最大。

脫砂階段。當(dāng)篩管被完全覆蓋后，礫石開始覆蓋篩管上部的盲段（見圖5）；此時攜砂液從軸向流經(jīng)盲段進(jìn)入沖管和篩管環(huán)空返出，摩阻進(jìn)一步升高，表現(xiàn)為施工壓力漲幅繼續(xù)增大，開始脫砂，當(dāng)砂體厚度到達(dá)一定程度，施工壓力超過限壓后停泵，試驗結(jié)束。

圖4 常規(guī) ACID 篩管礫石充填試驗曲線Fig.4 Gravel packing test curve by conventional ACID screen

圖5 常規(guī) AICD 篩管礫石充填過程示意Fig.5 Diagram of gravel packing process by conventional AICD screen

3.2 旁通滑套 AICD 篩管礫石充填動態(tài)分析

旁通滑套AICD篩管礫石充填試驗曲線見圖6。

結(jié)合觀察視窗可以看出，充填過程分為α波、β波和脫砂3個階段。

圖6 旁通滑套 AICD 篩管礫石充填試驗曲線Fig.6 Gravel packing test curve by AICD screen with by-pass sliding sleeve

α波階段。攜砂液攜帶常規(guī)密度礫石進(jìn)入篩管與模擬井筒之間的環(huán)空后，流道面積增大，當(dāng)流速低于臨界攜液流速后，一部分礫石沉降形成砂床，砂床高度增大造成流道面積減小，攜砂液流速增大，再次超過臨界攜液流速，繼續(xù)攜帶礫石向趾端運移，此時砂床高度不再繼續(xù)增大，而是在其后方行成新的砂床，如此 “推動” 砂床運移至趾端（見圖7。此過程中砂床并未將篩管全部覆蓋，但砂床的形成及向趾端的 “推動” 使流道面積有所減小，因此施工壓力略有升高。

圖7 旁通滑套 AICD 篩管礫石充填過程示意Fig.7 Diagram of gravel packing process by AICD screen with by-pass sliding sleeve

β波階段。α波階段結(jié)束后，篩管全部被一定高度砂床覆蓋，此時攜砂液攜帶礫石繼續(xù)在趾端脫砂，篩管開始逐漸被完全覆蓋，攜砂液由篩管被埋位置進(jìn)入篩管內(nèi)，經(jīng)沖管和篩管環(huán)空到達(dá)沖管底部返出（見圖7）。由于沖管和篩管環(huán)空較篩管與裸眼環(huán)空截面積更小，流動阻力增加，表現(xiàn)為施工壓力升高幅度增大，當(dāng)篩管被完全覆蓋的瞬間，攜砂液全部通過沖管和篩管環(huán)空到達(dá)沖管末端返出，施工壓力達(dá)到階段最大。

脫砂階段。篩管被完全覆蓋后，礫石開始覆蓋篩管上部的盲段，此時攜砂液須從軸向流經(jīng)盲段砂體才能夠進(jìn)入沖管和篩管環(huán)空返出（見圖7），流動阻力增大，表現(xiàn)為施工壓力升高幅度進(jìn)一步增大，開始脫砂，當(dāng)砂體厚度達(dá)到一定程度，施工壓力超過限壓停泵，試驗結(jié)束。

3.3 充填效果分析

試驗表明，2種充填方式均能順利完成充填，充填效率均能達(dá)到100%。通過視窗觀察可直觀看出，2種充填方式均能填滿控水篩管與套管的環(huán)空，充填密實度高（見圖8）。常規(guī)AICD篩管充填無α波階段，β 波階段施工壓力 5.00～10.00MPa，脫砂階段施工壓力15.00MPa；旁通滑套控水篩管α波階段施工壓力 0.20～0.40MPa，β 波階段施工壓力0.40～0.75MPa，脫砂階段施工壓力 5.00MPa（見表 3）。

圖8 模擬充填試驗礫石密實程度Fig.8 Compaction degree of gravel packing in simulation tests

可見，由于常規(guī)AICD篩管逐漸被礫石覆蓋，參與返液的控水閥數(shù)量逐漸減少，節(jié)流作用導(dǎo)致施工壓力大幅升高；而旁通滑套控水篩管即使大部分被礫石覆蓋，依舊有足夠大的流動通道，因而施工壓力升高幅度較小。采用常規(guī)AICD篩管進(jìn)行礫石充填時，施工壓力過高，易將地層壓漏，造成提前脫砂，因此需根據(jù)現(xiàn)場壓力情況逐步降低施工排量，以降低施工風(fēng)險，但排量降至一定程度后無法滿足攜砂需求；與常規(guī)AICD篩管相比，采用旁通滑套AICD篩管可在大排量下進(jìn)行礫石充填，施工壓力低，且施工時間僅約為常規(guī)AICD篩管的1/4，達(dá)到了降低充填難度、縮短施工時間的目的。

3.4 滑套狀態(tài)

旁通滑套AICD篩管充填結(jié)束后，若滑套未能關(guān)閉，地層產(chǎn)出液會經(jīng)滑套流出，造成控水閥失去控水作用，因此開關(guān)工具能否有效關(guān)閉旁通滑套至關(guān)重要。充填結(jié)束后，拆解發(fā)現(xiàn)2支試驗篩管的旁通滑套均處于完全關(guān)閉狀態(tài)。旁通滑套連續(xù)開關(guān)20次后功能正常，表明可通過開關(guān)滑套的方式實現(xiàn)生產(chǎn)提液及地層處理。

表3模擬充填試驗結(jié)果Table3 Simulation test results of gravel packing

4 結(jié) 論

1）通過設(shè)計旁通滑套AICD篩管并完善配套礫石充填技術(shù)，研究了一種水平井控水礫石充填防砂技術(shù)，該技術(shù)既可有效降低礫石充填施工壓力，又可按需開關(guān)滑套，滿足地層處理及提液等需求。

2）自主搭建了可視化水平井礫石充填模擬試驗平臺，該平臺能夠直觀觀察礫石充填試驗過程并實時記錄壓力和排量等數(shù)據(jù)，為施工參數(shù)優(yōu)選提供依據(jù)。

3）礫石充填模擬試驗結(jié)果表明，采用旁通滑套AICD篩管和常規(guī)AICD篩管進(jìn)行礫石充填，充填效率均達(dá)到100%且充填密實，但與常規(guī)AICD篩管相比，旁通滑套AICD篩管的施工壓力大幅降低、施工時間縮短、施工風(fēng)險降低。試驗后旁通滑套關(guān)閉狀態(tài)良好且可實現(xiàn)重復(fù)開關(guān)，能夠完成地層處理及提液操作。

4）研究表明，旁通滑套AICD篩管的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，配套的礫石充填技術(shù)可行，為水平井控水礫石充填防砂研究提供了新思路。但該技術(shù)尚未進(jìn)行現(xiàn)場試驗，為了驗證該技術(shù)的適應(yīng)性、可靠性和實際效果，建議盡快開展現(xiàn)場試驗。