水平井礫石充填防砂工藝技術的研究與應用*

謝金川

(勝利油田分公司石油工程技術研究院)

水平井礫石充填防砂是一項理論性和操作技術要求較高的工藝，其井身軌跡和礫石重力沉降方向垂直，井段一般較長且油水關系復雜，充填過程中礫石有其特殊的運移規(guī)律。因此，采取怎樣的工藝使礫石充填密實，對較長段以怎樣的管柱分段，并搞清分段長短的依據(jù)，是水平井防砂成功和提高產(chǎn)量的關鍵。

一、水平井防砂管柱結構

根據(jù)其水平段的長短和邊底水等分布，需要設計不同的防砂完井管柱。就其循環(huán)方向來說分正向和逆向充填[1-2]，兩種方式對充填效果來說沒有質的區(qū)別，現(xiàn)以正向充填為例說明。

單層的水平井充填管柱由位于上部的充填工具和接在其下部的防砂管和接在工具下部位于篩管內的沖管組成，如圖1所示。

二、充填過程中影響充填密實的因素以及解決措施

1.施工中攜砂液排量的影響及解決措施

攜砂液的排量，決定了攜砂液在篩套環(huán)空的水平流速，這是影響礫石充填密實的首要因素。當攜砂液攜帶礫石如圖1箭頭所示，從泵車→油管→工具充填口→進入篩套環(huán)空，從近工具端A靶點到達后尾部B靶點，經(jīng)篩管過濾，礫石留在篩套環(huán)空，過濾后的攜砂液從沖管底部進入沖管，經(jīng)轉換進入工具頂部的油套環(huán)空，回到地面形成循環(huán)。

圖1 水平井充填管柱

當攜砂液的水平流速能使礫石在篩套環(huán)空中作懸浮質運動時，礫石首先在篩套環(huán)空尾部B靶點環(huán)空堆積填滿，并逐漸向前部A靶點工具方向移動，當?shù)[石覆蓋篩管時，循環(huán)通道被阻斷，施工結束。此過程中，礫石的堆積是從篩套環(huán)空后部B靶點，逐漸向前部A靶點方向移動并填滿的，和國外實驗給出的平衡堤α波-β波理論認識不同。1977年美國埃克森公司的Gruesbeck等人根據(jù)室內實驗的礫石沉積現(xiàn)象，提出了平衡堤α波-β波理論。礫石先從前部A靶點開始堆積，只堆積篩套環(huán)空軸線以下半個井筒，逐漸延伸到B靶點，稱之為α波，然后折回來，再從B靶點到A靶點，填滿上半個井筒，稱之為β波。

上世紀90年代，勝利油田石油工程技術研究院防砂中心做過一套外徑177.8 mm、內徑160 mm水平井充填模擬裝置，也得出了相同的實驗結果[3]。這個結論在當時的施工裝備和充填參數(shù)下是正確的，為當時的水平井防砂做出了理論性的指導。后來隨著技術的進步，為提高產(chǎn)量和防砂有效期，采用大排量地層擠壓填砂+循環(huán)充填。α波-β波理論不能解釋施工中出現(xiàn)的現(xiàn)象，為搞清理論問題，2014年筆者重新做了簡易的水平井充填物理模擬實驗。

1.1 實驗過程

(1)使用2根外徑114 mm×長度9.6 m油管連接，用JCA-95充填工具下接基管外徑60 mm繞絲篩管，內接外徑33.4 mm沖管。置于外徑114 mm油管內水平放置，工具坐封，模擬水平井充填過程。排量400 L/min，用清水，正循環(huán)連接，0.4～0.8 mm石英砂，砂比4%。當循環(huán)充填到篩套環(huán)空1/2容積砂量后停止，將?114.3 mm油管拆開，A靶點端沉砂很少，大部分沉積在B靶點端，α波現(xiàn)象不明顯。礫石是從B靶點向A靶點逐漸排列。

(2)把礫石清理干凈，重復做一遍，降低排量到200 L/min，循環(huán)充填到篩套環(huán)空1/4容積砂量，再將?114 mm油管拆開，礫石沉積在A靶點前半部中軸線以下，出現(xiàn)了α波現(xiàn)象。

1.2 實驗結論

?114 mm油管比?177.8 mm套管截面小，相應提高了流速。測定密度為2.65×103kg/m3的幾種不同粒徑的石英砂在靜水中的垂直沉降速度：粒徑1.04 mm，沉降速度0.094 m/s；粒徑0.76 mm，沉降速度0.077 m/s；粒徑0.6 mm，沉降速度0.062 m/s。經(jīng)過多次實驗，總結出經(jīng)驗公式。當液流的水平流速大于礫石在靜止液體中的垂直沉降速度12倍時，礫石以懸移質運移。一般充填砂粒徑為0.4～0.8 mm，沉降速度0.077 m/s；其水流水平流速0.077 m/s×12×60=55.4 m/min時,才能使其懸浮。施工時，因為液體一部分要從篩管和沖管環(huán)空繞流走，使部分礫石沉降。根據(jù)應用經(jīng)驗，V=55.4×1.2=66 m/min，這個速度推薦為以水為攜砂液，以0.4～0.8 mm石英砂為充填材料，在0.6的沖篩比下水平井篩套環(huán)空礫石呈懸浮質運動的臨界流速。

1.3 對實驗結論的綜合分析

1.4 施工中應采取的措施

要避免呈α波的自然沉積過程，容易出現(xiàn)砂橋造成充填失敗。要達到臨界流速V=66 m/min以上，使礫石任何時候都處于懸浮質運移，即使有繞流和地層漏失造成的礫石沉積，也能隨時被啟動。由于地層的漏失，計算攜砂液流速應以循環(huán)出口的排量為依據(jù)。

2.攜砂液密度和黏度的影響

攜砂液的密度等于對礫石的靜止浮力，攜砂液的黏度幾乎正比于攜砂能力，但黏度太高，礫石長時間處以懸浮狀態(tài)，沉積后容易塌縮不實。在不漏失的井中，使用清水也可以達到理想的充填效果。

3.礫石密度的影響

礫石密度低，有利于攜帶，早期采用空心陶粒，但成本較高。從后期充填效果來看，采用石英砂或普通陶粒完全可以滿足。

4.攜砂液的繞流及解決措施

攜砂液經(jīng)沖篩環(huán)空的繞流將使礫石有提前過濾堆積形成砂橋的趨勢。提高沖篩比，是有效的措施。增加阻流裝置，對減少繞流的影響有益處。

5.攜砂液在地層的漏失影響

地層漏失嚴重時，礫石在炮眼和篩套環(huán)空脫砂堆積，有形成砂橋的趨勢。因此施工時以出口排量為設計排量依據(jù)，同時對于地層漏失下炮眼附近沉積的礫石應有二次沖起懸浮的能力。

6.對流砂地層的工藝措施

對于出砂嚴重的流沙地層，則應大幅減小充填排量。為提高攜砂能力，采用較高黏度攜砂液，以避免攜砂液流速過快，形成側吸作用，將地層砂大量吸出和石英砂混合，影響充填帶滲透率。側吸嚴重時還未加砂，側吸出的地層砂已將環(huán)空填滿。

三、長井段水平井的開采

(1)對非均質油層、氣層或高含水層等油水關系復雜地層，要進行分段封隔分段充填。將均質層段采用擠壓填砂，以改造地層提高產(chǎn)量，將油水關系復雜層段，采用環(huán)空循環(huán)充填。

(2)對整個水平段油層均質性較好，也需要進行分段充填處理。因為籠統(tǒng)地層擠砂改造，只在某一段處開縫，波及不到整個油層，使整個水平段產(chǎn)出不均質，更容易提前見水。

(3)地層擠砂的形態(tài)描述。地層擠砂相當于小型壓裂。關于充填砂的形態(tài)分布，目前仍沒有辦法用室內實驗和直接的檢測數(shù)據(jù)來驗證。筆者認為，無論直井、水平井，不可能像許多人描述的那樣，壓出一個沿井筒填滿礫石的大肚子礫石墻。有兩點依據(jù)，其一許多直井填砂幾十方，生產(chǎn)幾年失效后要拔出原有繞絲管重放。如果在井筒周圍是一個松散的礫石墻肚子，失去繞絲管支撐后的礫石將滑落進井筒，沖砂施工時井底液流循環(huán)激蕩能將其基本沖出來。但沖砂的結果只是沖出原井筒中少部分地層砂和礫石，大量礫石則仍鑲嵌在地層中。其二，根據(jù)地層破裂壓力公式[4]：

pf=[(υ/(1-υ)](σz-ps)+ps+St

式中：pf—井底破裂壓力；υ—泊松比；σZ—垂向主應力；ps—原始孔隙壓力；St—地層抗拉強度。

在井漏特別嚴重的井，地層填砂時，攜砂液很容易漏入地層，但一旦加砂，則很快砂堵。原因就是ps這個原始孔隙壓力很低，地層有效垂直主應力σz有效=(σz-ps)在沒有孔隙壓力支撐的情況下變得很大，產(chǎn)生的水平主應力σx和σy也相應變大。要想填進砂，首先將這個地層虧空的ps盡量補充，才能將有效垂直主應力(σz-ps)降低，達到要求的井底破裂壓力pf。在這一理論指導下，施工中措施有三：一是增加前置液，將這個ps先盡量補起來；二是加大排量增加井底壓力；三是對ps有一定補充的情況下，地層會出現(xiàn)微小縫隙，小砂比加入一定量礫石，像楔子一樣楔進微縫，再擠進一定量攜砂液空段塞來清洗堵塞，再以小砂比擠進礫石將裂縫逐漸擴大，直至正常施工。

水平井一般實測地應力σ有效X>σ有效Z≥σY。

σ有效水平=σ有效Zυ/(1+υ)(泊松比0<υ<0.5,一般約0.25)，σ最小有效水平一般小于σ有效Z，出現(xiàn)水平裂縫的概率很小。

因此裂縫的形態(tài)一般有兩種：一是當?shù)貙幼钚≈鲬Ψ较虼怪庇诰卜较驎r，裂縫是平行于井筒的垂直裂縫，位于上下兩側；二是當?shù)貙幼钚≈鲬Ψ较蚱叫杏诰卜较驎r，裂縫方位為垂直于井筒的一條或數(shù)條垂直裂縫。

一定量的施工規(guī)模和參數(shù)在某一地層只能產(chǎn)生相應裂縫的長寬高。實際的填砂過程是地層開縫后在一定的延伸壓力下，在整個縫的長×高×2面積下，壓裂液不斷注進，將裂縫撐開，壓裂液又不斷在地層裂縫面上濾失，地層在地應力作用下趨向閉合。撐開和閉合產(chǎn)生的動態(tài)平衡決定了裂縫的長寬高，在此過程中攜砂液攜帶礫石在裂縫中濾失脫砂并填滿裂縫。因此不管水平段有多長，始終只能產(chǎn)生某一段壓開裂縫，其余大部分井段只參與了壓裂液的濾失。根據(jù)壓裂的數(shù)學模型計算和MArac壓裂軟件，以2.5～3.5 m3/min規(guī)模，以目前常用的壓裂液性能、砂比、填砂量等施工參數(shù)下，疏松砂巖的縫長一般為20～40 m。裂縫和井筒形成一個十字，如圖2所示，因此分段長度50～80 m為宜。

圖2 壓裂縫長波及的掃油面積

四、結論

(1)水平井循環(huán)環(huán)空充填，以出口排量為計算依據(jù)，其攜砂液在水平段的水平流速，一定要大于充填固體在此種攜砂液中垂直沉降速度的12倍以上。對于流沙地層，充填排量則應減小，以避免攜砂液流速過快，形成側吸作用將地層砂吸出。

(2)對非均質油層、含有氣層或高含水等油水關系復雜地層，必須進行分段封隔分段充填。將一般層段采用擠壓充填+循環(huán)充填，油水關系復雜層段，用循環(huán)充填。

(3)對整個水平段較長者，雖油層均質性較好，也需要進行分段地層填砂處理，以提高產(chǎn)量和最終采收率。