渤海套管井多层压裂充填管柱沿程摩阻修正与应用

幸雪松，陈 彬，张彬奇，龚 宁，张 磊，李 强，徐凤祥，仲兆宇

（1中海石油（中国）有限公司天津分公司2海洋石油高效开发国家重点实验室3中海油田服务股份有限公司）

幸雪松等.渤海套管井多层压裂充填管柱沿程摩阻修正与应用.钻采工艺，2019，42（5）：49-51

我国渤海区块大部分油藏分布在疏松砂岩地层中，其中90%以上均需要进行防砂，其中一次多层砾石充填防砂具有作业效率高、防砂有效期长、保持产能好、能够实现分层选择性注采等优点，已经成为我国主流的防砂完井技术之一。其中Ø244.61 mm套管井常用的内冲管为Ø73.03 mm，Ø177.8 mm套管井常用的内冲管为Ø48.26 mm，因压裂充填时冲管管径小，充填层段距离长，携砂液在泵送过程中会产生很大压降，故准确计算、预测这些压力损失对压裂防砂工艺确定施工压力和充填成功与否是十分重要的［1-3］，然而随着工艺升级，常规管柱沿程摩阻计算方法出现了较大的误差；同时，压裂液在管柱中的流动为复杂的紊流，管柱沿程摩阻采用经典流体力学公式计算不能完全适用于现场，本文基于常规降阻比法计算管柱沿程摩阻［4-6］，结合蓬莱PL19-9区块现场作业数据，对降阻比公式中的参数进行修正，得到更精确地计算沿程摩阻新公式，并将其应用于J21 井；依据该机理，论证渤海地区新型Ø193.675 mm套管一次多层压裂砾石充填工艺，其内冲管尺寸Ø60.33 mm，结果表明，新型Ø193.675 mm套管压裂防砂工艺在实现排量3.18m3基础上，冲管长度达400 m，该技术后期将大范围应用于渤海地区。

一、管柱沿程摩阻机理研究

目前，海上压裂充填所采用的是高温海水基压裂液，其低浓度，高黏度，与地层的液体有良好的配伍性，携砂和悬砂性能力特别强。压裂液为塑性流体（非牛顿流体），其沿程摩阻计算比较复杂，压裂充填过程中的管柱沿程摩阻计算一般都采用降阻比法计算，即采用清水的管柱沿程摩阻计算公式来计算压裂液的沿程摩阻［7-8］，见式（1）。

式中：δ—降阻比；

ΔPG，P—压裂液管柱沿程摩阻，Pa；

ΔP0—采用清水的管柱沿程摩阻公式计算的摩阻，Pa；

λ—达西摩阻系数；

f—范宁摩阻系数；

v—流体的流速，m／s；

D—管柱的内径，m；

L—管长，m。

流体力学规定流体的流态（层流和紊流）可用雷诺数Re来判断，Re≤2 000时为层流，Re＞2 000时为紊流。流体的雷诺数可用式（3）求得：

式中：μ—流体黏度，Pa·s。

在压裂充填过程中，流体的流态都是紊流，流体力学Blasius公式描述的紊流的雷诺数与范宁摩阻系数关系见式（4）：

根据海上大量的施工经验，对式（4）加以修正，得到修正式（5）：

由式（2）、式（3）、式（5）可以求出ΔP0。

大量的实验证明，压裂充填过程中胍胶浓度和支撑剂的支撑剂浓度对沿程摩阻都有影响，D.L.Lord和J.M.Mcgowen对实验结果加以分析，修正得到降阻比计算公式（6）［9-10］：

式中：G—胍胶浓度，kg／m3；

P—支撑剂浓度，kg／m3。

综上可得压裂液的沿程摩阻公式（7）：

式中：σ—压裂液的降阻比系数。

二、探讨管柱沿程摩阻修正系数

目前，随着工艺升级，常规管柱沿程摩阻计算方法出现较大的误差，提高了作业难度、风险，引起充填工艺的失败，仅仅用胍胶浓度和支撑剂浓度不足以准确的表达压裂液的降阻比系数σ，因此，为了有效的解决这类问题，参照PL19-9油田的多年现场作业数据，采用实际的施工数据（见表1、表2）与计算公式进行对比校正，得到较为实际的修正系数。

将PL19-9区块压裂施工参数：Ø127 mm钻杆内径D：108 mm；Ø88.9 mm钻杆内径D：70.2 mm；Ø73.16 mm 冲管内径D：62 mm；压裂液密度ρ：1 030 kg／m3；压裂液黏度：500 mPa·s；胍胶浓度：3 kg／m3；支撑剂浓度：958 kg／m3和各个管柱组合的长度L代入公式，可求得基于降阻比法计算出的摩阻，采用此摩阻与实际施工摩阻对比可得出其较为切合实际的修正系数，见表3。

表1 PL19-9区块示例井压裂充填配管组合

表2 PL19-9区块示例井施工参数

表3 依据降阻比法计算的管柱摩阻与修正系数

由表3可知，计算出的平均修正系数A为0.5746，由此得出修正后的压裂液摩阻计算公式（8）：

三、现场应用

2017年7月，将该方法应用于PL19-9-J平台21井（压裂充填防砂），经验证一趟三层沿程摩阻过大，无法满足现场作业，故采用一趟两层防砂管柱+逐层充填行防砂作业。一趟两层采用Ø127 mm钻杆649.83 m，Ø88.9 mm钻杆1 212.80 m，Ø73.16 mm冲管141.12m，设计砂量26 671.23 kg，主充填设计最高砂比为798.21 kg／m3，泵注排量为2.86 m3／min，最终打砂量为17 417.49 kg，返出5 605.49 kg，充填 系 数575.92 kg／m，盲 管 埋 高3.87 m，破裂压力梯度0.016 MPa／m，测得实际摩阻10.97 MPa，该层顺利完成按设计砂量实现诱导脱砂，充填完成，效果良好，见图1。

四、新型Ø193.675 mm套管压裂充填工艺摩阻研究

为应对当前乃至未来的低油价运行，基于常规的Ø177.8 mm和Ø244.61 mm套管一次多层砾石充填防砂工艺完井方式，特提出新型Ø193.675 mm套管压裂充填防砂。就压裂充填过程中沿程摩阻进行研究，沿程摩阻直接影响防砂层段长度（除去底层），基于式（8），对该新型压裂防砂完井工艺进行论证（按照渤海常规压裂参数进行计算），假设Ø88.9 mm钻杆长度L：2 000 m，钻杆内径D：70.2 mm；Ø60.46 mm冲管长度L：400 m，冲管内径D：50.6 mm；压裂液密度ρ：1 030 kg／m3；压裂液黏度：500 mPa·s；储层垂深：1 500 m；破裂梯度：0.018 MPa／m；胍胶浓度：3 kg／m3；支撑剂浓度：960 kg／m3，进行模拟计算。

图1 一次多层底层充填曲线

图2 冲管长度与管柱沿程摩阻的关系曲线

由图2可知，当地层破裂压力为26.89 MPa，静液柱压力为15 MPa，压裂液摩阻为39 MPa时，地面泵压为50.90 MPa，整套新型砾石充填工艺管柱压力级别为51.72 MPa（渤海地区要求不超过51.72 MPa），压裂充填层段长度达到400 m（不考虑最下层射孔段），满足现场需求。

五、结论

（1）依据现场施工参数，得出基于降阻比法的管柱沿程摩阻的修正系数，为相关工艺技术提供理论参考。

（2）该方法应用于J21井，取得良好效果，表明其可广泛应用于渤海区块，特别是蓬莱区块多层压裂充填的施工作业模拟。

（3）基于该修正系数，论证新型Ø193.675 mm套管一次多层压裂防砂工艺，在实现排量3.18 m3基础上，冲管长度可达400 m（不考虑最下层射孔段），该新型套管完井方式将大面积应用于渤海地区。