水平井砾石充填防砂工艺技术的研究与应用*

谢金川

(胜利油田分公司石油工程技术研究院)

水平井砾石充填防砂是一项理论性和操作技术要求较高的工艺，其井身轨迹和砾石重力沉降方向垂直，井段一般较长且油水关系复杂，充填过程中砾石有其特殊的运移规律。因此，采取怎样的工艺使砾石充填密实，对较长段以怎样的管柱分段，并搞清分段长短的依据，是水平井防砂成功和提高产量的关键。

一、水平井防砂管柱结构

根据其水平段的长短和边底水等分布，需要设计不同的防砂完井管柱。就其循环方向来说分正向和逆向充填[1-2]，两种方式对充填效果来说没有质的区别，现以正向充填为例说明。

单层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筛管内的冲管组成，如图1所示。

二、充填过程中影响充填密实的因素以及解决措施

1.施工中携砂液排量的影响及解决措施

携砂液的排量，决定了携砂液在筛套环空的水平流速，这是影响砾石充填密实的首要因素。当携砂液携带砾石如图1箭头所示，从泵车→油管→工具充填口→进入筛套环空，从近工具端A靶点到达后尾部B靶点，经筛管过滤，砾石留在筛套环空，过滤后的携砂液从冲管底部进入冲管，经转换进入工具顶部的油套环空，回到地面形成循环。

图1 水平井充填管柱

当携砂液的水平流速能使砾石在筛套环空中作悬浮质运动时，砾石首先在筛套环空尾部B靶点环空堆积填满，并逐渐向前部A靶点工具方向移动，当砾石覆盖筛管时，循环通道被阻断，施工结束。此过程中，砾石的堆积是从筛套环空后部B靶点，逐渐向前部A靶点方向移动并填满的，和国外实验给出的平衡堤α波-β波理论认识不同。1977年美国埃克森公司的Gruesbeck等人根据室内实验的砾石沉积现象，提出了平衡堤α波-β波理论。砾石先从前部A靶点开始堆积，只堆积筛套环空轴线以下半个井筒，逐渐延伸到B靶点，称之为α波，然后折回来，再从B靶点到A靶点，填满上半个井筒，称之为β波。

上世纪90年代，胜利油田石油工程技术研究院防砂中心做过一套外径177.8 mm、内径160 mm水平井充填模拟装置，也得出了相同的实验结果[3]。这个结论在当时的施工装备和充填参数下是正确的，为当时的水平井防砂做出了理论性的指导。后来随着技术的进步，为提高产量和防砂有效期，采用大排量地层挤压填砂+循环充填。α波-β波理论不能解释施工中出现的现象，为搞清理论问题，2014年笔者重新做了简易的水平井充填物理模拟实验。

1.1 实验过程

(1)使用2根外径114 mm×长度9.6 m油管连接，用JCA-95充填工具下接基管外径60 mm绕丝筛管，内接外径33.4 mm冲管。置于外径114 mm油管内水平放置，工具坐封，模拟水平井充填过程。排量400 L/min，用清水，正循环连接，0.4～0.8 mm石英砂，砂比4%。当循环充填到筛套环空1/2容积砂量后停止，将Ø114.3 mm油管拆开，A靶点端沉砂很少，大部分沉积在B靶点端，α波现象不明显。砾石是从B靶点向A靶点逐渐排列。

(2)把砾石清理干净，重复做一遍，降低排量到200 L/min，循环充填到筛套环空1/4容积砂量，再将Ø114 mm油管拆开，砾石沉积在A靶点前半部中轴线以下，出现了α波现象。

1.2 实验结论

Ø114 mm油管比Ø177.8 mm套管截面小，相应提高了流速。测定密度为2.65×103kg/m3的几种不同粒径的石英砂在静水中的垂直沉降速度：粒径1.04 mm，沉降速度0.094 m/s；粒径0.76 mm，沉降速度0.077 m/s；粒径0.6 mm，沉降速度0.062 m/s。经过多次实验，总结出经验公式。当液流的水平流速大于砾石在静止液体中的垂直沉降速度12倍时，砾石以悬移质运移。一般充填砂粒径为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时,才能使其悬浮。施工时，因为液体一部分要从筛管和冲管环空绕流走，使部分砾石沉降。根据应用经验，V=55.4×1.2=66 m/min，这个速度推荐为以水为携砂液，以0.4～0.8 mm石英砂为充填材料，在0.6的冲筛比下水平井筛套环空砾石呈悬浮质运动的临界流速。

1.3 对实验结论的综合分析

1.4 施工中应采取的措施

要避免呈α波的自然沉积过程，容易出现砂桥造成充填失败。要达到临界流速V=66 m/min以上，使砾石任何时候都处于悬浮质运移，即使有绕流和地层漏失造成的砾石沉积，也能随时被启动。由于地层的漏失，计算携砂液流速应以循环出口的排量为依据。

2.携砂液密度和黏度的影响

携砂液的密度等于对砾石的静止浮力，携砂液的黏度几乎正比于携砂能力，但黏度太高，砾石长时间处以悬浮状态，沉积后容易塌缩不实。在不漏失的井中，使用清水也可以达到理想的充填效果。

3.砾石密度的影响

砾石密度低，有利于携带，早期采用空心陶粒，但成本较高。从后期充填效果来看，采用石英砂或普通陶粒完全可以满足。

4.携砂液的绕流及解决措施

携砂液经冲筛环空的绕流将使砾石有提前过滤堆积形成砂桥的趋势。提高冲筛比，是有效的措施。增加阻流装置，对减少绕流的影响有益处。

5.携砂液在地层的漏失影响

地层漏失严重时，砾石在炮眼和筛套环空脱砂堆积，有形成砂桥的趋势。因此施工时以出口排量为设计排量依据，同时对于地层漏失下炮眼附近沉积的砾石应有二次冲起悬浮的能力。

6.对流砂地层的工艺措施

对于出砂严重的流沙地层，则应大幅减小充填排量。为提高携砂能力，采用较高黏度携砂液，以避免携砂液流速过快，形成侧吸作用，将地层砂大量吸出和石英砂混合，影响充填带渗透率。侧吸严重时还未加砂，侧吸出的地层砂已将环空填满。

三、长井段水平井的开采

(1)对非均质油层、气层或高含水层等油水关系复杂地层，要进行分段封隔分段充填。将均质层段采用挤压填砂，以改造地层提高产量，将油水关系复杂层段，采用环空循环充填。

(2)对整个水平段油层均质性较好，也需要进行分段充填处理。因为笼统地层挤砂改造，只在某一段处开缝，波及不到整个油层，使整个水平段产出不均质，更容易提前见水。

(3)地层挤砂的形态描述。地层挤砂相当于小型压裂。关于充填砂的形态分布，目前仍没有办法用室内实验和直接的检测数据来验证。笔者认为，无论直井、水平井，不可能像许多人描述的那样，压出一个沿井筒填满砾石的大肚子砾石墙。有两点依据，其一许多直井填砂几十方，生产几年失效后要拔出原有绕丝管重放。如果在井筒周围是一个松散的砾石墙肚子，失去绕丝管支撑后的砾石将滑落进井筒，冲砂施工时井底液流循环激荡能将其基本冲出来。但冲砂的结果只是冲出原井筒中少部分地层砂和砾石，大量砾石则仍镶嵌在地层中。其二，根据地层破裂压力公式[4]：

pf=[(υ/(1-υ)](σz-ps)+ps+St

式中：pf—井底破裂压力；υ—泊松比；σZ—垂向主应力；ps—原始孔隙压力；St—地层抗拉强度。

在井漏特别严重的井，地层填砂时，携砂液很容易漏入地层，但一旦加砂，则很快砂堵。原因就是ps这个原始孔隙压力很低，地层有效垂直主应力σz有效=(σz-ps)在没有孔隙压力支撑的情况下变得很大，产生的水平主应力σx和σy也相应变大。要想填进砂，首先将这个地层亏空的ps尽量补充，才能将有效垂直主应力(σz-ps)降低，达到要求的井底破裂压力pf。在这一理论指导下，施工中措施有三：一是增加前置液，将这个ps先尽量补起来；二是加大排量增加井底压力；三是对ps有一定补充的情况下，地层会出现微小缝隙，小砂比加入一定量砾石，像楔子一样楔进微缝，再挤进一定量携砂液空段塞来清洗堵塞，再以小砂比挤进砾石将裂缝逐渐扩大，直至正常施工。

水平井一般实测地应力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<0.5,一般约0.25)，σ最小有效水平一般小于σ有效Z，出现水平裂缝的概率很小。

因此裂缝的形态一般有两种：一是当地层最小主应力方向垂直于井筒方向时，裂缝是平行于井筒的垂直裂缝，位于上下两侧；二是当地层最小主应力方向平行于井筒方向时，裂缝方位为垂直于井筒的一条或数条垂直裂缝。

一定量的施工规模和参数在某一地层只能产生相应裂缝的长宽高。实际的填砂过程是地层开缝后在一定的延伸压力下，在整个缝的长×高×2面积下，压裂液不断注进，将裂缝撑开，压裂液又不断在地层裂缝面上滤失，地层在地应力作用下趋向闭合。撑开和闭合产生的动态平衡决定了裂缝的长宽高，在此过程中携砂液携带砾石在裂缝中滤失脱砂并填满裂缝。因此不管水平段有多长，始终只能产生某一段压开裂缝，其余大部分井段只参与了压裂液的滤失。根据压裂的数学模型计算和MArac压裂软件，以2.5～3.5 m3/min规模，以目前常用的压裂液性能、砂比、填砂量等施工参数下，疏松砂岩的缝长一般为20～40 m。裂缝和井筒形成一个十字，如图2所示，因此分段长度50～80 m为宜。

图2 压裂缝长波及的扫油面积

四、结论

(1)水平井循环环空充填，以出口排量为计算依据，其携砂液在水平段的水平流速，一定要大于充填固体在此种携砂液中垂直沉降速度的12倍以上。对于流沙地层，充填排量则应减小，以避免携砂液流速过快，形成侧吸作用将地层砂吸出。

(2)对非均质油层、含有气层或高含水等油水关系复杂地层，必须进行分段封隔分段充填。将一般层段采用挤压充填+循环充填，油水关系复杂层段，用循环充填。

(3)对整个水平段较长者，虽油层均质性较好，也需要进行分段地层填砂处理，以提高产量和最终采收率。