大井斜下钻杆内砾石沉积量预测及应用实例

安文目，魏辉龙，王翊民(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

随着开发进程的不断深入，渤海油田的开发模式呈现出新的特征：重视碎片化储层，利用现有平台剩余槽口或者老井侧钻实现对周边偏远小储量储层的开采；开发受限区储层，渤海海域功能区划错综复杂，军事敏感区、海事通航区、生态保护区等受限区内探明储量占渤海油气总储量的86%，对渤海油田增储上产意义重大；低成本开采模式，新建平台更多的考虑依托现有生产设施和海管资源，这就导致新平台无法在最佳的布井位置。

为解决上述问题，综合考虑渤海油田储层埋藏浅、岩石强度低、出砂严重等特点，大位移水平裸眼井成为钻完井重点推广的作业井型之一。这种井型的优势有：能够满足井眼水平方向延伸的要求；能够保证较高的储层砂岩钻遇率，提高单井产能；能够直接使用成熟的砾石充填防砂技术，有效控制出砂，延长油井寿命。

在大位移水平裸眼井砾石充填作业实施过程中出现了实际充填的砾石量远远多于模拟充填、充填时间大幅延长、充填压力曲线与模拟曲线不一致、反循环时返出砾石量偏多等问题，导致充填过程无法有效把握、充填效率低、反循环出的砾石污染循环系统等严重后果。

本文在现有砾石充填技术的基础上，重点考虑大位移水平裸眼井的特征因素，分析出了导致此类问题的原因在于砾石在钻杆内的沉积，给出了影响砾石沉积的因素，准确估算了钻杆内砾石沉积量，对现场施工提出了指导性措施，对后续砾石充填技术发展提出了合理化建议[1-2]。

1 钻杆内砾石沉积机理

在砾石充填过程中，钻杆内的砾石运移方向是重力方向和携砂液流动方向的叠加方向，重力方向受砾石的重力、浮力和摩擦力等因素影响，携砂液流动方向受携砂液流体性质、充填排量等因素影响。当井斜较小时，砾石运移方向以重力方向为主，随着井斜的逐步增大，携砂液流动方向对砾石运移方向的影响占据主导地位。

一般认为当井斜大于60°时，砾石无法在自重作用下向井底运移，而是沉积在钻杆内形成砂丘，随着砂丘不断增高，流动区域逐步减小，流速逐步加快，直至增加到砾石能够被携砂液带走的临界速度，这是钻杆内砂丘形成的过程。

渤海油田大位移水平裸眼井的常用井身结构为：244 mm技术套管+178 mm生产尾管+152 mm水平裸眼，特点是浅井段(一般在井深700 m左右)井斜已达到70°～80°并持续稳斜至井底；水平裸眼段砾石充填时，为避免充填压力过高压漏地层，充填排量普遍较低；常用携砂液体系为氯化钾加重盐水体系，粘度低，携带性差；常用砾石为普通陶粒，自重大。

综上所述，这就导致在充填过程中砾石在出充填孔前大量沉积在送入钻杆内，这部分砾石的沉积量在原有充填模拟设计中没有考虑，进而导致前述的模拟充填与实际充填存在的差异，当反循环时，这部分砾石被携带出井，返出砾石量大幅增加造成防砂用沉砂池里砂浆外溢污染循环系统[3]。

2 大井斜下钻杆内砾石沉积量预测

在砾石充填技术研究的基础上，按照钻杆内砾石沉积机理分析，建立了在理想状态下钻杆内砾石沉积量预测模型(如图1所示)。

图1 大井斜下钻杆内砾石沉积意图

式中：mG为沉积砾石的质量(g)；SD为砾石沉积区域截面积(m2)；θ为砾石沉积区域对应扇形的角度，度制；H为砾石沉积高度(m)；R为钻杆内半径(m)；ρb为砾石堆积密度(kg/m3)；L为对应井斜下的钻杆长度(m)。

式中：Q为对应砾石积高度H的充填排量(m3h)；SO为流动区域截面积(m2)；vc为砂浆临界流动速度(m/s)，在流动区域内砂浆流动速度恰好使砾石不会继续沉积的临界值，由井斜、砾石沉积高度、携砂液密度、黏度、砾石密度、尺寸等因素决定，由充填模拟实验所得。

3 应用实例

渤海油田某井水垂比达到2.615 2 mm水平裸眼井段开采疏松砂岩储层，常温常压，是一口常见的浅层大位移水平裸眼井，该井80°稳斜段长度为612 m，使用127 mm钻杆(内径54.3 mm)送入砾石充填管柱，按照本文预测模型，对该井砾石充填防砂完井过程中钻杆内砾石沉积量进行计算，结果如表1所示。

表1 某井钻杆内砾石沉积计算结果

根据表中数据，绘制出该井充填排量与钻杆内砾石沉积量关系曲线，如图2所示。

由图2可知，当充填排量不低于40.59 m3/h 时，此稳斜井段不会沉积砾石，当充填排量低于此值时，充填排量越低，沉积量越大。

该井砾石充填作业的充填排量为32.44 m3/h，对应图2可以得出，在此充填排量下钻杆内砾石沉积量为1 700 kg左右，对该井砾石充填作业给出的作业建议：

(1)需在砾石预测使用量的基础上额外准备1 700 kg的砾石；

(2)充填作业时间变长，注意各波段的压力曲线变化，精准控制作业过程；

(3)提前判断防砂用反循环沉砂池容量是否能够回收这部分砾石，目前渤海常用反循环沉砂池可容纳1 300 kg砾石，建议该井增加备用沉砂池，或使用高目数钻井振动筛，反循环时经过振动筛去除携砂液中的砾石，防止污染循环系统；

(4)在反循环期间及服务工具起至造斜率较大井段时，替入高粘段塞携带钻杆内残留的砾石；

(5)如果上述措施均不能消除砾石沉积带来的问题，或沉积量过大存在堵塞钻杆风险的时候，建议全井更换内径较小的钻杆进行砾石充填防砂作业。

该井现场施工曲线如图3所示，施工时间、压力变化和砾石用量均符合预测结果，在停止加砾石后，继续顶替一个钻杆容积后出现脱砂压力，反循环出井的砾石量为1 800 kg，该部分即为钻杆内沉积的砾石，接近作业前的预测结果。

图3 该井砾石充填作业施工曲线

4 结语

(1)通过计算钻杆内砾石的沉积量，可以在设计阶段和施工阶段提出多项有针对性的处置措施，保证现场砾石充填作业顺利实施，保证充填效率。

(2)通过分析钻杆内砾石的沉积规律，可以看出，除了井斜、井身结构等井的基本因素以外，砾石的沉积还受充填排量、充填压力，携砂液和砾石的性质影响，在大位移井砾石充填作业中可以研究推广使用低阻力、高悬浮性的携砂液和轻质砾石以降低充填压力，提高充填排量，保证充填效率。