高壓碎石充填防砂效果影響因素分析

高壓碎石充填防砂效果影響因素分析

在高壓下填充防砂技術(shù)中，綜合管柱首先填充到管外層，形成一定厚度的填充體，然后管道進(jìn)行循環(huán)，形成環(huán)形空卵石層。由于管外充填礫石提高了井筒附近地層的滲透性,管外、管內(nèi)礫石層又是很好的擋砂屏障,因此高壓礫石充填防砂的擋砂效果較好,并且可以獲得較高的防砂后產(chǎn)能。目前高壓礫石充填被廣泛應(yīng)用于出砂嚴(yán)重的油氣井防砂。高壓礫石充填防砂設(shè)計原則為:(1)擋砂效果好,并能獲得盡可能高的防砂后產(chǎn)量;(2)能夠順利施工,達(dá)到管外、管內(nèi)充填的目的。前者主要取決于礫石尺寸;而后者主要取決于攜砂比、充填排量、攜砂液黏度等施工參數(shù)。如果這些參數(shù)設(shè)計不當(dāng),礫石顆粒在通過水平射孔孔眼時可能發(fā)生過度沉積,提前脫砂而將孔眼堵塞,之后管外地層將得不到有效的充填。根據(jù)上述分析,高壓礫石充填施工參數(shù)的主要設(shè)計內(nèi)容包括礫石尺寸優(yōu)選、攜砂比、充填排量、攜砂液黏度等施工參數(shù)的確定,另外還包括繞絲篩管參數(shù)以及防砂管柱尺寸的設(shè)計。1礫石尺寸的影響礫石尺寸的優(yōu)化對高壓礫石充填防砂至關(guān)重要。擋砂效果與產(chǎn)量是相互矛盾的兩個方面,都受礫石尺寸的制約。礫石尺寸過小,能夠有效擋砂但對產(chǎn)量影響較大;反之可獲得高產(chǎn)但擋砂效果不好。因此,礫石尺寸的選擇必須考慮礫石尺寸對防砂后產(chǎn)量的影響以及地層砂對礫石層的侵入特性。1.1地層砂中值之比生產(chǎn)過程中,較細(xì)的地層砂會不同程度地侵入礫石層,使礫石層滲透率降低或直接穿透礫石層導(dǎo)致防砂失效。地層砂侵入礫石層的試驗研究表明,侵入程度與RGS(礫石與地層砂中值之比)有關(guān):RGS<5,無地層砂侵入;5<RGS<6,基本無地層砂侵入;6<RGS<8,地層砂輕微侵入礫石層,侵入厚度較小;10<RGS<15,地層砂隨生產(chǎn)時間延長逐漸侵入礫石孔隙,并在其中運移;15<RGS,地層砂可以自由侵入并通過礫石層,不起擋砂作用。根據(jù)上述結(jié)果,RGS=5為無地層砂侵入的臨界值。為了便于進(jìn)行評價,定義砂侵指數(shù)為實際礫石與地層砂中值之比與5的比值。砂侵指數(shù)越大于1,表示砂侵越嚴(yán)重。僅從擋砂效果的角度考慮,砂侵指數(shù)越小越好。1.2礫石層對產(chǎn)能的影響礫石充填井中從地層到井筒的各個滲流區(qū)域中,射孔炮眼區(qū)域的流通面積最小,其流體流速最高,炮眼中的壓力損失為井筒附近的主要壓力損失。礫石充填炮眼中的壓降和壓降梯度反映礫石層對產(chǎn)能的影響。充填炮眼壓降越小,表示產(chǎn)能越高,反之表示產(chǎn)能越低,礫石層對產(chǎn)能影響較大。(1)波孔內(nèi)碎石層壓降計算公式Δp=(qpμπkGrp2+βGρqp2πrp4)Lp(1)Δp=(qpμπkGrp2+βGρqp2πrp4)Lp(1)(2)地層壓力psczcstscpo2-pi2=Aqsc+Bqsc2(2)A=2μGSDΗpkGπrp2pscΖΤΖscΤscLpB=3.4844×10-32βGγGΖΤπ2rp4SD2Ηp2(pscΖscΤsc)2Lppo2?pi2=Aqsc+Bqsc2(2)A=2μGSDHpkGπrp2pscZTZscTscLpB=3.4844×10?32βGγGZTπ2rp4SD2Hp2(pscZscTsc)2Lp式中,Δp為油井礫石充填射孔炮眼兩端的壓降,Pa;qp為單孔眼中產(chǎn)量,m3/d;μ為原油黏度,Pa·s;kG為礫石層滲透率,m2;rp為射孔孔眼半徑,m;ρ為原油密度,kg/m3;Lp為射孔孔眼長度,m;βG為炮眼礫石層紊流速度系數(shù),m-1;po、pi為氣井礫石充填孔眼外端與內(nèi)端的壓力,Pa;psc、Tsc、Zsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力、溫度和標(biāo)況下的天然氣壓縮因子,單位分別為Pa、K和無量綱;T為氣層溫度,K;μG為天然氣地下黏度,Pa·s;Z為地層條件下天然氣壓縮因子,無因次;Hp為氣層厚度,m;SD為射孔密度,1/m。1.3傳統(tǒng)石材大小選擇方法1.3.1亞麻法建立在完全擋砂機理之上,選用礫石的粒度中值為地層砂粒度中值的5～6倍。1.3.2礫石的尺寸范圍d如圖1所示,在地層砂篩析曲線上找到d50、d90的點A、B,然后分別向左側(cè)作水平線,找到點C、D,對應(yīng)礫石篩析曲線的D50和D90,條件是D50≤8d50,D90≤12d90,最后通過C、D繪制礫石的篩析曲線,滿足D10/D90≥3,延長礫石分布曲線到累重百分?jǐn)?shù)為0和100%,覆蓋的范圍便為礫石的尺寸范圍。符號Dx與dx分別表示礫石和地層砂篩析曲線上累重百分?jǐn)?shù)x%對應(yīng)的粒徑。1.3.3地層砂均勻系數(shù)設(shè)計步驟該方法根據(jù)均勻系數(shù)和流體流速確定設(shè)計點,取設(shè)計點的礫石/地層砂粒徑比為6作為臨界比值,如圖2。采用Schwartz方法選擇礫石尺寸的步驟如下。(1)根據(jù)地層砂均勻系數(shù)C和通過篩管的流速v,由表1選擇設(shè)計點和設(shè)計準(zhǔn)則。(2)根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則,找到地層砂半對數(shù)篩析曲線上d40(d10或d70)對應(yīng)的設(shè)計點A。(3)平移A點得到6倍于設(shè)計點粒徑的點B,點B即為礫石的D40(D10或D70),過點B做1條直(礫石篩析曲線),使?jié)M足其均勻系數(shù)D40/D90≤1.5。(4)外推直線至D0和D100,得到的直線對應(yīng)的粒度范圍即設(shè)計的礫石尺寸范圍。1.4礫石尺寸設(shè)計對于給定的地層砂,首先進(jìn)行篩析分析,用上述3種常規(guī)方法分別進(jìn)行礫石尺寸設(shè)計,計算使用各礫石尺寸充填后的射孔炮眼壓降,表征其對產(chǎn)能的影響,并預(yù)測地層砂對各種尺寸礫石層的侵入情況,綜合考慮充填后的產(chǎn)能和砂侵2個方面,優(yōu)選出最優(yōu)礫石尺寸。優(yōu)選程序如圖3。2靜力沉降參數(shù)高壓礫石充填施工的關(guān)鍵是保證攜砂液能夠?qū)⒌[石順利攜帶通過水平射孔炮眼,達(dá)到管外虧空地層。攜砂液在射孔孔眼的流動屬于水平管流,由于固相礫石的沉降特性,礫石顆粒容易在射孔孔眼入口端發(fā)生沉降,嚴(yán)重時會堵塞射孔孔眼,使后續(xù)的礫石難以再被攜帶到管外地層。為了保證礫石順利充填到地層中,攜砂液必須有足夠的礫石攜帶能力,這取決于流速(充填排量)、攜砂比和攜砂液黏度。礫石顆粒要順利通過水平射孔孔眼,必須保證在沉降到孔眼底部之前已經(jīng)被攜砂液攜帶到孔眼末端。礫石顆粒從射孔孔眼中央沉降到底部所需的時間為t1=dp/(2vt)(3)t1=dp/(2vt)(3)礫石顆粒被攜砂液從入口端攜帶到末端所需的時間為t2=Lpπdp2/(4qi)(4)t2=Lpπdp2/(4qi)(4)要保證順利充填,必須有t1≥t2,即qi≥vtLpπdp/2(5)qi≥vtLpπdp/2(5)總的地面最小臨界排量為Qc=vtLpπdpΗpSD/2(6)Qc=vtLpπdpHpSD/2(6)式中,t1為礫石顆粒從孔眼中央沉降到底部所需時間,s;t2為礫石顆粒被攜砂液從入口端攜帶到末端所需時間,s;dp為射孔孔眼直徑,m;vt為礫石顆粒的沉降末速,m/s;Qc為充填最小臨界排量,m3/s。單礫石顆粒在靜水中的沉降末速用斯托克斯公式計算vt=√43(ρGρl-1)gdG1Cd(7)阻力系數(shù)Cd與雷諾數(shù)、礫石密度、攜砂液黏度有關(guān),計算方法見參考文獻(xiàn)?？紤]礫石顆粒濃度的影響,群體砂粒的沉降速度為vt′=vt(1-CG)m(8)m=(2.4+2.51+5dG2)(CG0.2)-0.1根據(jù)式(6)～(8),礫石充填過程中射孔孔眼中不產(chǎn)生沉積堵塞的最小臨界排量為Qc=Lpπdp2ΗpSD√43(ρGρl-1)gdG1Cd(1-CG)m(9)式中,DG為最大礫石顆粒直徑,m;ρG為礫石密度,kg/m3;ρl為攜砂液密度,kg/m3;CG為礫石體積濃度,無量綱;dG為礫石平均粒徑,mm;Cd為阻力系數(shù),無量綱。由于攜砂液的密度和礫石的密度調(diào)整的余地不大,因此需要設(shè)計的施工參數(shù)主要包括攜砂比、排量和攜砂液黏度。根據(jù)方程(10),可以計算保持不堵塞情況下三者之間的關(guān)系,進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化組合設(shè)計。3其他施工參數(shù)的設(shè)計3.1繞絲篩管直徑繞絲篩管主要用來支撐礫石層同時篩縫提供流體入井的通道,通常選擇篩管的縫隙尺寸略低于充填礫石的最小尺寸ws=(14~23)DGmin(10)推薦采用2/3計算。根據(jù)計算結(jié)果選擇較接近的系列尺寸即可。繞絲篩管的直徑也是一個很重要的參數(shù),篩管與套管之間的環(huán)空厚度對擋砂效果和產(chǎn)量都有影響。但計算表明,對于礫石充填井,篩套環(huán)空礫石層的流動壓降與射孔孔眼礫石層的壓降相比非常小。因此增大環(huán)填厚度幾乎不會對產(chǎn)量造成影響,反而會提高擋砂效果和充填的穩(wěn)定性。推薦礫石充填環(huán)形空間的徑向厚度不小于20mm,應(yīng)盡可能大,即繞絲篩管的直徑應(yīng)盡可能小。生產(chǎn)篩管應(yīng)超出射孔層段上下界1.0～1.5m,確保篩管對準(zhǔn)產(chǎn)層。3.2端口長度的確定管內(nèi)理論礫石容量為射孔孔眼容積、盲管段環(huán)空容積與篩管(包括生產(chǎn)篩管和信號篩管)段環(huán)空容積與口袋容積之和。如果井底打橋塞,口袋長度應(yīng)算到橋塞深度。管外地層的充填礫石量主要根據(jù)地層虧空量確定。但實際上地層虧空體積一般很難確定,通常根據(jù)累產(chǎn)液體積乘以平均含砂率計算。為了保證足夠的施工用砂量,應(yīng)考慮乘以預(yù)備系數(shù)。Vo=ηQstγs(11)式中,Vo為管外礫石量,m3;Qst為累產(chǎn)量,m3;γs為平均含砂率,小數(shù);η為系數(shù),η=0.1～0.3。礫石充填總礫石量為管內(nèi)與管外礫石量之和。3.3設(shè)置盲管直徑和長度盲管一般為光油管,位于充填工具和生產(chǎn)篩管之間以及處于兩主體篩管之間,用于在井筒環(huán)形空間內(nèi)儲備礫石,以補充由于礫石密實沉降造成的虧空。盲管直徑等于篩管中心管直徑,長度與主體篩管的長度比可取1∶1;當(dāng)防砂層段超過30m時,盲管長度至少為30m;繞絲篩管的沖管外徑與篩管的中心管內(nèi)徑之比應(yīng)在0.6～0.8之間選取。4實例分析4.1確定礫石尺寸高壓礫石充填設(shè)計應(yīng)該遵循如下步驟。(1)地層砂特性分析。(2)選擇礫石尺寸。(3)選定礫石類型和攜砂液。(4)組合設(shè)計砂比、攜砂液黏度、排量等施工參數(shù)。(5)確定繞絲篩管尺寸,設(shè)計施工管柱圖。(6)計算礫石量。(7)根據(jù)礫石量、砂比確定攜砂液量。4.2最佳礫石尺寸確定QHC336井為出砂氣井,擬采用高壓礫石充填防砂。該井井深1508m,套管直徑177.8mm,射孔直徑約12mm,孔密30孔/m,共射開4個小層全部防砂。對該井的地層砂樣進(jìn)行了篩析分析,篩析曲線如圖4所示。特征尺寸d10=0.151mm,d40=0.082mm,d50=0.065mm,d70=0.032mm,d90=0.008mm,分選系數(shù)2.043,均勻系數(shù)10.036,標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)0.231。使用本文的礫石尺寸優(yōu)選方法,分別采用3種常規(guī)方法進(jìn)行礫石設(shè)計,然后分別進(jìn)行礫石尺寸評價,得到見表2和圖5所示的結(jié)果。對比表2和圖5,Schwartz方法的設(shè)計結(jié)果砂侵指數(shù)不高,且壓降不大。將其作為最終礫石尺寸設(shè)計結(jié)果。尺寸范圍0.3～0.68mm,滲透率83.2μm2,平均孔喉半徑0.075mm。該井采用淡鹽水作為攜砂液,礫石采用石英砂,密度分別為1000kg/m3和2632kg/m3;由于未添加增黏劑,攜砂液黏度約為1.1mPa·s。根據(jù)射孔參數(shù),使用方程(9)計算得到最小臨界排量隨攜砂比的變化曲線如圖6所示。根據(jù)圖6,臨界排量隨砂比的增大而增大。該井使用平均砂比15%,對應(yīng)的臨界排量約為500L/min。該井實際施工的排量為600～1500L/min。其他參數(shù)的設(shè)計結(jié)果為繞絲篩管縫寬0.2mm,主體篩管總長25.6m,礫石總用量16.82m3,攜砂液用量112m3。該井2003年9月進(jìn)行高壓礫石充填施工,施工過程順利。防砂前產(chǎn)氣指數(shù)4.173×104m3/(d·MPa),防砂后平均產(chǎn)氣指數(shù)3.689×104m3/(d·MPa),產(chǎn)能降低率為11.6%,目前不出砂穩(wěn)產(chǎn)(4.7～5.0)×104m3/d,防砂效果良好。5應(yīng)采用的一種方法(1)高壓礫石充填礫石尺寸關(guān)系到擋砂效果和防砂后產(chǎn)能,而能否順利施工主要取決于砂比、排量、攜砂液黏度等繞絲篩管參數(shù)以及防砂管柱尺寸施工參