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【摘要】本文首先对水平井环空砾石充填过程进行深入分析，找出影响其充填率的關键因素：施工排量、砂比、冲筛比及携砂液粘度，从而提出提高环空砾石充填率对策，包括优化参数和改进工艺。在现场的实施取得了较好效果，为油田水平井防砂工艺的发展提供了有力的支撑作用。
【关键词】防砂 水平井 充填率
环空砾石充填是目前最佳的防砂方法之一，随着水平井应用范围的扩大对防砂也提出了相应要求，但是水平井砾石充填的影响因素复杂，在现场施工作业中经常发生充填无效，导致防砂工艺失败，从而制约了砾石充填防砂技术在水平井的应用。
1 水平井环空砾石充填过程
水平井环空砾石充填过程中，砾石和携砂液组成的混合液泵入水平段井环空，经过射孔段时，随着携砂液的滤失，流速逐渐降低，流体的紊流强度减弱，砾石因重力而下沉，流体呈密度不对称流动状态，井筒下部所含的砾石比上部多；当流速进一步降低时，流体携砂能力进一步减弱，砾石开始在流动环空底部沉积，形成在上部流体携带下而流动的沉积砂床；当混合液的流速继续降低时，流动砂床底部不再流动，形成静止的砂床。此时，混合液中砾石无法再向前运移，从而开始在静止砂床顶部的空间内开始反向充填，直至充填到水平段开始位置。水平井砾石充填过程是一个变质量流动过程。在充填过程中，携砂液可以自由通过筛管缝隙，而砾石可以被阻挡在筛套环空中。
2 水平井砾石充填率影响因素分析
影响水平井砾石充填率的因素不仅包括井身结构、地层物性等不能改变的因素，还包括现场施工排量、携砂比和携砂液粘度等可以优化的施工因素，提高充填率主要从这些可以优化的影响因素进行分析。
2.1 施工排量
理论上施工排量越大携砂能力越强，砾石颗粒越不容易沉积，充填率越高。但是施工排量过高会形成较高的施工压力，从而导致地层压开使携砂液携带砾石进入地层，不能形成有效的环空充填从而造成防砂失败。2.2 携砂比
较高的砂比可能会直接导致提前堵塞，并且携砂比越高，由于携砂液的滤失和砂床高度的不断升高，筛套环空中会越快地达到砾石极限浓度，堵塞位置会越提前不利于充填率的提高。但是较低的携砂比会大大延长施工时间，增加施工成本。因此，在保证充填率的前提下，可以尽量提高携砂比。
2.3 携砂液粘度
在一定的粘度范围内随着粘度增大携砂液携砂能力增强，随后即使再增加粘度携砂能力也基本不变，但是如果粘度太高，携砂液携带砾石进入水平井筛管末端后砾石仍不能沉降，也不行形成有效充填。
3 提高水平井环空砾石充填率对策
提高水平井砾石充填的对策主要是优化施工参数和改进施工工艺两个方面。
3.1 优化施工参数
将对充填率影响较大的充填排量、携砂比、携砂液粘度、三个参数作为正交设计考虑的因素。根据实际需要，将每种因素的取值分为4个位级，其中排量取值分别为400 L/ min、550 L/min、700 L/min、850 L/min，携砂比取值分别是5%、8%、10%、15%，粘度取值分别是1 mPa.s、5 mPa.s、10 mPa.s、15 mPa.s。
按照正交实验设计法，得到16种不同取值的组合方案，然后利用水平井砾石充填数值模拟软件进行模拟计算，分别计算出各施工参数在不同位级情况下的平均充填率，见表1。
根据表1的统计结果，通过直观分析得出：在给定的位级中，最佳施工参数组合为充填排量850L/min、携砂比8%、携砂液粘度10mPa.s。
3.2 改进施工工艺
常规砾石充填防砂工艺是携砂液由上而下地进入筛套环空，该工艺在地层滤失强度大或砾石沉降过快时可能会造成提前砂堵导致防砂工艺失败。因此采用逆向充填工艺，使携砂液由下而上地进入筛套环空，从信号筛管开始滤砂，砾石自上而下不间断地对筛管与套管环形空间进行砾石循环充填。
3.3 现场应用
采用优化后的参数和改进的工艺在现场进行了应用，从应用效果来看，M138-P7、J5-P32、J5-P15井和M138-P34平均充填率全部都略大于100%，循环施工结束后发现施工液量也均有小幅的减少，因此分析认为充填率大于100%的主要原因是地层压力低导致施工过程中部分携砂液进了地层。M4-P6和M4-9-X35和由于本次循环充填前进行了地层预充填，在下入防砂管柱的过程中就发现井口轻微溢流，溢流过程中部分充填的砾石返回井筒，导致该井最终计算的充填率略小于100%。
4 结论
（1）通过水平井砾石充填过程和特征的分析，认识到提高水平井砾石充填效率的关键就是控制好水平井a充填阶段平衡砂床高度。
（2）对影响水平井a充填阶段平衡砂床高度的施工参数进行正交试验设计得到一系列组合，运用水平井砾石充填数值模拟软件计算各种组合条件下的平衡砂床高度，最后通过直观分析法和方差分析法可以确定最优的施工参数。
（3）采用提高水平井环空砾石充填率对策后进行试验的6口井均得到有效充填，说明提高水平井环空砾石充填率对策能够取得较好的应用效果。
参考文献
[1] 何生厚，张琪.油气井防砂理论及其应用[M].中国石化出版社，2003
[2] 李爱芬.地层砂粒在液体中的沉降规律研究[J].油气地质与采收率，2001，8（1）：70-73
作者简介
何勇（1983-），男，工程师，长江大学地质工程专业工程硕士，现从事油田开发过程中的油水井防砂技术研究与应用。
【关键词】防砂 水平井 充填率
环空砾石充填是目前最佳的防砂方法之一，随着水平井应用范围的扩大对防砂也提出了相应要求，但是水平井砾石充填的影响因素复杂，在现场施工作业中经常发生充填无效，导致防砂工艺失败，从而制约了砾石充填防砂技术在水平井的应用。
1 水平井环空砾石充填过程
水平井环空砾石充填过程中，砾石和携砂液组成的混合液泵入水平段井环空，经过射孔段时，随着携砂液的滤失，流速逐渐降低，流体的紊流强度减弱，砾石因重力而下沉，流体呈密度不对称流动状态，井筒下部所含的砾石比上部多；当流速进一步降低时，流体携砂能力进一步减弱，砾石开始在流动环空底部沉积，形成在上部流体携带下而流动的沉积砂床；当混合液的流速继续降低时，流动砂床底部不再流动，形成静止的砂床。此时，混合液中砾石无法再向前运移，从而开始在静止砂床顶部的空间内开始反向充填，直至充填到水平段开始位置。水平井砾石充填过程是一个变质量流动过程。在充填过程中，携砂液可以自由通过筛管缝隙，而砾石可以被阻挡在筛套环空中。
2 水平井砾石充填率影响因素分析
影响水平井砾石充填率的因素不仅包括井身结构、地层物性等不能改变的因素，还包括现场施工排量、携砂比和携砂液粘度等可以优化的施工因素，提高充填率主要从这些可以优化的影响因素进行分析。
2.1 施工排量
理论上施工排量越大携砂能力越强，砾石颗粒越不容易沉积，充填率越高。但是施工排量过高会形成较高的施工压力，从而导致地层压开使携砂液携带砾石进入地层，不能形成有效的环空充填从而造成防砂失败。2.2 携砂比
较高的砂比可能会直接导致提前堵塞，并且携砂比越高，由于携砂液的滤失和砂床高度的不断升高，筛套环空中会越快地达到砾石极限浓度，堵塞位置会越提前不利于充填率的提高。但是较低的携砂比会大大延长施工时间，增加施工成本。因此，在保证充填率的前提下，可以尽量提高携砂比。
2.3 携砂液粘度
在一定的粘度范围内随着粘度增大携砂液携砂能力增强，随后即使再增加粘度携砂能力也基本不变，但是如果粘度太高，携砂液携带砾石进入水平井筛管末端后砾石仍不能沉降，也不行形成有效充填。
3 提高水平井环空砾石充填率对策
提高水平井砾石充填的对策主要是优化施工参数和改进施工工艺两个方面。
3.1 优化施工参数
将对充填率影响较大的充填排量、携砂比、携砂液粘度、三个参数作为正交设计考虑的因素。根据实际需要，将每种因素的取值分为4个位级，其中排量取值分别为400 L/ min、550 L/min、700 L/min、850 L/min，携砂比取值分别是5%、8%、10%、15%，粘度取值分别是1 mPa.s、5 mPa.s、10 mPa.s、15 mPa.s。
按照正交实验设计法，得到16种不同取值的组合方案，然后利用水平井砾石充填数值模拟软件进行模拟计算，分别计算出各施工参数在不同位级情况下的平均充填率，见表1。
根据表1的统计结果，通过直观分析得出：在给定的位级中，最佳施工参数组合为充填排量850L/min、携砂比8%、携砂液粘度10mPa.s。
3.2 改进施工工艺
常规砾石充填防砂工艺是携砂液由上而下地进入筛套环空，该工艺在地层滤失强度大或砾石沉降过快时可能会造成提前砂堵导致防砂工艺失败。因此采用逆向充填工艺，使携砂液由下而上地进入筛套环空，从信号筛管开始滤砂，砾石自上而下不间断地对筛管与套管环形空间进行砾石循环充填。
3.3 现场应用
采用优化后的参数和改进的工艺在现场进行了应用，从应用效果来看，M138-P7、J5-P32、J5-P15井和M138-P34平均充填率全部都略大于100%，循环施工结束后发现施工液量也均有小幅的减少，因此分析认为充填率大于100%的主要原因是地层压力低导致施工过程中部分携砂液进了地层。M4-P6和M4-9-X35和由于本次循环充填前进行了地层预充填，在下入防砂管柱的过程中就发现井口轻微溢流，溢流过程中部分充填的砾石返回井筒，导致该井最终计算的充填率略小于100%。
4 结论
（1）通过水平井砾石充填过程和特征的分析，认识到提高水平井砾石充填效率的关键就是控制好水平井a充填阶段平衡砂床高度。
（2）对影响水平井a充填阶段平衡砂床高度的施工参数进行正交试验设计得到一系列组合，运用水平井砾石充填数值模拟软件计算各种组合条件下的平衡砂床高度，最后通过直观分析法和方差分析法可以确定最优的施工参数。
（3）采用提高水平井环空砾石充填率对策后进行试验的6口井均得到有效充填，说明提高水平井环空砾石充填率对策能够取得较好的应用效果。
参考文献
[1] 何生厚，张琪.油气井防砂理论及其应用[M].中国石化出版社，2003
[2] 李爱芬.地层砂粒在液体中的沉降规律研究[J].油气地质与采收率，2001，8（1）：70-73
作者简介
何勇（1983-），男，工程师，长江大学地质工程专业工程硕士，现从事油田开发过程中的油水井防砂技术研究与应用。