高压充填防砂技术原理与应用
张钧涛
摘 要 本文主要通过对孤东采油厂主导防砂工艺封隔高压充填绕丝管防砂的应用情况进行分析，提出下步整改方向和措施，有力的提高了孤东的防砂工艺开发水平。
关键词 封堵 防砂工艺 高压充填
中图分类号：TE35 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）03-0035-05
孤东油田是胶结疏松的砂岩油藏，自上世纪八十年代投入开发以来，防止油层出砂已是维持油田正常开采的一项重要技术措施，随着油田的不断开发，防砂工艺技术也得到了不断的配套和发展。孤东油田西部，管理着GD51块、GD55块及二区西部分油水井，主力区块GD51、GD511块及二区西储层为河流相沉积，埋藏浅、泥质含量高、胶结疏松、易出砂，属典型的疏松砂岩油藏，区块投入开发以来，防砂工艺应用一直是我们工作的重点，防砂治砂工作任务艰巨。
1 某单位防砂工艺实施现状
孤东油田西部主力区块GD51、GD511及二区西储层属典型的疏松砂岩油藏，区块投入开发以来，防砂工艺应用一直是我们工作的重点，防砂治砂工作任务艰巨。
孤东采油厂防砂工艺发展大体分三个阶段：
第一阶段（1986～1989年）：以滤砂管、干灰砂防砂为主。在这一阶段中的滤砂管防砂技术适合于渗透性高的中粗砂粒地层，成本低且防砂效果较好，但是这种防砂技术有效防砂周期短，仅在400天左右，并且对出泥粉砂严重油井没有根本的解决办法。
第二阶段（1990～2000年）：以滤砂管、涂料砂防为主，以干灰砂、绕丝管循环充填为辅。本阶段中的滤砂管防砂技术同样适合于渗透性高的中粗砂粒地层，成本较低，并且防砂效果较好，其有效防砂周期大体在700天左右，但是这种防砂方式还是同样对出泥粉沙严重油井没有根本的解决办法，仍需进一步改进[1]。
于是本区块经过多年开发，油层及井况条件日趨复杂化，油井防砂主要面临以下两点问题：
（1）传统防砂工艺适用性变差，出泥粉砂严重的油井日益普遍，因防不住砂导致的长期停产井日益增加，防砂成功率低，有效期短的问题突显。影响油井整体开发效果的进一步提高。
（2）防砂费用急剧增加，使作业成本压力越来越大。针对传统防砂工艺存在的这些问题，采油厂于1998年试用了绕丝管高压充填防砂工艺，该工艺不仅可以解决以往传统工艺不能解决的地层出泥粉砂问题，而且该技术还有效延长了防砂周期，在某单位选出的29口可对比井中平均防砂周期达到了978天;并且该技术在对地层解堵、提高采液强度从而提高油井产量方面显示出了极大的经济效益。自2001年以来，某单位主要推广应用了绕丝管封隔高压充填防砂工艺。
第三阶段（2001～至今）：以绕丝管封隔高压充填为主，循环充填为辅。
2 高压充填技术原理、应用及效果分析
采用封隔高压充填技术能在井筒附近形成挡砂屏障，提高了近井地带的渗透率和防砂强度，扩大渗流面积，消除孔眼附近的瓶颈阻流，降低生产压差，从而控制出砂，并提高产能，能有效解除井筒附近的污染堵塞;较好地解决“防砂与防堵塞不能统一”的问题，达到既有效防住油层出砂，又大幅度地提高其供液能力的效果[2]。
2.1 封隔高压充填技术原理
2.1.1 防砂机理
（1）通过绕丝管挡住人工充填砂，利用充填砂对地层砂的桥塞作用，把地层砂挡在充填砂周围，形成较好的二级挡砂屏障，达到防止油层出砂的目的。
（2）根据油层出砂的门限速度理论，油层出砂程度与流体的流速成正比。高压充填砂在井筒一定半径的油层内形成致密的高渗透带，地层砂被挡在充填砂体以外。在油井产液量一定的情况下，出砂半径与流速有以下关系：
因此在油井生产时高速流体主要集中在充填砂体内，充填砂以外的流速则大大降低，减少了流体对地层砂的冲刷和携带作用，使油井出砂的可能性减少。
（3）高压充填防砂可以缓解或避免近井油层骨架的进一步破坏。这是因为岩层的破坏（包括拉伸、剪切、压缩和粘结破坏）与流体的流动压力梯度直接相关，流压梯度越大岩层破坏就越严重，则油层出砂越严重。因此当油层流体通过高渗的充填砂体时其流压梯度就大大降低，从而缓解甚至避免油层骨架的进一步破坏，缓解出砂趋势和程度。同时高压充填又可以重新建立近井地带油层的骨架支撑，避免上履地层坍塌出砂。
2.1.2 增产机理
（1）提高近井地带油层的渗透性。高压充填砂体采用0.4-0.8mm的石英砂，渗透率高达121μm2，远高于地层渗透率，根据油井流动动态关系IPR方程：
可见，在相同的生产压差下，改进渗流区渗透率K，降低油井表皮系数S，可以明显提高油井产量。
（2）高压充填可以起到一定的压裂作用，使地层形成短而宽的裂缝，从而提高供液能力 。
2.2 工艺技术参数的设计
2.2.1 孔密的设计
采用高密度、大孔径、深穿透射孔技术，可以增大液体流动面积，降低流体阻力，有利于提高产能，但同时考虑到孔密对高充防砂施工排量的设计要求，一般采用每米32孔、102枪、127弹的射孔完井方法。
2.2.2 充填砂粒径和绕丝管（割缝管）缝宽的设计
充填砂的粒径根据索西埃公式进行选择：
D=（5—6）d50
D为充填砂粒径，d50为地层砂粒径中值。
据分析孤东油井出地层砂的粒径中值为0.08-0.15mm，因此高压充填选用0.4-0.8mm充填砂和0.2-0.3mm的绕丝管（割缝管）。
2.2.3 充填砂量设计
充填砂量包括地层充填砂量和油套环空充填砂量，对油套环空内充填砂量可以通过简单的数学计算得到，因此关键在于地层充填砂量的设计。
为了达到较好的防砂效果，地层充填砂体至少达到油井大量在出砂半径以外的地层空间。
根据《疏松砂岩油藏出砂机理研究》成果，孤东油井最大出砂半径在1.5—3.2m之间，大量出砂半径在0.3-1.5m之间，结合老井地层亏空等情况，确定地层充填砂量由下式计算得出：
Q=3.14×R2 HΦ
R 为地层充填半径，一般取0.6—3米;
H 为射孔油层厚度;
Φ 为地层充填系数，一般取0.3—0.5米。
2.2.4 防砂管柱及配套工具设计
高压充填防砂防砂管柱由丝堵、绕丝管、安全接头、扶正器和PFS充填工具组成，如图1所示。
高压充填防砂工艺管柱配套工具设计主要应用了PFS型系列封隔充填一体化工具。PFS封隔充填工具主要由液压部分、锁紧部分、密封部分、卡瓦锚定部分、充填部分、关闭部分、丢手部分等组成。该工具结构简单 、性能稳定可靠、操作简便，具备良好的适性。[3]
2.2.5 充填施工参数设计
施工的不同阶段要求有不同排量：
1.在地层充填阶段，为了形成致密的充填砂体，要求充填施工达到：（1）在套管内携砂液速度至少达到临界速度，防止充填砂沉入套管砂埋炮眼。（2）在射孔孔眼内，携砂液喷射速度至少达到临界速度，以防止充填砂在管外空洞处沉积，在一定压力下把充填砂携带地层深处，形成密实的充填砂体。
施工排量的确定：0.4-0.8mm砂粒在∮139.7mm套管井内充填排量应达到0.8 ～1.1m3/min，在∮177.8mm套管井内充填排量应达到1.3～1.8 m3/min。
2.环空充填阶段要求携砂液流速低于临界速度，因此施工排量应逐步降至0.3～0.4m3/min。
3.现场施工质量标准：（1）0.4-0.8mm石英砂设计用量按充填半径1.2-1.5米计算;（2）携砂液需用脱油污水，干净合格;（3）泵压、排量和携砂比分为三阶段控制。
2.3 施工工艺及工艺特点
2.3.1 施工工艺
（1）管汇试压。接好地面管汇，开泵试压30MPa，3min不刺不漏方可进行下一步施工。
（2）封隔高壓一次充填工具座封。工具下达预定位置后，用携砂液正循环洗井，记录此时管柱重量，从油管内投入钢球一只，用水泥车小排量加压座封。
（3）验封。按操作规程提放管柱，验证是否座封。
（4）开启充填通道。继续加压至压力突降，此时中心管关闭，充填通道开启。
（5）确定施工排量。可根据砂粒直径和射孔井段长度设计相应的排量，必须满足积压式充填要求。
（6）充填。排量、压力稳定后进行充填，直到泵压升高到预定压力值，停止充填。
（7）反洗井。从套管内泵入清洁携砂液，洗出油管内多余的砾石，洗净为止。
（8）丢手。充填完成后，上提管柱至原负荷，正转油管倒扣丢手，确认倒开后上提管柱，此时充填通道自动关闭，中心管自动打开。
（9）按设计要求下入生产管柱。
2.3.2 工艺特点
（1）施工简单。封隔与高压一次充填结合在一起，减少了起下管柱时间、减少了作业占井时间，节省了地面施工。
（2）防砂有效期长。大排量高压将地层充填与井筒充填结合在一起，确保了充填砾石与空洞、压裂裂缝周壁紧密相镶嵌，有效防砂半径大、有效期长，有强烈的解堵作用，并提高了渗透率。
（3）采液强度高。套管内下入了高强度的绕丝管，地层与环空被砾石充填结实，滤砂效果好，能大量提液。
（4）保护油层。油层充填与环空合二为一，降低了因携砂液更换了带来了油层污染。
（5）修井难度降低。管柱配套了安全接头和扶正器，便于套铣、解卡，减少了转大修的机会。
2.4 高压充填防砂工艺应用及效果分析
2001年～至今：以绕丝管高压充填为主，循环充填为辅的防砂工艺在某单位的防砂治砂工作中取到了很好的效果，并且在延长防砂有效期、对地层解堵、提高采液强度高方面显示了其极大的优经济效益显著，并很快在全队推广应用开来。
2.4.1 封隔高压充填防砂工艺有效的延长了防砂有效期
通过对29口可对比井进行统计，我们首先得出每口井各种防砂方式的平均有效防砂周期，然后在经过汇总，可以看出：我队所有可对比井涂防防砂工艺的平均有效防砂周期为644天，滤砂管防砂工艺的平均有效期为391天，而高压充填防砂工艺的平均有效防砂周期却达到了978天（见表2）。由此可见，高压充填防砂工艺在延长了防砂有效期方面突出了其巨大的优势。
2.4.2 封隔高压充填防砂工艺在对地层解堵、提高采液强度等方面效果显著
封隔高压充填防砂工艺在对地层解堵、提高采液强度方面进而提高油井产量方面显示了其极大的经济效益，共累计增油45889t。
2.4.3 封隔高压充填防砂工艺在防泥粉砂方面有很好效果
由于传统防砂工艺适用性变差，出泥粉砂严重的油井日益普遍，因防不住砂导致的长期停产井日益增加，影响油井整体开发效果的进一步提高。封隔高压充填防砂工艺可以有效的对因传统工艺防不住泥粉砂而导致的长期停产井进行扶井，共扶井5井次，累增油18328t。[4]
2.4.4 高压充填防砂技术对不同采液强度的适用范围
封隔高压充填防砂技术在某单位应用表明：该技术较适用于5-15这段采液强度下，其中采液强度在5-10之间时，平均有效防砂期最长，达到1490天，采液强度在10-15之间时，有效防砂期次之，达到1210天。
3 结论
（1）该技术有效延长了防砂周期，在某单位选出的29口可对比井中平均防砂周期达到了978天。
（2）该技术在对地层解堵、提高采液强度从而提高油井产量方面显示出了极大的经济效益，共累计增油45889t。
（3）可对因传统工艺防不住泥粉砂而导致的长期停产井进行扶井，累增油18328t。总之，该技术经济效益显著，值得推广应用。
（4）虽然高压充填防砂技术在我队应用中虽然取得良好的效果，但是后期堵塞问题仍有待解决。
参考文献：
[1] 廖华林，董林，牛继磊，等.砾石充填条件下筛管堵塞与冲蚀特性试验[J].中国石油大学学报（自然科学版），2019（03）：90-97.
[2] 余莉，何计彬，叶成明.砾石充填防砂试验的出砂演化规律分析[J].科学技术与工程，2020，20（10）：3933-3939.
[3] 同[1].
[4] 同[2].
胜利油田分公司孤东采油厂工艺所，山东 东营
